通信网络基础课件4

纯ALOHA协议
纯ALOHA协议
与帧开始碰撞
ຫໍສະໝຸດ Baidu与帧结尾碰撞
t
t0
t0 + t
易受破坏区间
t0 + 2 t
t0 + 3 t
纯ALOHA协议
我们将时间区间 [t0,t0 +2t] 称为阴影分组 （在 t0 +t 时刻产生的分组）的易受破坏区 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传 输，则该分组可以成功传输。
时分多址接入
频率f W 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 时间t
帧
帧
时隙
时分多址接入
在时分多址的系统中，用户在每一帧中可
以占用一个时隙，如果用户在已分配的时
隙上没有数据传输，则这段时间将被浪
费。
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。网络中的节点在网络中的地位是等同 的，各节点通过竞争获得信道的使用权。 随机多址接入协议又可细分为完全随机多 址接入协议（ALOHA协议）和载波侦听型 多址接入协议。不论是哪种随机多址接入 协议，我们主要关心两个方面的问题：一 个是稳态情况下系统的通过率和时延性 能，另一个是系统的稳定性。
时分多址接入
时分多址接入
时分多址 Time Division Multiple Access(TDMA)也是一种典型的固定多址接 入协议。TDMA多址接入协议将时间分割成 周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙
（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后
根据一定的时隙分配原则，使每个用户只
能在指定的时隙内发送。
G 1
ALOHA协议的通过率曲线
时隙
S
纯
G
时隙ALOHA协议
若干个终端用纯ALOHA随机接入协议与远 端主机通信。信道速率为2.4kb/s。每个终端 平均每3分钟发送一个帧，帧长为200bit， 问系统中最多可容纳多少个终端？若采用 时隙ALOHA协议，其结果又如何？
时隙ALOHA协议
解：设可容纳的终端数为N。每个终端发送 200 数据的速率是 1.1 bit/s，由于纯ALOHA 3 60 系统的最大系统通过率为 1/2e ，则有 1 2400 2e 396(个） N 1.1 1 若采用时隙ALOHA协议 2400 e 793(个） ，则有 N
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。
多址协议的分类
多址接入协议
固定多址接入协议
随机多址接入协议
预约多址接入协议
TDMA FDMA CDMA WDMA
ALOHA CSMA CSMA/CD CSMA/CA
PRMA
系统模型
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。如果我们 可以通过某种措施，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。
纯ALOHA系统中，分组成功传输的概率
2G 0
纯ALOHA协议
在单位时间的意义上，系统分组成功发送 的概率即为系统的通过率
S G Psucc Ge
2G
对上式求最大值，可得系统的最大通过率为
1
2e
0.184
对应的 G 0.5
时隙ALOHA协议
从前面的描述中可以看到，在纯ALOHA协 议中，节点只要有分组就发送，易受破坏
时隙ALOHA协议
时隙 正常传输 碰撞 重传 重传
分组到达
分组到达
碰撞后重传
时间
时隙ALOHA协议
利用前面的假设条件，并假定系统有无穷 多个节点(假设B)。 从图中可以看出在一个时隙内到达的分组 包括两个部分：一部分是新到达的分组， 另一部分是重传的分组。设新到达的分组 是到达率为 λ(分组数/时隙)的Poisson过程。 假定重传的时延足够随机化，这样就可以 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(> λ) 的 Poisson过程。
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 个子层。它处于数据链路逻辑控制层下方，物理 层的上方。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”，而如何协调本 节点和其它节点来有效地共享带宽资源，是媒质 接入控制子层 MAC层的主要功能。
MAC层在通信协议中的位置
LLC MAC
数据 链路层
PHY
物理层
多址协议的分类
固定分配多址接入协议
随机分配多址接入协议 基于预约方式的多址接入协议
多址协议的分类
所谓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。
多址协议的分类
纯ALOHA协议
为了分析方便，设系统有无穷多个节点 （假设B），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。则在纯ALOHA 系统中，一个分组成功传输的概率，就是 在其产生时刻前一个时间单位内没有分组 发送，并且在该分组产生时刻的后一个时 间单位内仅有一个分组发送的概率。
第四章 多址接入协议
多址接入协议
网络中的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 。
多址接入协议
多址接入协议
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。所谓多址接入协议 （Multiple Access 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。
频分多址接入
频分多址 Frequency Division Multiple
Access（FDMA）是把通信系统的总频段划
分成若干个等间隔的频道（或称信道），
并将这些频道分配给不同的用户使用，这
些频道之间互不交叠 。
频分多址接入
频分多址接入
FDMA的最大优点是相互之间不会产生干扰。当 用户数较少且数量大致固定、每个用户的业务量 都较大时（比如在电话交换网中），FDMA是一 种有效的分配方法。但是，当网络中用户数较多 且数量经常变化，或者通信量具有突发性的特点 时，采用FDMA就会产生一些问题。最显著的两 个问题是：当网络中的实际用户数少于已经划分 的频道数时，许多宝贵的频道资源就白白浪费 了；而且当网络中的频道已经分配完后，即使这 时已分配到频道的用户没有进行通信，其他一些 用户也会因为没有分配到频道而不能通信。
CSMA
CSMA协议可细分为几种不同的实现形式：
非坚持型（Non-persistent）CSMA
1-坚持型CSMA
p-坚持型CSMA
非坚持型CSMA
所谓非坚持型CSMA是指当分组到达时，若 信道空闲，则立即发送分组；若信道处于 忙状态，则分组的发送将被延迟，且节点 不再跟踪信道的状态（即节点暂时不检测 信道），延迟结束后节点再次检测信道状 态，并重复上述过程，如此循环，直到将 该分组发送成功为止。
ALOHA协议
ALOHA协议
ALOHA协议是70年代Hawaii大学建立的在 多个数据终端到计算中心之间的通信网络 中使用的协议。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。
ALOHA协议
为了分析随机多址接入协议的性能，假设
系统是由m个发送节点组成的单跳系统，信
系统模型
用 户 A
用 户 B 用 户 C （a）多址信道的等效模型 用户A 用户B 用户C 服务 信道 规则 （b）理想的多址接入协议的等效模型 服务员
服务员
信道
固定多址接入协议
固定多址接入协议又称为无竞争的多址接入协议 或静态分配的多址接入协议。固定多址接入为每 个用户固定分配一定的系统资源，这样当用户有 数据发送时，就能不受干扰地独享已分配的信道 资源。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：频分多址（FDMA）、时分多址 （TDMA）、码分多址（CDMA）及空分多址 （SDMA）等。在本节中我们重点讨论时分多址 和频分多址系统。
1.1
时隙ALOHA协议稳定性分析
从图可以看出，对于时隙ALOHA系统，当G <1 时，系统空闲的时隙数较多；当 G >1 时， 碰撞较多，从而导致系统性能下降。因 此，为了达到最佳的性能，应当将G维持在 1附近变化。
时隙
S
纯
G
载波侦听型多址协议
CSMA
CSMA是从ALOHA协议演变出的一种改进 型协议，它采用了附加的硬件装置，每个 节点都能够检测（侦听）到信道上有无分 组在传输。如果一个节点有分组要传输， 它首先检测信道是否空闲，如果信道有其 他分组在传输，则该节点可以等到信道空 闲后再传输，这样可以减少要发送的分组 与正在传输的分组之间的碰撞，提高系统 的利用率。
ALOHA协议
碰撞的节点将在后面的某一个时刻重传被 碰撞的分组，直至传输成功。如果一个节 点的分组必须重传，则称该节点为等待重 传的节点。
纯ALOHA协议
纯ALOHA协议
纯ALOHA协议是最基本的ALOHA协议。 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。
纯ALOHA协议
根据泊松公式，在单位时间内，产生k个分 组的概率是
e G P(k ) k!
G
k
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
纯ALOHA协议
Psucc P{在两个单位时间内 没有其它分组发送的概率} e （2G） 2G =P(0) =e 0!
道是无差错及无捕获效应的信道，分组的
到达和传输过程满足如下假定：
ALOHA协议
各个节点的到达过程为独立的参数为 m 的 Poisson到达过程，系统总的到达率为。 在一个时隙或一个分组传输结束后，信道能够 立即给出当前传输状态的反馈信息。反馈信息 为“0”表明当前时隙或信道无分组传输，反馈信 息为“1”表明当前时隙或信道仅有一个分组传输 （即传输成功），反馈信息为“e”表明当前时隙 或信道有多个分组在传输，即发生了碰撞，导 致接收端无法正确接收。
区间为两个单位时间。如果我们缩小易受
破坏区间，就可以减少分组碰撞的概率，
提高系统的利用率。基于这一出发点，提
出了时隙ALOHA协议。
时隙ALOHA协议
时隙ALOHA系统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，当一个分组到达某时隙后，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。如 果在某时隙内，仅有一个分组到达（包括新到达 的分组和重传分组的到达），则该分组会传输成 功。如果在某时隙内到达两个或两个以上的分 组，则将会发生碰撞。碰撞的分组将在以后的时 隙中重传。很显然，此时的易受破坏区间长度减 少为一个单位时间（时隙）。
时隙ALOHA协议
则在一个时隙内有一个分组成功传输的概 G 率为 Ge ， 它被定义为系统的通过率 （S）（或离开系统的速率），即
S Ge
G
如果分组的长度为一个时隙宽度，则系统 的通过率就是指在一个时隙内成功传输所 占的比例（或有一个分组成功传输的概 率）。其最大通过率为 1 e 0.368 ，对应的
所谓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）。因此，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。
多址协议的分类
所谓基于预约的多址接入协议，是指在数