通信网理论基础第4章3

1第4章排队论基础4.2.3通信业务量分析一、通信业务量理论二、通信业务量的基本概念和指标三、网内通信业务分析四、提高网效率的一些措施24.2.4多址接入系统业务分析一、随机多址接入技术二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统3随机多址接入方式与排队论随机多址接入方式是一种竞争访问信道技术。在该方式中，用户可以根据自己的意愿随机地发送信息。当两个或两个以上用户同时向同一信道发送信息时，就产生冲突（Collision），又称为碰撞，使得数据发送失败。故双方都需重发。这与排队系统中被拒绝的情况相似，只是被拒绝或被破坏的已不止一个信息。多址接入系统可以看作是M/M/1系统。4发展历史较早的随机接入系统称阿罗华（ALOHA）系统，于70年代产生于夏威夷大学。通过无线信道来使用中心计算机，无线信道相当一个公用媒体，一个站或用户送出的信息可以被许多站同时接收，而每个站都是随机发送的。技术的发展：纯ALOHA(P-ALOHA)技术时隙ALOHA(S-ALOHA)技术载波监听多址访问（CSMA——CarrierSenseMultipleAccess）技术带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD——CSMAwithCollisionDetection）技术目前，CSMA/CD现已成为局域网标准接入协议。5应用：主要应用于无线信道和总线型局域网中。1．总线型局域网（1）总线型结构：所有的站都通过总线连接，无交换设备和中继器，各站通过收发器与总线连接，并通过总线发送或接收数据，一站发送其他的站都能收到，而每个站发送信息是随机的。总线型结构6（2）媒质访问技术：传统的局域网技术是建立在“共享媒质”的基础上的，局域网中所有的用户终端共享单一的传输媒质，并以某种控制方式访问传输媒质，以便在两个指定的终端之间传送信息。所用的控制方式称为媒质访问技术。高速局域网将“共享媒质方式”改为“交换方式”“交换式局域网”技术以太网交换机媒质访问控制方法：共享（随机，受控）与交换典型的传统媒质访问控制方法是：CSMA/CD、TokenRing、TokenBus。7总线型结构的媒质访问方式主要有两种：①带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD）方式。②令牌总线（TokenBus）方式。实例：工作于半双工方式下的以太网（Ethernet）采用CSMA/CD协议机制（IEEE802.3标准），全双工的以太网不采用CSMA/CD协议机制无线局域网（WLAN）采用CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）协议机制。82．CSMA/CD的发展过程①纯ALOHA(P-ALOHA)技术②时隙ALOHA(S-ALOHA)技术③载波监听多址访问（CSMA——CarrierSenseMultipleAccess）技术④带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD——CSMAwithCollisionDetection）技术3．性能标准多址通信系统的主要性能参数是：平均通过量、平均分组时延和稳定性。9（1）平均通过量定义：在每个发送周期T0时间内，成功发送的平均分组数（即数据帧数）。或更准确地，应定义成：在很长时间间隔内，成功发送分组数与信道上连续传输的最大发送分组数之比。可见平均通过量是一种长时间接入信道能力的百分比量度。在稳定状态下，一平均通过量等于网络负荷（全部呼叫量）与分组成功发送概率的乘积，即cacaa成功Paac成功P10网络负荷（或网络负载G）：为T0内总共发送的平均分组数，包括成功的和碰撞的两部分。只有在不发生碰撞（被拒绝）的情况下，即当或时，才等于。为呼损。为简单起见，后面简称平均通过量为通过量。cPP1成功cPaaca1成功P0cP11（2）平均分组时延一个分组进入信道所需的时间，称为分组时延时间或响应时间。具体地说，分组时延为一个分组从信源发出瞬间开始，到达信道，直至最后成功接收瞬间为止的这段时间。定义平均分组时延为一个很长时间间隔内分组总延迟与间隔内分组数之比。12（3）稳定性系统的稳定性：在较长时间段内，其通过量和延迟特性基本保持不变。某些多址接入方案，其性能参数，在短期内可以令人满意，然而在较长时间间隔内观察却十分不理想，那么这种接入方案也是不稳定的。为了使系统能稳定地工作，必须采用一定控制，使其性能参数基本不变。134.2.4多址接入系统业务分析一、随机多址接入技术二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统14二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统纯ALOHA系统：设有无限个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫是以λ为均值的泊松流。当任一用户有信息要发送时，立即以定长信息包的形式发上信道，也就是以纯随机方式抢占信道。若有两个或两个以上的信息包在信道上发生碰撞，则以后纯随机地重发。纯ALOHA技术，又称为随机争用技术。15应用ALOHA系统最初是在无线信道上实现的，为了区分各种不同的ALOHA系统，通常称最原始的ALOHA为纯ALOHA(P-ALOHA)。纯ALOHA可以工作在无线信道，也可以工作在总线型网络中。ALOHA系统的基本模型16（一）工作原理1.工作原理①纯随机方式抢占信道：某站（用户）有信息要发送时，立即发送。若在规定的时间内收到确认信号ACK，表示发送成功；未收到ACK信号，则该站重发此信号。②发生碰撞后重发：每个用户是纯随机地发送信息，若在同一时间有两个或两个以上的用户同时发送，则发生碰撞而产生冲突，使这两个信息不能正确接收，数据可能会全部或部分重叠。当冲突现象发生后，数据站隔一段随机时间重发该信息。17纯ALOHA系统的工作原理182.数学模型假设：设无限多个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫到达率为（包括新发的数据帧和重发的数据帧），为泊松流。为简单起见，且不失一般性，用信息包长度来代表发送这个信息包的时间；且作如下假设：设信息包（或数据帧）长度为定长，即帧长固定，用P表示帧长。λ为到达率；19T0为服务时间，即发送一帧占用信道的时间，则有，为呼叫量，。则t内有个k呼叫或信息包发上信道的概率为t内无包发送的概率为：t内发送一个包的概率为：0TPa0TatkkekttP!)()(tteettP!0)()(00tettP)(120（二）性能分析假设：帧的到达服从泊松分布。①大量的站同时随机发送数据帧时，在每个站的通信量都很小的情况下，整个系统的帧可看成是泊松过程。②对于出现的重发过程，数据帧的到达不再是泊松过程，而是一个与重发策略有关的较为复杂的过程。当重发时的随机时延足够长，认为帧的到达（包括重发帧）是泊松过程是合理的。211．发送成功概率（无碰撞的概率）一个帧发送成功条件：该帧与该帧前后的两个帧的到达时间间隔大于T0。一个数据帧发送成功的概率为P[成功概率]=P[连续两个到达间隔20T]=20])[(TP到达间隔T用表示两个帧的到达间隔，则有根据概率的归一性，发生碰撞的概率为aTTeeeTPTTPTTPP22202020000)()()]([)2(成功aTeeP22110222．通过量①吞吐量S：又称为吞吐率，等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。显然0≤S≤1。在稳定情况下，在时间T0内到达且能够进入系统的平均帧数（即输入负载）应等于吞吐量S。②网络负载(Offeredload)G：从网络角度看，等于在T0内总共发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因冲突而重发的帧或发送不成功的帧。即ca0TGaG23且有,当不发生冲突时，。在稳定状态下，有通过量（有时也称通过率）定义为ca=观察时间平均成功发送的数据帧所占的时间=00TT0T×内成功发送的数据帧数=T0内成功发送的数据帧数=S成功PGSSGSGcaGTeeP220成功aGTcaeeGeTPGa22200成功24时：注：包括新发和重发部分，不稳定性已在新负载小于0.5时出现。2/1aG%4.18184.0211maxeaacca25纯ALOHA系统的通过量与网络负荷的关系曲线26结论：在纯ALOHA系统中，网络负荷ɑ（或网络负载G）0.5，系统能够稳定工作，在实际中为了安全起见，纯ALOHA系统的通过量只能在10％左右。纯ALOHA系统最多只能有18.4％的时间能成功地发送信息，而不发生碰撞，实现正常通信。其他时间处于碰撞或空闲状态，显然效率是很低的。27优点：这种方式基本上不用控制设备，碰撞也可以不去检测，只是在久无回答后就重发即可，当较小时，，就是说基本上可以顺利通信。缺点：当时，成功发送的帧数减小，重发频繁，使得网络的进一步增大，系统将趋于不稳定。积压的数据帧数会无限增加，恶性循环下去，通过量逐渐下降直至零。碰撞后的数据帧如何重发，是影响稳定性的主要因素。aaaac5.0a28例4.16假定许多异步终端通过多点线路连到主机，线路的数据率为4800bit/s，设每份报文有60个字符。而用户用键盘输入一份报文需2分钟。每个字符用10bit进行编码，则每个终端的平均数据率仅有5bit/s[（60×10bit）/(2×60s)=5bit/s]。试问：如采用纯ALOHA方式，取=0.1，该系统一共可容纳多少交互式用户？ca294.2.4多址接入系统业务分析一、随机多址接入技术二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统30目的：为了降低碰撞，提高吞吐量。时隙ALOHA系统（S-ALOHA）：它是纯ALOHA的改进形式。在信道上分时隙。网内所有用户都与主时钟同步，有通信要求的用户只能在主时钟规定的等长时隙内送到信道，也就是到达信道的时刻只能是各时隙的起始时刻。主时钟的同步信息要向所有用户广播。31（一）S-ALOHA工作原理（1）S-ALOHA系统把时间分成一段段等长的时隙（SLOT），记为T0，并规定，不论帧何时产生，每个用户只能在每个时隙的前沿发送信息。——发送T0长度的确定：每个帧正好在一个时隙内发送完毕。当一个帧到达后，一般都要在缓冲器中等待一段时间（小于T0），到下一个时隙的前沿到来时才发送出去。（2）当在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，则在下一个时隙将产生冲突，两组数据完全重叠。——冲突32（3）冲突后重发的策略与纯ALOHA相似。——重发时隙ALOHA系统的工作原理33（二）性能分析假定：用户数（站数）很大（理论上应为无穷大），而每一个站发送一个帧的概率很小（理论上应趋于零）。在这个条件下，各站随机地发送帧的总效应，才相当于泊松过程。为了简化分析，假设条件与纯ALOHA系统相同。然而实际上站的数目总是有限的，经理论推导（略）可得知，只要有20个站（或更多），就可以利用由无穷多站的模型所得出的各种结论和公式。341．发送成功概率发送成功条件：如果在T0内无两个或两个以上的帧到达，则在一个T0内可成功发送一个数据帧。因为若在该帧发送时隙内有新包到达，必须等到下一个时隙才可发送。发送成功的概率为发生碰撞的概率为GTTtktk0eeektTPTTPP00,000|!)()()(成功Ge1352．通过量时隙ALOHA与纯ALOHA系统的通过量曲线caaGceaeGPGSa成功368.011maxaaGGceaeGa36结论：S-ALOHA比纯ALOHA的通过量提高了一倍。代价：以全网同步控制为代价。374.2.4多址接入系统业务分析一、随机多址接入技术二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统三、时隙ALOHA（S-ALO