4多址技术-通信网络基础.

FundamentalofCommunicationNetworks通信网络基础第四章多址技术2020/1/122第四章内容概述4.1多址协议概述4.2固定多址接入协议4.3随机多址接入协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/123第四章内容概述4.1多址协议概述–4.1.1MAC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4.3随机多址接入协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/1244.1多址协议概述(1)网络中的各个终端设备通过通信子网来访问网络中的资源。当多个终端同时访问同一资源（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。典型的共享链路有：卫星链路和蜂窝移动通信系统的链路、局域网、分组无线电网等。2020/1/1254.1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中，多个用户采用竞争或预约分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2020/1/1264.1多址协议概述(3)典型的共享链路（2）在局域网中，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2020/1/1274.1多址协议概述(4)典型的共享链路（3）在分组无线电网络中，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以内的信息，任意两个用户之间可能需要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2020/1/1284.1多址协议概述(4)在上述的网络中，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使用权，这就是网络的多址接入控制问题。所谓多址接入控制协议(MultipleAccessControlProtocol)就是在一个网络中，解决多个用户如何高效共享一个物理链路资源的技术。2020/1/129第四章内容概述4.1多址协议概述–4.1.1MAC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4.3随机多址接入协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/12104.1.1MAC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MAC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、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、以及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“链路”MAC子层协调本节点和其他节点有效地共享带宽资源2020/1/1211第四章内容概述4.1多址协议概述–4.1.1MAC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4.3随机多址接入协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/12124.1.2多址协议的分类(1)多址协议主要分为固定分配多址接入协议、随机分配多址接入协议和基于预约方式的多址接入协议。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“公平性”（每个用户都分配了固定的资源）以及数据的平均时延。典型的固定多址接入协议有：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA（空分多址）等。2020/1/12134.1.2多址协议的分类(2)随机多址接入是指用户可以随时接入信道，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，从而使所有碰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。2020/1/12144.1.2多址协议的分类(3)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。一旦预约到资源（如频率、时隙），则在该资源内可进行无冲突的传输。2020/1/1215第四章内容概述4.1多址协议概述–4.1.1MAC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4.3随机多址接入协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/12164.1.3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。由于各个排队队列是相互独立的，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(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2020/1/12174.1.3系统模型(2)如果通过某种措施，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，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：有效的避免分组在信道上的碰撞，大大提高信道的利用率。2020/1/12184.1.3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。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。通常我们将网络按其连通模式分为：*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；*两跳网络：是指网络中的部分节点之间不能直接通信，需要经过一次中继才能通信；*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。2020/1/12194.1.3系统模型(4)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，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。2020/1/12204.1.3系统模型(5)反馈和应答机制*反馈信道是用户获得信道状态的途径。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*所有的用户都按照泊松过程独立的产生数据。2020/1/1221第四章内容概述4.1多址协议概述4.2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4.3随机多址接入协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/12224.2.3固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λ(分组/秒)，分组的长度固定，为1/μ(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。231m…231m…第1帧第2帧C1CmtC/mλ2C/mλ1C/mλm………2020/1/12234.2.3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：。对于泊松到达过程，在稳态下该时延为半个帧长。231m…231m…第1帧第2帧C1CmtC/mλ2C/mλ1C/mλm………1tC2mt2020/1/12244.2.3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：WFDMA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2020/1/12254.2.3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。2020/1/1226第四章内容概述4.1多址协议概述4.2固定多址接入协议4.3随机多址接入协议–4.3.1ALOHA协议–4.3.2载波侦听型多址协议4.4冲突分解4.5预约多址接入协议4.6分组无线电网络2020/1/12274.3随机多址接入协议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是等同的，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：*稳态情况下系统的通过率和时延性能*系统的稳定性2020/1/12284.3.1ALOHA协议(1)其基本思想是：若一个空闲的节点有一个分组到达，则立即发送该分组，并期望不会和其它节点发生碰撞。纯AOHA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，传输数据分组所需的时间定义为系统单位时间t。2020/1/12294.3.1ALOHA协议(2)纯AOHA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与阴影帧的开始碰撞与阴影帧的结尾碰撞易受破坏区间2020/1/12304.3.1ALOHA协议(3)在纯ALOHA协议中，一个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内没有其他分组发送的概率。与阴影帧的开始碰撞与阴影帧的结尾碰撞易受破坏区间2020/1/12314.3.1ALOHA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Poisson到达过程。根据泊松公式，在单位时间内，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）()!kGGepkk2222[(0)]0!kGGsuccGePpe对下式求最大值，可得系统的最大通过率为1/2e≈0.184􀂄此时对应的G=0.52GsuccSGPGe2020/1/12324.3.1ALOHA协议(5)时隙AOHA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，所有节点同步，各节点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。2020/1/12334.3.1ALOHA协议(6)时隙AOHA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：在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，可得系统的最大通过率为1/e≈0.368􀂄此时对应的G=0.52020/1/12344.3.1ALOHA协议(7)S