基于ALOHA技术提高卫星信道利用率

张炎生 周珏

摘要    在卫星通信系统中，卫星信道非常有限而珍贵，如何充分利用卫星信道一致是相关领域研究的课题。ALOHA技术作为卫星信道的随机占用技术，本文分析探讨ALOHA技术的特点和应用方法，将大大地提高卫星信道的利用率而得到更加的重视和广泛使用。

【关键词】卫星通信 ALOHA 卫星信道 利用率

1 引言

利用静止卫星进行通信是微波中继通信的继承和发展，但与微波中继通信相比具有通信距离远，覆盖面积大;组网灵活，便于多址连接;频带宽，容量大;通信质量高，可靠性好;成本与通信距离无关，成本低等优点，利用静止卫星进行通信是卫星通信的主要形式。

由于静止卫星的成本、技术要求等多方面的因素，人们总在千方百计地寻求提高卫星利用率的方法。如采用FDM和TDM多路复用技术，FDMA、TDMA、SDMA和CDMA多址连接技术，空间分割与极化隔离的频率再用技术以及预分配和按需分配的信道分配技术等。ALOHA技术是基于TDMA和信道按需分配基础上的一种新的信道分配技术，它可使卫星信道得到充分地利用。

2 研究背景

随着卫星通信的不断发展，数据传输和交换也在静止卫星通信中广泛应用。与语音传输相比，利用卫星信道进行数据传输有如下特点：

（1）数据发出的时间具有随机性和间断性。当有数据传送时，数据率很高，可达到几千bps，但传送数据的时间很短促，其余的很长时间是空闲的，没有数据传送。峰值传送率与平均传送率的比值很大，高达几千，从而使信道的利用率很低。

（2）数据的业务种类多，系统中可能同时传输速率相差较大的不同数据。

（3）各类数据可以非实时传送。为了提高卫星信道的利用率，可以把每组数据划分为多个分组后分开传输。在接收端把接收的各个分组还原为最初完整的数据。对短数据，安排在一个数据分组中。

（4）在卫星通信网中，卫星信道进行数据传输一般包括大量成本较低的地球站。

由以上特点可知，除了数据业务非常繁忙或被传送的数据很长外，如果仍然使用适合于传送具有电话业务“长流水”特点的卫星FDMA或TDMA方式来传送具有“突然发生”特点的数据业务时，信道的利用率会很低。即使采用按申请分配方式，也不会有多少改进。因为许多所发送的数据的时间甚至还小于申请分配信道所需的时间。

ALOHA技术则是利用卫星进行数据分组交换，这种技术是在时分多址技术的基础上，以按需分配中的随机信道分配方式来随机占用卫星信道。其特点可概括为16个字即：“信道无需申请，数据分组随机发送，发生碰撞随机延时发送”，应用在非实时性的数据传输中效果非常好。当前，ALOHA按随机占用卫星信道的时间不同有纯ALOHA、时隙ALOHA和预约ALOHA三种类型。

3 ALOHA技术的工作特点

3.1 纯ALOHA的工作特点

在数据传输网中，各地球站的发射控制单元将准备发送的数据划分为许多个段，在每段的前面加上收发地址和一些控制开销比特的报头，每段后面加上檢错码，形成一个数据分组，如图1所示。这样的数据分组一是由发射控制单元经调制后发向卫星，二是由存储器储存起来以作碰撞、重传发时的备用。

数据分组以时间随机来发射而不需要全网同步，卫星转发器发出以后，通信网中的全部地球站将能接收到所发的数据分组信号，但只有与报头中地址相符的地球站才能检测出星转发器发出数据分组。接收地球站收到数据分组后，通过检测若无错误，要发出应答信号;如检测有错，则不作应答。

发地球站发射数据分组后将等待收地球站的应答信号。如在规定的时间内没有收到应答信号，发地球站将会把存储器中储存的原数据分组重新发出，如此反复，直到收地球站接收正确后发回应答信号为止，此时将同时删除存储器所储存的内容。此时，收地球站将不能正确接收到信号，也就不会作出应答，则发地球站必须重发。纯ALOHA技术的最大信道利用率为18.4%。

3.2 时隙S—ALOHA的工作特点

S—ALOHA是将通过卫星转发器的时间划分成若干个时隙，每个地球站发射的数据分组进入到规定的时隙中，且要求每个分组所占用的时间填满一个时隙的时间，时隙的定时由整个通信系统的时钟来确定，来同步各地球站发射控制单元的工作时间。S—ALOHA技术出现碰撞的几率比纯ALOHA技术的碰撞几率要小得多，其原因是S—ALOHA技术有效地避免了部分碰撞的情况发生，其最大信道利用率可达到36.8%。S—ALOHA技术还采用把地球站的终端分成不同的优先等级或根据业务等级的不同改变各地球站的发射功率等措施来减小信号发生碰撞的概率，进而解决信道存在的不稳定现象。

3.3 预约R—ALOHA技术的工作特点

在传输数据的卫星通信网中，各地球站的业务类型、业务量以及传送的内容长短等都会有很大的差别。这时，若仍然采用纯ALOHA或S—AL0HA技术来传输消息，就要将消息数据分成众多的分组并逐一发出。R—ALOHA技术是当数据网内的地球站要发送长消息时，先向中心地球站提出预约一段（连续几个时隙时间）的申请，以便能一次性地发送成批的数据;对短的消息则仍按非预约的S—ALOHA技术进行传送。R—ALOHA技术的优点是解决了长、短消息兼容的问题，使卫星信道的利用率最大可达到83.3%。由于预约ALOHA工作时需要申请排队，所以仍存在平均传输时延较长的缺点。

4 ALOHA技术的应用举例

例如，一个纯ALOHA系统发生碰撞与重发的情况，如图2所示。图中表示1#、2#、......K#等地球站发射的信号正在通过转发器。其中2#站发射的第一个分组信号与K#地球站发射

的第三个分组信号发生了碰撞，于是这两个地球站就要分别等待不同的时间重发。由于纯ALOHA不需要整个系统的统一定时同步，各个地球站发射数据分组的时间是任意和随机的，因此，在发射的数据分组数目不太多时，纯ALOHA系统的信道利用率优于按需分配的TDMA方式，并且还具有一定的抗干扰能力。但是，在数据业务繁忙即发射的数据分组数目很多时，发生碰撞的概率也会增大，重发的分组的次数也随之增多，将会出现碰撞次数增多引起重发次数增多引起碰撞次数更多引起重发次数更多......的恶性循环，直至发展到无法控制的不稳定现象。这就需要采用其它ALOHA的技术来加以克服。

5 结束语

不同的ALOHA方式在工作特点、适用场合、信道利用率等多方面都有所不同，因而其应用场合也将不同，见表1所示。只要我们充分认识它们的优缺点，恰当使用不同的ALOHA技术，卫星通信中的信道利用率将达到期望的目标。随着卫星通信的不断发展，ALOHA技术必将得到进一步的完善，ALOHA技术的应用前景也将愈来愈广阔。

参考文献

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