各种多址方式

第六章各种多址方式多址接入和广播使用公共的媒质连接多个通信设备，不象交换是在各媒质之间交换转发。

通过公共的媒质实现一对多广播、多对一的多址接入。

节点只有一个公共收、发设备和相应的缓存器。

多址方式：时分多址、频分多址、码分多址信号工作总是要占一定时间、频带和功率的。

多址信道的划分从时间、频率、功率三个轴上进行。

f fTDMA tFDMA t 时分多址：组成一定的时间结构，形成帧帧是由时隙组成的，每个用户分配一个时隙。

帧12时隙一般一个用户时隙由以下几部分组成：导引：针对非连续信号，用于建立接收同步，尽可能缩短同步时间。

突发字：巴克码，标志信息的开始，自相关性极好。

帧头：维持通信，传输勤务、信令。

信息：用户信息。

校验：如CRC校验，用于碰撞检测。

保护：频分：构成一定的频谱结构。

划分频带，每用户一个频道，频道之间要有保护间隔。

由于存在带外辐射：产生邻道干扰对带外辐射有一定要求，在一倍频程处，信号能量应衰减10～20dB。

经过非线性设备会增加带外辐射，出现交调干扰，产生串话现象解决方法：采用恒定包络信号。

码分：所有信号都在共同的频带和时隙上发射，按不同的码型调制接收信号的格式：()()()()()()a t b t w t a t b t w t i i i i i i K i i i i i --+--+=∑ττϕττϕcos cos 010：码型信号：信息：载波希望格式之间的相互干扰越少越好，即()()a t a t idt i i j j T --=⎰ττ000就可保证相互间干扰为 要找到这样的码型，即对任意的τ，任意的旋转方向即正交的多对码是不太容易的，这是一种理想的状况。

解决方法1：使τi =τj ，即整个系统是同步的，在广播型的网络中可以实现，但是对于不同源的多址接入则不能做到。

解决方法2：使上述的互相关值尽可能地小，不一定非为0。

假设信息带宽为r b ，公用信道带宽为r c 。

定一个量，n r r c b =，如果互相关值接近1n 就可以使相互干扰降到1n，这样的系统称为“准正交系统”。

码分系统中近远干扰非常严重，即距离接收站远近不同的发射站之间的干扰。

前面曾经提到：地面电磁波与r 4成反比。

如果二者的发射功率是相同的，那么距离接收端0.5米和10米的两个手机的接收功率相差52dB 。

当n=1000时，要求1n =10-3，与52dB 相比很小，因此近远干扰极为严重。

因此，在码分系统中功率控制是必须的。

要求近的站功率小些，远的功率大些，发射功率要随距离发生变化，一般要能控制到90dB 。

三种体制争论的焦点：①频带利用率的高、低频带资源有限，是宝贵资源。

②系统容量的大小系统容量要大。

TDMA 系统的容量取决于：（1） 时隙的个数（2） 受到的干扰（邻区干扰、外来干扰）FDMA 系统的容量取决于：（1） 频道的个数（2） 受到的干扰（邻区干扰、外来干扰、邻道干扰）CDMA系统的容量取决于（1）正交码的个数对于“准正交系统”，码个数是不受限制的，它只受干扰的影响。

（2）干扰（邻区干扰、外来干扰、本区其他用户干扰）目前比较推崇CDMA体制，它的优点：①用户容量大理论分析表明可提供相当于TDMA系统4倍，FDMA系统20倍的容量。

②CDMA系统可与目前使用的窄带FDMA系统信号共存。

重复利用现有的微波系统占用的系统，不影响现有系统。

③覆盖范围广同一小区内提供的信道多，小区的划分不如FDMA系统细，基站个数因此减少，节约投资。

④具有抗干扰和保密的能力，因此话音质量高，系统规划简单扩展频谱信号具有抗干扰能力码调制本身具有加密性质⑤CDMA系统的越区切换可使用“软切换”不用关掉信道，再打开另一个同时接收两个基站的信号，这样切换过程中用户不会中断通话。

即，先“换”后“断”，掉话（drop）的概率很小。

FDMA则为“硬切换”。

⑥可以采用多种分集技术，抗多径干扰空间分集、频率分集（本身固有的，宽带信号）、时间分集、路径分集（多径RAKE接收机、软切换）CDMA缺点：①设备复杂度高。

②存在近远效应，功率控制增加设备复杂度。

多址接入中信道的分配方法①固定分配方法②竞争分配（随机分配）③按需分配：预约、轮询以TDMA为例说明几种分配的方法①固定时隙的TDMA最简单，效率最低，用户数受到时隙个数的限制②随机分配的TDMA：ALOHA，S-ALOHA也比较简单，但用户数不受限，有碰撞，效率不高③预约：没有人用时，随机申请，占用以后保持该时隙，效率较高随机分配方式效率分析ALOHA：夏威夷的问候语。

1968.9 夏威夷大学一项研究计划取名为ALOHA，解决岛间通信。

基本特征是所有用户对信道有同等的访问权，因此有时称为同等站系统。

是适于广播网的方式。

①随机ALOHA（纯ALOHA方式）方法：任何一个站有消息传给广播网的其他站，可以利用共同媒介随时地立即发送；若不成功，随机时延一段后再发送，直至成功为止。

用监听或收ACK的方法确定是否成功只有一个站发送成功多于一个站发送不成功→→⎧⎨⎩系统效率：假设：●用户的数据包长度都是定长，持续时间为单位时间●系统中大量的站是按泊松律发送数据包，单位时间包的到达率，也就是网络的负荷，定义为G按上述假设：任何一个站发送一个数据包时不会产生碰撞，要求在两个单位时间内没有任何其他用户发送信号：泊松律()λλtkekt!-此时t=2，k=0，λ=G概率为e G-2此时泊松通过量（成功发送的包）S Ge G=-2取极大值dsdGG=⇒=005.则S e==-050181..0.180.5G可见，在信道负荷加重时（G较大时），网络的吞吐量会明显下降，但信道中不需传送控制信息，系统简单，适于突发性信息发送。

②时隙ALOHA方式（SLOT-ALOHA）规定固定的时隙，只能在时隙开始点发送，但并不规定是哪个时隙。

减少碰撞系统中每个站都有一个统一的钟，因此在一个时隙内只有一个分组时即可避免碰撞。

S Ge G S G ===-1036,.max 系统效率高一些。

CSMA/CD 以太网中使用的多址方式，与ALOHA 方式类似。

C ：collision ；D ：detection ；CS ：carrier sense①每个站都在监听线路上的情况，发送之前监听是否有别的站要发，无，才发送。

②发之后，发现碰撞，持续一段时间，使碰撞传递给整个系统，使所有的站都发现碰撞。

③然后停止发送，不象ALOHA 系统中完全发送完才停止。

④随机延迟一段时间后，再重发。

随机时间应是信号从系统一头传到另一头时间的2倍的倍数。

这种系统效率高于ALOHA ，因为首先判断是否发生碰撞，发现碰撞后可以主动停止。

预约ALOHA 方式：M 个时隙，其中一个分成v 个小时隙，用于申请、预约，没有用户预约时这种方式变成S-ALHOA 。

按需分配方式：DAMA 系统，Demand assignment MA要求站提供通信带宽所要求的直接或隐含信息。

① 去掉给空闲站分配信道的浪费②去掉碰撞浪费。

因此在高信道负荷下工作很好。

缺点：开销大。

机制：①用固定的时隙用于申请信道和取消信道，有中心控制②隐含的按需分配，无控制发现空闲时隙，下一次就可以随机申请，二者同时申请，就失败。

③轮询系统由一个主站和多个从站组成，主站一次轮询各个从站，收到主站轮询的从站可以把数据帧发给主站，依次轮询各从站。

轮叫轮询 roll-call polling传递轮询 hub polling自适应轮询（探询）：询问是否有信息要发，将分组终端的响应分组，用逐次细分的方法，定位发响应的站。

平均时间总是比普通轮询短，重负荷时可以改进对分的原则。

轮询适于：1） 轮询报文消耗低2） 往返时延小3） 站数不多消耗与终端数目成正比。

④令牌环：由所有用户控制整个信道，无主站，可靠性高。

发送站负责去掉自己的发送包。

令牌传送特点：无碰撞、无资源浪费，只有令牌传递的开销。

从站的发送有三种方式：①耗尽法，直到无信息传递为止。

②有限耗尽法，直到传送完轮询前的所有信息②门控法，至多传送指定个数信息包。

比较以上三种：③照顾小数量用户，保证及时得到服务；①照顾大数量用户，保证信道使用。

时隙环：允许一个以上用户同时传信号，最长为时隙长度。

各种方式各有适用情况，主要应以吞吐量和时延两个标准来衡量。

思考题：数据率为10Mbps的分组无线网，有两个相距1.5km的站。

分组长度1000比特，传播速度3*108m/s假设每个站平均分组的产生率为1000分组/秒，其产生服从泊松分布。

如果一个站开始发送信号，其冲突概率是多少？1）对纯ALOHA系统2）对时隙ALOHA 系统。