第四章信道共享技术2005

第四章信道共享技术·信道共享：多点接入（多点访问）。多个用户共享一个公共信道来传输信息。·典型结构：多点线路、总线网和环形网。·解决问题：避免多个用户同时使用公用信道，以免发生冲突，产生互相干扰。采用相关技术协调用户对公共信道的使用。常用信道共享技术：·随机接入：ALOHA、CSMA、CSMA/CD·受控接入：轮询·信道复用：FDM、TDM、WDM、CDMA4.1随机接入技术：ALOHA基本思想：用户可随机发送信息。产生问题：当两个或更多用户同时发送信息时，会产生冲突（碰撞），使冲突用户的发送都失败。解决方法：·对随机发送增加限制，避免或减少冲突发生；·及时发现冲突，并加以解决。随机接入实际上是争用接入，争用胜利者可获得发送权。起源于夏威夷大学研制的ALOHA网（20世纪70年代初）。是一个无线电广播通信网，采用星型拓扑结构，使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机。无线电信道是一个公用信道，一个站发送的信息可以同时被多个站收到，每个站可随机发送。中心4.1.1纯ALOHA用于无线信道或总线网络。规则：各站随机发送数据·无其他站发送：成功；·有其他站发送：产生冲突，各站所发数据被破坏，分别后退等待一段随机时间再重发，直到成功。参见图4-2。特点：发送控制简单，易于实现，效率低（理论计算吞吐量不足18%）。4.1.2时隙ALOHA（S-ALOHA）对完全随机发送增加限制。方法：·将信道时间划分为若干等长的时间片（时隙Slot），长度为一帧的发送时间；·各站按时间片发送，并且只能在每个时隙的开始点发送。·若产生冲突，分别退让等待一段时间（随机个数的时间片），重发。参见图4-5。特点：冲突概率减小，效率提高（理论计算吞吐量37%）。4.2随机接入技术:CSMA和CSMA/CD是ALOHA的改进，用于总线网。4.2.1CSMACSMA：载波侦听多点访问、载波监听多点接入（CarrierSenseMultipleAccess）。载波：二进制数据信号。基本思想：·载波监听CS：每个站在发送数据前，先监听信道，判断是否有其他站在发送数据（忙或空）。如在发送（忙），则该站就暂不发送数据，减少冲突发生。·多路访问MA：多个站点共享同一信道发送信息。也叫“先听后讲”LBT(ListenBeforeTalk)。·冲突判断：发送站点在发完后要等待一段时间2，如果没有收到确认，发生冲突，随机延迟一个时间，重发该帧。：端端传播时延。网络中最远两个站点间的传输时间。与ALOHA比：增加载波监听装置，功能是“发送前监听”。有三种不同的形式：非坚持CSMA、1坚持CSMA、p坚持CSMA。1、非坚持CSMA·发前先监听信道·“忙”：不坚持听，等待随机时间后重新再监听；·“空”：立即发送信息。可采用划分“时隙”的方法，在每个“时隙”开始处发送帧。特点：减少冲突，不能及时发现信道变“空”，信道利用率不高。NNYYY载波监听延迟到下一时隙收到ACK发送等待2延迟一个随机时间N有待发帧结束Y信道忙N非坚持CSMAY信道忙N1-坚持CSMA2、1-坚持CSMA·发前先监听信道·“忙”：继续坚持听，直到信道“空”；·“空”：立即发送信息。特点：争取及早发送数据，减少信道空闲时间，保持较高利用率；仍有可能冲突（多个站同时监听到信道“空”立即发送）。3、p-坚持CSMA是1-坚持CSMA和非坚持CSMA的折中，减少冲突，减少空闲。·发前先监听信道·“忙”：继续听，直到信道“空”；·“空”：以概率p发送数据，以概率（1-p）延迟一段时间，重新监听信道。当p=1时，为1-坚持CSMA。YY信道忙N选择0～1间随机数IIp延迟Np坚持CSMACSMA问题：在发前监听，减少冲突。但由于传播时延的存在，仍有可能出现冲突，并造成信道浪费。4.2.2CSMA/CD在CSMA基础上增加“冲突检测CD”（CollisionDetection）功能。冲突检测：边发送边监听，即站点在发送同时进行监听，一旦检测到冲突，就立即停止发送。以便尽快重发，缩短无效传送时间，提高信道的利用率。“边说边听”LWT（ListenWithTalk）。1、规则（工作原理）：·发前先听·“空”：立即发送；·“忙”：继续听，直到信道空，立即发送；·发送期间继续监听，若发现冲突，立即停止对数据的发送，并发送一串“阻塞码”，退让等待一段时间，再重发。AB2、冲突检测方法（1）检查接收信号的电压大小：在基带传输系统中，当两帧的信号在信道上迭加时，电压摆动值要比正常值大。如果接收信号的电压摆动值超过某一门限值，即发生了冲突。对站点间的最大距离有一定的限制。若两个站离得很远，信号传播时衰减很多，可能使冲突迭加信号的电压摆动值不超过门限值，无法判断出现了冲突。NY延迟一个随机时间N有待发帧NY冲突发送Y信道忙发“阻塞码”重发次数太多放弃发送出口（2）判断曼彻斯特编码信号：曼彻斯特编码，每一位中间必有跳变，即电压的过零点是在每一位的正中央。发生冲突时，迭加的过零点将在其他地方出现。可以此判断是否发生冲突。（3）边发送边接收：将发送的信息与从信道上收到的信息逐位进行比较，若不一致，有冲突存在。通常，通过一些硬件设备来检测冲突。3、冲突碎片及检测·冲突碎片：发送方在检测到冲突前已发出的部分信息，“有头无尾”。接收方收到后，应将其丢弃。·冲突碎片检测：规定一个“帧的最小长度”，若收到的帧长小于“最小帧长”，是碎片。4、帧的最小长度最小帧长作用：·检测碎片；·检测冲突：保证发送方在发完信息之前，能检测出是否冲突。最小帧要足够长，太短，发送方来不及检测到冲突就已发送完，无法检测出冲突。与争用期有关。争用期：从发送开始到发生冲突所占用的时间。设总线两端分别为A站、B站，端端传播时延τ。A先发送，信号快传到B时，B发送·B发现冲突时间：很快（），停发，并发送一个强化冲突的干扰信号（持续时间为Tj）；·A发现冲突时间：要等到冲突信号传到A后，才测出发生冲突，经过时间为Tb，停发，并发送一个强化冲突的干扰信号（Tj）信道被占用的时间（争用期）：Tb+Tj+Tb大小：A、B几乎同时发送，Tb=，最小值；B在A数据快到时发送，Tb=2，最大值；即争用期最小值2+Tj，最大值3+Tj。最小帧长：争用期内所传位数争用期×数据传输率5、退让重发算法冲突后，退让一段时间再重发。以太网确定退让时间方法：截断二进制指数退避算法·基本退让时间（时间片）：2；·第i次冲突后退让时间：r×2r与次数有关，是0到2k-1间的一个随机整数。k=Min[i，10]如：第一次冲突产生后，每个站点等待0或1个时间片后重新发送；第二次冲突产生后，从0、1、2、3中取一个随机数，为等待的时间片数；冲突次数小于10时，随冲突次数的增加而延长。冲突次数达10次后，随机等待的最大时间片数固定为1023。当重发16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。4.3受控接入各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。·集中式控制：如，多点线路轮询。即主机按一定顺序逐个询问各用户有无信息发送。有：被询问的用户立即发送信息；无：询问下一站。·分散式控制：如，令牌环形网。环路中有一个特殊的帧（令牌）。“令牌”沿环路逐站传递，只有获得“令牌”的站才有权发送信息，当信息发送完后，将“令牌”传递给下一个站。1、轮叫轮询网络拓扑如图。共有N个站点，主机作为中央控制器。工作过程：·主机通过“轮询帧”依次询问各站：有数据发：发送“数据帧”；无数据发：发送“控制帧”，表示无数据可发。·主机主动发数据给各站。轮询顺序：12……N缺点：增加帧的等待时延；开销较大。数据帧控制帧主机1……2N轮询帧数据帧2、传递轮询两条输入线：接收主机发来的“数据帧”；接收相邻站发送的“控制帧”工作原理：主机先向最远站发出“轮询帧”·有数据发：发送“数据帧”，发完，将发送权转给前一站（“控制帧”）；·无数据发：将发送权转给前一站（“控制帧”）最前站发送完数据时，将发送权重新给主机。轮询顺序：NN-1……213、传递轮询与轮叫轮询比较：·同等条件下：传递轮询的帧时延小于的轮叫轮询的时延；·站间距离大，传递轮询比轮叫轮询好；·站间距离小、通信量大时，两者差别不大；·传递轮询技术复杂，不常用。控制帧数据帧控制帧主机1……2N-1轮询帧数据帧N4.4信道复用1、频分多路复用FDM：按频率划分不同信道。2、时分多路复用TDM：按时间划分不同信道。·同步TDM：时间片固定分配；·异步TDM：时间片按需动态分配；3、波分多路复用光的频分复用。光纤中同时传多个频率（波长）很接近的光载波信号。例：同时传8路光载波信号。每路传输速率均为2.5Gbit/s（波长均为1310nm），经光的调制后，分别将波长变换到1550～1557nm（每个光载波相隔1nm，实际中一般间隔是0.8或1.6nm）。4、码分多路复用CDMA（码分多址）最初：用于军事通信，信号抗干扰能力强；目前：用于移动通信、移动设备连网等。基本原理：每一个用户在同一时间使用相同频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，之间不会互相干扰。（1）每一个比特时间再划分为m个短的间隔（码片），m为64或128；（2）每个站分配一个唯一的mbit码片序列·发“1”：发送自己的mbit码片序列；·发“0”：发送自己的mbit码片序列反码；（3）任意两个码片序列S、T相互正交，即内积为0；每一个码片序列规格化内积为1。S·T=(S1T1+S2T2+……+SmTm)/m=0；S·S=(S1S1+S2S2+……+SmSm)/m=1例：码片序列S：00011011（-1-1-1+1+1-1+1+1）·发“1”：00011011；·发“0”：11100100码片序列T：00101110（-1-1+1-1+1+1+1-1）S·T=(1+1-1-1+1-1+1-1)/8=0S·S=(1+1+1+1+1+1+1+1)/8=1