通信网理论基础第4章3

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。
பைடு நூலகம்
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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。

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2．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——Carrier Sense Multiple Access）技术
④ 带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD—— CSMA with Collision Detection）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。

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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 a 较小时， a c a ，就是说基本上可以顺 利通信。
缺点：


当 a > 0 . 5 时，成功发送的帧数减小，重发频 繁，使得网络的 a 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。

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
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（3）冲突后重发的策略与纯ALOHA相似。——重发

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。
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（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



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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
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（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

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。

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4.2.4 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

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（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。

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（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。
P1 ( t ) t e
t
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（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。
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纯ALOHA系统的通过量与网络负荷的关系曲线
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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。
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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。
时隙ALOHA系统的工作原理
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（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。


带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD——CSMA with Collision Detection）技术
目前，CSMA/CD现已成为局域网标准接入协议。
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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。
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纯ALOHA系统的工作原理
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2. 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；
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（1）平均通过量 a c 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 a c 等于网络负荷 a （全 部呼叫量 ）与分组成功发送概率 P成 功 的乘积，即
总线型结构
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（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、 Token Ring、Token Bus。
a c a P成功

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P成功 1 Pc
Pc 为呼损。为简单起见，后面简称平均通过量为通过量。

网络负荷 a（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 P成功 1 或 Pc 0 时，a c 才等于 a 。
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4.2.4 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
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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。
2 T0
e
2G
a c G P成功 T 0 e
2 T0
G e
2G
ae
2 a
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G a 1/ 2
时：
1 2 e
1
a c a c max
0 . 184 18 . 4 %
注：a 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。
G T0
G a
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且有 G S,当不发生冲突时， G S。
在稳定状态下，有 S G P成功 通过量（有时也称通过率）a c 定义为
平均成功发送的数据帧所占的时间
ac =
=
T 0 内成功发送的数据帧数 T
0
× T0
观察时间
=T0 内成功发送的数据帧数=S
P成功 e
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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（Token Bus）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 / Collision Avoidance）协议机制。
2 2 T0
) e
2
2 T0
e
2 a
根据概率的归一性，发生碰撞的概率为
P 1e
2 T0
1e
2 a
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2．通过量 a c
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(Offered load)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
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1．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 >2 T 0 ]= ( P[到达间隔 > T 0 ]) 2
T用表示两个帧的到达间隔，则有
P 成功 P (T > 2T 0 ) [ P (T > T 0 )] P0 (T 0 ) ( e

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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——Carrier Sense Multiple Access） 技术
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T0 为服务时间，即发送一帧占用信道的时间，则有
P T0
， a 为呼叫量， a
T0
。
则t内有个k 呼叫或信息包发上信道的概率为
Pk ( t ) ( t ) k!
k
e
t
t内无包发送的概率为：
P0 ( t ) ( t ) 0!
0
e
t
e
t
t内发送一个包的概率为：
碰撞后的数据帧如何重发，是影响稳定性的 主要因素。
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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 a c = 0.1，该系统一共可容纳 多少交互式用户？
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
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4.2.4 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