33、编码随机接入技术解析

编码随机接入技术解析

1. 引言

在通信场景中，随机接入问题十分常见。多个用户（终端）需要通过共享通信介质访问公共接入点（AP），但终端的激活模式以及接入终端的数量往往事先未知。例如，在蜂窝网络中，手机与基站建立连接以发起通话的过程就涉及随机接入问题。

为解决这一问题，通常采用分散式算法，使用户随机选择接入时间，避免用户间的干扰，确保接入点能成功接收接入请求。

1.1 时隙ALOHA（SA）

SA是一种著名的随机接入协议，广泛应用于RFID网络、卫星网络以及蜂窝接入网络的连接建立过程。在SA中，时间被划分为等长的时隙，用户实现时隙同步，由接入点广播时间参考来协调用户。每个接入用户独立且无协调地根据一定概率决定是否在某个时隙发送数据。

从接入点的角度看，时隙可分为空闲时隙（无传输）、单例时隙（单个传输）和冲突时隙（多个传输）。SA的性能通常在冲突信道模型下评估，该模型假设单例时隙中的传输能以概率1成功接收，而冲突时隙中的传输以概率1无法接收。SA的一个基本性能指标是期望吞吐量T，即每个时隙中能成功解码的传输（用户数据包）的平均数量，对于冲突信道模型，它等于时隙为单例的概率。吞吐量计算公式为：
[T = Pr{slot\ is\ singleton} = \binom{N}{1} p_A(1 - p_A)^{N - 1} \approx Np_Ae^{-Np_A}]
其中，N表示接入用户的数量，当 (N \to \infty) 且 (Np_A = \beta)（(\beta) 为常数）时，该近似成立。为提高SA在冲突信道模型下的吞吐量，需优化时隙接入概率 (p_A)。渐近情况下，最大期望吞吐量的极限为 (\frac{1}