多址技术通信网络基础

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,*,Fundamental of Communication Networks,通信网络基础,第四章多址技术,2024/10/5,1,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,2024/10/5,2,第四章 内容概述,4.1,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,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,2024/10/5,3,4.1,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。,2024/10/5,4,4.1,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,2024/10/5,5,4.1,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,2024/10/5,6,4.1,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,2024/10/5,7,4.1,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,(Multiple Access Control Protocol),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。,2024/10/5,8,第四章 内容概述,4.1,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,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,2024/10/5,9,4.1.1 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,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,2024/10/5,10,第四章 内容概述,4.1,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,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,2024/10/5,11,4.1.2,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。,2024/10/5,12,4.1.2,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,。,2024/10/5,13,4.1.2,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。,2024/10/5,14,第四章 内容概述,4.1,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,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,2024/10/5,15,4.1.3,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,2024/10/5,16,4.1.3,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。,2024/10/5,17,4.1.3,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。,2024/10/5,18,4.1.3,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,。,2024/10/5,19,4.1.3,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。,2024/10/5,20,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,2024/10/5,21,4.2.3,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,(,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。,2,3,1,m,2,3,1,m,第,1,帧,第,2,帧,t,C/m,2,C/m,1,C/m,m,2024/10/5,22,4.2.3,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。,2,3,1,m,2,3,1,m,第,1,帧,第,2,帧,t,C/m,2,C/m,1,C/m,m,2024/10/5,23,4.2.3,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。,2024/10/5,24,4.2.3,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。,2024/10/5,25,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,4.3.1 ALOHA,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,2024/10/5,26,4.3,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,2024/10/5,27,4.3.1 ALOHA,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,。,2024/10/5,28,4.3.1 ALOHA,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。,与阴影帧的开始碰撞,与阴影帧的结尾碰撞,易受破坏区间,2024/10/5,29,4.3.1 ALOHA,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,2024/10/5,30,4.3.1 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,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