1、Fundamental of Communication Networks 通信网络基础通信网络基础 第四章第四章多址技术多址技术2023-1-172第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-173第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.1.1 MAC层在通信协议中的位置4.1.2 多址协议的分类 4.1.3 系统模型 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址
2、接入协议随机多址接入协议 4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-1744.1 多址协议概述(1)网络中的各个终端设备终端设备通过通信子网通信子网来访问网络中的资源。当多个终端同时访问同时访问同一资源（如共享的通信信道）时，就可能会产生信息碰撞，导致通信失败。典型的共享链路共享链路有：卫星链路卫星链路和蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统的链路、局域网局域网、分组无线电网分组无线电网等。2023-1-1754.1 多址协议概述(2)典型的共享链路（1）在卫星和蜂窝移动通信系统卫星和蜂窝移动通信系统中，多个用户采用竞争或预约分
3、配等方式向一个中心基站发送信息，中心基站通过下行链路应答信息。卫星通信系统蜂窝移动通信系统2023-1-1764.1 多址协议概述(3)典型的共享链路（2）在局域网局域网中，一个用户发送，所有用户都可以接收到，它是一个全联通的网络，典型网络是以太网（Ethernet）局域网2023-1-1774.1 多址协议概述(4)典型的共享链路（3）在分组无线电网络分组无线电网络中，用户分布在一个很广的范围内，每个用户仅能接收到其通信范围通信范围以内的信息，任意两个用户之间可能需要多次中转多次中转才能相互交换信息，它是一个部分连通的网络。分组无线电网络2023-1-1784.1 多址协议概述(4)在上述的
4、网络中，如果多个用户同时发送，就会产生多个用户的帧在物理信道上相互重叠，使得接收端无法正确接收。为了有效的进行通信，就需要有某种机制来决定资源的决定资源的使用权使用权，这就是网络的多址接入控制问题多址接入控制问题。所谓多址接入控制协议多址接入控制协议(Multiple Access Control Protocol)就是在一个网络中，解决多个用户多个用户如何高效共享一个物高效共享一个物理链路资源理链路资源的技术。2023-1-179第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.1.1 MAC层在通信协议中的位置层在通信协议中的位置4.1.2 多址协议的分类 4.1.3 系统模型 4.2
5、 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-17104.1.1 MAC层在通信协议中的位置从分层的角度来看，多址技术是数据链路层的一个功能，由媒体访问控制媒体访问控制MAC层层负责。MAC层将有限的资源分配给多个用户，从而使得在众多用户之间实现公平公平、有效有效地共享有限的带宽资源；实现各用户之间良好的连通性，获得尽可能高的系统吞吐量尽可能高的系统吞吐量、以及尽可能低的系统时延尽可能低的系统时延。逻辑链路控制（LLC）子层为本节点提供了到其邻节点的
6、“链路”MAC子层协调本节点和其他节点有效地共享带宽资源2023-1-1711第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.1.1 MAC层在通信协议中的位置4.1.2 多址协议的分类多址协议的分类 4.1.3 系统模型 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-17124.1.2 多址协议的分类(1)多址协议主要分为固定分配固定分配多址接入协议、随机分配随机分配多址接入协议和基于预约方式基于预约方式的多址接入协议。固定分配多址接入
7、固定分配多址接入是指在用户接入信道时，专门为其分配一定的信道资源（如频率、时隙、码字或空间），用户独独享享该资源，直到通信结束。固定多址接入的优点在于可以保证每个用户之间的“公公平性平性”（每个用户都分配了固定的资源）以及数据的平平均时延均时延。典型的固定多址接入协议有：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA（空分多址）等。2023-1-17134.1.2 多址协议的分类(2)随机多址随机多址接入是指用户可以随时随时接入信道，并且可能不会顾及其它用户是否在传输。当信道中同时有多个用户接入时，在信道资源的使用上就会发生冲突（碰撞）。对于有竞争的多址接入协议，如何解决冲突如何解决冲突，从而使所有碰
8、撞用户都可以成功进行传输是一个非常重要的问题。典型的随机多址接入协议有：ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA。2023-1-17144.1.2 多址协议的分类(3)基于预约的多址接入协议基于预约的多址接入协议，是指在数据分组传输之前，先进行资源预约资源预约。一旦预约到资源（如频率、时隙），则在该资源内可进行无冲突无冲突的传输。2023-1-1715第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.1.1 MAC层在通信协议中的位置4.1.2 多址协议的分类 4.1.3 系统模型系统模型 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.
9、4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-17164.1.3 系统模型(1)从排队论的观点出发，多址信道可以看成一个多进单出的多进单出的排队系统排队系统（即该系统有多个输入而仅仅有一个输出）。每一个节点都可以独立的产生分组，而信道则相当于服务员，它要为各个队列服务。由于各个排队队列各个排队队列是相互独立相互独立的，各节点无法知道其它队列的情况，服务员也不知道各个队列的情况，所以增加了系统的复杂性。研究目标研究目标(1)协调多个用户之间的通信业务(2)有效、高效的利用信道资源2023-1-17174.1.3 系统模型(2)如果通
10、过某种措施，使各个节点产生的分组在进入信道之前排列成一个总的队列排列成一个总的队列，然后由信道来服务，则可以有效的避免分组在信道上的碰撞，大大提高信道的利用率。理想的多址接入协议的等效模型研究目标：研究目标：有效的避免分组在信道上的碰撞，大大提高信道的利用率。2023-1-17184.1.3 系统模型(3)为了能够有效的分析多址接入协议，我们必须根据应用环境做一些假设假设。在讨论每种多址协议时，应该考虑下列问题：网络的连通特性网络的连通特性。通常我们将网络按其连通模式分为：*单跳单跳网络：是指网络中所有的节点都可以接收到其它节点发送的数据；*两跳两跳网络：是指网络中的部分节点之间不能直接通信，
11、需要经过一次中继一次中继才能通信；*多跳多跳网络：是指网络中源节点和目的节点之间的通信可能要经过多次中继。多跳网络既可以是有线网络，也可以是无线网络。2023-1-17194.1.3 系统模型(4)同步的特性同步的特性*通常用户可以在任意时刻接入信道，但也可以以时隙时隙为基础接入信道。*在基于时隙的系统中，用户只有在时隙的起点才能接入信道。*在这种系统中，要求全网有一个统一的时钟求全网有一个统一的时钟，同时将时间 轴划分成若干个时隙。系统中所有数据的传输开始点都必须在一个时隙的起点时隙的起点。2023-1-17204.1.3 系统模型(5)反馈和应答机制反馈和应答机制*反馈信道反馈信道是用户获
12、得信道状态的途径。在本章的讨论中，我们都假设用户（节点）可以获得信道的反馈信息，即信道是空闲、碰撞还是进行了一次成功传输。数据产生模型数据产生模型*所有的用户都按照泊松过程泊松过程独立的产生数据。2023-1-1721第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.2.1 频分多址接入4.2.2 时分多址接入4.2.3 固定多址接入协议的性能分析固定多址接入协议的性能分析4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-17224.2.3 固
13、定多址接入协议性能分析(1)一个由m个用户组成的TDMA系统。设共享信道的总容量为C(bit/s)，每个用户的分组到达率为(分组/秒)，分组的长度固定，为1/(bit)。因为每时隙等长且固定，所以系统构成了m个独立的M/D/1排队模型。C1Cm2023-1-17234.2.3 固定多址接入协议性能分析(2)TDMA系统的分组平均时延由三部分组成：*分组的传输时延：*分组的排队时延：W*分组在帧内等待服务的时延分组在帧内等待服务的时延：。对于泊松到达过程，在稳态下该时延为半个帧长。C1Cm1tC2mt2023-1-17244.2.3 固定多址接入协议性能分析(3)FDMA系统与TDMA系统有两个
14、方面的差别：*FDMA的每个分组传输时间比TDMA大m倍：*分组的排队时延：WFDMA系统与TDMA系统平均时延比较：即当m2时，FDMA系统的分组时延总是大于TDMA系统的一个固定值(m/2-1)，与网络负荷无关。mtC(1)22FDMATDMAmtmTTmtWtWt 2023-1-17254.2.3 固定多址接入协议性能分析(4)从左图可以看出，当m=2时，TDMA和FDMA的性能相同，m越大，两者的差别就越大。2023-1-1726第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.3.1 ALOHA协
15、议协议4.3.2 载波侦听型多址协议4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-17274.3 随机多址接入协议随机多址协议随机多址协议又叫做有竞争的多址接入协议。各节点在网络中的地位地位是等同等同的，通过竞争获得信道的使用权。随机多址接入协议可分为：*完全随机多址接入协议（ALOHA 协议）*载波侦听型多址接入协议（CSMA）主要关心两个方面的问题：*稳态情况稳态情况下系统的通过率通过率和时延性能*系统的稳定性 2023-1-17284.3.1 ALOHA协议(1)其基本思想基本思想是：若一个空闲的节点有一个分组到达，则立
16、立即即发送该分组，并期望不会不会和其它节点发生碰撞碰撞。纯纯AOHA协议协议：最基本的 ALOHA 协议*基本思想：只要有新的分组到达，就立即被发送并期望不与别的分组发生碰撞。一旦分组发生碰撞，则随随机退避一段时间机退避一段时间后进行重传。*系统假设：系统中的所有分组的长度相等分组的长度相等，传输数据分组所需的时间定义为系统单位时间t。2023-1-17294.3.1 ALOHA协议(2)纯纯AOHA协议协议：最基本的 ALOHA 协议*易受破坏区间：*很显然，在纯ALOHA协议中，只有在数据分组的易受破坏区间内没有其它分组到达，则该分组可以成功传输。00,2 ttt与阴影帧的开始碰与阴影帧的
17、开始碰撞撞与阴影帧的结尾碰与阴影帧的结尾碰撞撞2023-1-17304.3.1 ALOHA协议(3)在纯ALOHA 协议中，一个分组传输成功的概率分组传输成功的概率为：其产生时刻的前一个单位时间内没有分组发送，并且在该分组产生时刻的后一个单位时间内也没有分组发送的概率。即是该分组产生时刻前后两个单位时间前后两个单位时间内没有其他分组发没有其他分组发送送的概率。与阴影帧的开始与阴影帧的开始碰撞碰撞与阴影帧的结尾与阴影帧的结尾碰撞碰撞2023-1-17314.3.1 ALOHA协议(4)假定重传的时延足够随机，重传分组和新到达分组合成的分组流是到达率为G的的Poisson到达过程。根据泊松公式，在
18、单位时间内，产生k个分组的概率是：则根据上面的分析，我们可以得到在纯ALOHA系统中，分组成功传输的概率：系统的通过率（单位时间内一个分组成功传输的概率）()!kGG ep kk2222(0)0!kGGsuccGePpe对下式求最大值，可得系统的最对下式求最大值，可得系统的最大通过率为大通过率为1/2e0.184此时对应的此时对应的G=0.52GsuccSGPGe2023-1-17324.3.1 ALOHA协议(5)时隙时隙AOHA协议协议*针对纯ALOHA协议，若缩小易受破坏区间，就可以减少分组碰撞的概率，提高系统的利用率。*系统假设：将时间轴划分为若干个时隙若干个时隙，所有节点同步，各节点
19、只能在时隙的开始时刻才能够发送分组，时隙宽度等于一个分组的传输时间。*当一个分组在某时隙到达后，它将在下一时隙开始传输，并期望不会与其它节点发生碰撞。2023-1-17334.3.1 ALOHA协议(6)时隙时隙AOHA协议协议*易受破坏区间：一个单位时间*近似地认为重传分组的到达过程和新分组的到达过程之和是到达率为G的Poisson过程。*时隙ALOHA协议的分组传输成功率传输成功率：在单位时间内单位时间内没有其他分组发送的概率。(0)GGsuccsuccPpeSGPGe对下式求最大值，可得系统的最对下式求最大值，可得系统的最大通过率为大通过率为1/e0.368此时对应的此时对应的G=0.5
20、2023-1-17344.3.1 ALOHA协议(7)上图为ALOHA协议的通过率曲线。很明显，时隙ALOHA协议的最大通过率是纯ALOHA协议最大通过率的2倍。2023-1-17354.3.1 ALOHA协议(6)若干个终端用纯 ALOHA 随机接入协议与远端主机通信，信道速率为 2.4kb/s。每个终端平均每3分钟发送一个帧，帧长为 200bit，问系统中最多可容纳多少个终端？若采用时隙 ALOHA 协议，其结果又如何？设可容纳的终端数为N。每个终端发送数据的速率是 bit/s。由于纯ALOHA系统的最大系统通过率为1/2e，则有 若采用时隙ALOHA协议，最大通过率为1/e，则有1.16
21、032003961.1212400eN7931.112400eN2023-1-1736第四章 内容概述4.1 多址协议概述多址协议概述 4.2 固定多址接入协议固定多址接入协议 4.3 随机多址接入协议随机多址接入协议 4.3.1 ALOHA协议4.3.2 载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议4.4 冲突分解冲突分解4.5 预约多址接入协议预约多址接入协议4.6 分组无线电网络分组无线电网络2023-1-17374.3.2 载波侦听型多址协议(1)载波侦听多址接入协议CSMA：是从 ALOHA 协议演变出的一种改进型协议，它采用了附加的硬件装置附加的硬件装置，每个节点都能够检测检测（侦听）到信
22、道上有无分组在传输。基本思想基本思想：如果一个节点有分组要传输，它首先检测信道是否空闲，如果信道有其他分组在传输，则该节点可以等到信道空闲后再传输。这样可以减少要发送的分组与正在传输的分组之间的碰撞，提高系统的利用率。2023-1-17384.3.2 载波侦听型多址协议(2)CSMA 协议分为三类：*非坚持型（非坚持型（Non-persistent）CSMA：先监听信道，信道忙则退避一段时间 退避时间内放弃监测信道。*1-坚持型坚持型CSMA：先监听信道，信道忙则退避一段时间 退避时间内一直坚持检测信道状态，直到信道空闲为止，再发送分组。*p-坚持型坚持型CSMA：先监听信道，信道忙则退避一段
23、时间 退避时间内一直监测信道 信道空闲之后，以概率p发送分组。2023-1-17394.3.2 载波侦听型多址协议(3)有碰撞检测碰撞检测的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CD）*前面讨论的 CSMA 协议由于在发送之前进行载波监听，所以减少了冲突的机会。但由于传播时延传播时延的存在，冲突还是不可避免的。只要发生冲突，信道就被浪费一段时间。*CSMA/CD比CSMA又增加了一个功能，这就是边发送边发送边监听边监听。只要监听到信道上发生了冲突，则冲突的节点就必须停止发送。这样，信道就很快空闲下来，因而提高了信道的利用率。这种边发送边监听的功能称为冲突检测冲突检测。2023-1-1
24、7404.3.2 载波侦听型多址协议(4)有碰撞检测碰撞检测的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CD）*强化干扰：如果发生碰撞，则该节点停止发送，随机时延一段时间后重复上述过程。在实际应用时，发送节点在检测到碰撞以后，还要产生一个阻塞信号阻塞信号（32比特的1）来阻塞信道，以防止其它节点没有检测到碰撞而继续传输。*任一发送节点若能完整的发完一个数据帧，则停顿一段时间（两倍的最大传播时延）并监听信道情况。若在此期间未发生碰撞，则可认为该数据帧已经发送成功。此时间区间称为“碰撞检测窗口碰撞检测窗口”。提高一个数据帧发送成功的可信度。接收节点在此窗口内发送应答帧（ACK 或NAK）。2
25、023-1-17414.3.2 载波侦听型多址协议(5)有碰撞避免碰撞避免功能的功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）*CSMA/CA是对 CSMA 的另一种改进方法*通常在无线系统中，一台无线设备不能一台无线设备不能在相同相同的频率频率（信道）上同时进行接收和发送同时进行接收和发送，因而不能采用碰撞检测技术，只能通过冲突避免的方法来减少冲突的可能性。*在IEEE802.11无线局域网（WLAN）的标准中，就采用了 CSMA/CA协议。它不仅支持全连通的网络拓扑，同时支持部分连通的网络拓扑。2023-1-17424.3.2 载波侦听型多址协议(5)有碰撞避免碰撞避免功能的
26、功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）工作流程 2023-1-17434.3.2 载波侦听型多址协议(5)有碰撞避免碰撞避免功能的功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）工作流程 DIFS：分布式协调功能的帧间：分布式协调功能的帧间间隔，约为间隔，约为50us2023-1-17444.3.2 载波侦听型多址协议(5)有碰撞避免碰撞避免功能的功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）工作流程 RTS（Request To Send）：请）：请求发送帧，预约信道。求发送帧，预约信道。2023-1-17454.3.2 载波侦听型多址协议(5
27、)有碰撞避免碰撞避免功能的功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）工作流程 SIFS：短帧间间隔，典型数值：短帧间间隔，典型数值为为10us。2023-1-17464.3.2 载波侦听型多址协议(5)有碰撞避免碰撞避免功能的功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）工作流程 CTS（Clear To Send）：应答）：应答帧帧2023-1-17474.3.2 载波侦听型多址协议(5)有碰撞避免碰撞避免功能的功能的载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议（CSMA/CA）工作流程 RTS/CTS中包括发送分组的中包括发送分组的长度，其他节点就能计算出长度，其他节点就能计算出退避时间退避时间 NAV,RTS/CTS相相对于数据帧的长度而言较小，对于数据帧的长度而言较小，因而引入的开销不大。因而引入的开销不大。
