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1、无线通信工程无线通信工程第第1111讲：多址技术（讲：多址技术（2 2）有冲突多址接入有冲突多址接入ALOHA方式方式CSMA方式方式无中心多址接入无中心多址接入有冲突多址接入有冲突多址接入什么场合用到有冲突多址接入？什么场合用到有冲突多址接入？在无冲突多址接入系统中，用户发起呼在无冲突多址接入系统中，用户发起呼叫往往采用有冲突多址接入方式，称为叫往往采用有冲突多址接入方式，称为RACH信道。信道。在无线分组网中，各个用户的突发数据在无线分组网中，各个用户的突发数据往往以有冲突方式接入信道，实现多址。往往以有冲突方式接入信道，实现多址。无线分组网概念无线分组网概念 无线分组网是一种分组交换网，
2、采用分组交换而不是无线分组网是一种分组交换网，采用分组交换而不是电路交换。电路交换。无线分组网利用无线信道的特点，具有广播通信的性无线分组网利用无线信道的特点，具有广播通信的性质，可以同时把分组数据分发给多个用户。用户对信质，可以同时把分组数据分发给多个用户。用户对信道的访问是随机的。道的访问是随机的。传输速率可以较高，但延时也较大。传输速率可以较高，但延时也较大。无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用前景。前景。空中接口的协议体系空中接口的协议体系 空中接口是无线分组空中接口是无线分组网的核心问题之一。网的核心问题之一。空中接口协议可以分
3、空中接口协议可以分成成：物理层（：物理层（PHL）、）、介质接入控制层介质接入控制层（MAC）、）、数据链数据链路控制层（路控制层（DLC）、）、网络层（网络层（NWK）。）。它们和它们和 OSI模型的低模型的低三层有一定关系，但三层有一定关系，但不是严格对应的。不是严格对应的。网络层网络层数据链路控制层数据链路控制层 介质接入控制层介质接入控制层物理层物理层第一层第一层第二层第二层第三层第三层OSI空中接口的协议（空中接口的协议（1 1）物理层物理层 确定无线参数，如；频率、定时、功率、码片、确定无线参数，如；频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。比特或时隙同步、
4、调制解调、收发信机性能等。分配无线资源，如：多址协议等。分配无线资源，如：多址协议等。在在MAC层的控制下进行数据或数据分组的收层的控制下进行数据或数据分组的收发。发。空中接口的协议（空中接口的协议（2 2）介质接入控制层介质接入控制层 介质访问管理：首先选择物理信道，然后在这介质访问管理：首先选择物理信道，然后在这些信道上建立或释放连接。些信道上建立或释放连接。数据封装：将控制信息、高层的信息和差错控数据封装：将控制信息、高层的信息和差错控制信息进行复接（或分接），使之适合在物理制信息进行复接（或分接），使之适合在物理信道上传输。信道上传输。形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。如：形成多种
5、逻辑信道为高层提供不同的业务。如：广播业务、面向连接的业务和无连接业务等。广播业务、面向连接的业务和无连接业务等。空中接口的协议（空中接口的协议（3 3）数据链路控制层数据链路控制层 主要功能：为网络层提主要功能：为网络层提供非常可靠的数据链路。供非常可靠的数据链路。可以分为二个平面：可以分为二个平面：控制平面：保护内部控控制平面：保护内部控制信令和有限数量的用制信令和有限数量的用户信息。户信息。用户平面：以不同能力用户平面：以不同能力保护不同的用户信息。保护不同的用户信息。网络层网络层主要是信令。主要是信令。包括：链路控制、呼叫控包括：链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接制、附加业务、面向
6、连接的消息业务、无连接的消的消息业务、无连接的消息业务、移动性管理等。息业务、移动性管理等。关于介质访问协议关于介质访问协议 无线信道是公用的，用户以竞争方式发无线信道是公用的，用户以竞争方式发送数据，这样就存在碰撞问题；送数据，这样就存在碰撞问题；用户数越多，碰撞概率越大，接入概率用户数越多，碰撞概率越大，接入概率越低，接入时间越长；越低，接入时间越长；为此，就要有个规则，这就是介质访问为此，就要有个规则，这就是介质访问协议。协议。有冲突多址接入的性能指标有冲突多址接入的性能指标 一般用以下参数来描述一般用以下参数来描述吞吐量（吞吐量（throughput）S：定义为用户成功发送：定义为用户
7、成功发送的信息包所占的时间，和总的观察时间的比值。的信息包所占的时间，和总的观察时间的比值。实际上表示信道利用率情况。实际上表示信道利用率情况。呼叫量呼叫量G：定义为用户需要发送的信息包所占的：定义为用户需要发送的信息包所占的时间，和总的观察时间的比值。实际上表示业务时间，和总的观察时间的比值。实际上表示业务繁忙情况。繁忙情况。时延时延D：定义为信息包从开始传送到传送成功所：定义为信息包从开始传送到传送成功所需要的时间。需要的时间。ALOHA方式方式简介简介 20世纪世纪70年代初，美国夏威夷大学研究小组在解决卫星年代初，美国夏威夷大学研究小组在解决卫星通信的数据传输问题时提出的一种有冲突接入
8、技术，称通信的数据传输问题时提出的一种有冲突接入技术，称为：为：ALOHA。有以下一些分类：。有以下一些分类：随机随机ALOHA方式：方式：又称为纯又称为纯ALOHA方式，方式，随时发送随时发送检测到碰撞检测到碰撞重新发送，给每个用户分配不同的重发间重新发送，给每个用户分配不同的重发间隔时间。优点：实现简单，缺点隔时间。优点：实现简单，缺点：吞吐量下降。吞吐量下降。时隙时隙ALOHA方式：和随机方式：和随机ALOHA类似，但把发送时间类似，但把发送时间划分成等长的时隙，按时隙发送，这样可以减少碰撞机划分成等长的时隙，按时隙发送，这样可以减少碰撞机会和重发次数。因而改善吞吐量。会和重发次数。因而
9、改善吞吐量。带捕获的时隙带捕获的时隙ALOHA方式：方式：这是对时隙这是对时隙ALOHA的改进。的改进。工作原理工作原理工作原理（续）工作原理（续）随机随机ALOHA 随机随机ALOHA是一个无线分组系统。是一个无线分组系统。每个分组的持续时间对于每个用户来说都是相同的，称每个分组的持续时间对于每个用户来说都是相同的，称为时隙。为时隙。每个用户发送分组的时刻是随机的。每个用户发送分组的时刻是随机的。如果发生碰撞，则需要重新发送，重新发送的时刻也是如果发生碰撞，则需要重新发送，重新发送的时刻也是随机的。随机的。当两个以上的用户时隙完全重叠或部分重叠时，传输数当两个以上的用户时隙完全重叠或部分重叠
10、时，传输数据将受到破坏。两的分组能够发生重叠的最大时间间隔据将受到破坏。两的分组能够发生重叠的最大时间间隔称为易损周期，对于随机称为易损周期，对于随机ALOHA来说，易损周期为两个来说，易损周期为两个时隙时间。时隙时间。时隙时隙ALOHA 时隙时隙ALOHA也是一个无线分组系统。也是一个无线分组系统。每个用户发送分组的时刻都不是随机的，而是在每个用户发送分组的时刻都不是随机的，而是在时隙的边界时刻。时隙的边界时刻。如果发生碰撞，则需要重新发送，重新发送的时如果发生碰撞，则需要重新发送，重新发送的时刻也是在时隙的边界时刻。刻也是在时隙的边界时刻。对于时隙对于时隙ALOHA来说，易损周期为一个时隙
11、时来说，易损周期为一个时隙时间。可见碰撞机会将明显减少，从而改善了系统间。可见碰撞机会将明显减少，从而改善了系统的吞吐量。的吞吐量。需要解决整个系统的同步问题。需要解决整个系统的同步问题。带捕获的时隙带捕获的时隙ALOHA 也是一个无线分组系统，其工作原理和时隙也是一个无线分组系统，其工作原理和时隙ALOHA相似。相似。如果有两个分组信号发生碰撞，接收机捕获信号如果有两个分组信号发生碰撞，接收机捕获信号较强的那个分组，而让信号较弱的分组重新发送。较强的那个分组，而让信号较弱的分组重新发送。这样，重新发送的机会就减少一半，从而改善了这样，重新发送的机会就减少一半，从而改善了系统的吞吐量。系统的吞
12、吐量。需要解决系统在不同接收场强的检测问题。需要解决系统在不同接收场强的检测问题。吞吐量性能分析吞吐量性能分析成功发送的概率：成功发送的概率：P（成功）（成功）P（在易损周期内无其它分组出现）（在易损周期内无其它分组出现）假设呼叫服从泊松分布，则在易损周期内无其它分组出现的概率为：假设呼叫服从泊松分布，则在易损周期内无其它分组出现的概率为：P（在易损周期内无其它分组出现）（在易损周期内无其它分组出现）其中其中 为易损周期的归一化值。为易损周期的归一化值。就有：就有：P（成功）（成功）根据定义，根据定义，P（成功）（成功）S/G得到：得到：这就是这就是ALOHA系统的吞吐量方程。系统的吞吐量方程
13、。GeGeGGeS吞吐量性能分析（续）吞吐量性能分析（续）对吞吐量方程的讨论对吞吐量方程的讨论（1）G 0，S G。当呼叫量很小时，吞吐量近似等于呼。当呼叫量很小时，吞吐量近似等于呼叫量，此时系统几乎没有阻塞。叫量，此时系统几乎没有阻塞。（2）G ，S 0。当呼叫量很大时，吞吐量近似等于。当呼叫量很大时，吞吐量近似等于0，此时系统几乎全被阻塞。此时系统几乎全被阻塞。（3）从）从dS/dG=0得到，当得到，当G1/时，时，SSmax，吞吐量取得，吞吐量取得最大值。最大值。对于随机对于随机ALOHA:=2,Smax=1/2e=0.184 对于时隙对于时隙ALOHA:=1,Smax=1/e=0.36
14、8 吞吐量性能分析（续）吞吐量性能分析（续）时延性能分析时延性能分析 ALOHA系统的分组时延系统的分组时延D，和重传次数，和重传次数E、重传时延、重传时延Dret、接收一个成功确认的时隙数接收一个成功确认的时隙数R等参数有关。等参数有关。已知重传次数：已知重传次数：EG/S=e G,得到：得到：随机随机ALOHA的平均分组时延的平均分组时延时隙时隙ALOHA的平均分组时延的平均分组时延其中其中 表示大于或等于表示大于或等于R的最小整数。的最小整数。retG2随机DR1eRD retG时隙DR1e5.0RD R时延性能分析（续）时延性能分析（续）对时延性能的讨论对时延性能的讨论（1）G 0，当
15、呼叫量很小时，平均时延等于当呼叫量很小时，平均时延等于接收一个成功确认的时隙数接收一个成功确认的时隙数R（对于时（对于时隙隙ALOHA，还要增加，还要增加0.5个时隙长度）个时隙长度）。（2）G ，并假设，并假设DretR当呼叫量很大时，平均时延随着呼叫量的增加呈指数关系增长。当呼叫量很大时，平均时延随着呼叫量的增加呈指数关系增长。5.0RD,RD时隙随机retG时隙retG2随机DeD,DeDCSMA方式方式简介简介 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波侦听载波侦听多址多址。这是对这是对ALOHA方式的一种改进。方式的一种改进。用户在发送分组前首先用户在
16、发送分组前首先检测信道上是否有载波，如果有载波，则用户等候；一检测信道上是否有载波，如果有载波，则用户等候；一旦检测到信道上没有载波，就立即发送。当然这时还会旦检测到信道上没有载波，就立即发送。当然这时还会有碰撞，一旦发生碰撞，仍采取重发的方式，但碰撞概有碰撞，一旦发生碰撞，仍采取重发的方式，但碰撞概率要小于率要小于ALOHA方式。这方式。这是是目前无线分组网最常用的介目前无线分组网最常用的介质访问方式。质访问方式。CSMA的分类：的分类：非持续侦听方式（非持续侦听方式（CSMA-NP）持续侦听方式（持续侦听方式（CSMA-P）侦听检测方式（侦听检测方式（CSMA-CD）CSMA-NP方式及性能方式及性能 工作原理：当用户无信息发送时，就不侦听信道。当用工作原理：当用户无信息发送时，就不侦听信道。当用户有信息发送时，就侦听信道；若发现信道空闲，就发户有信息发送时，就侦听信道；若发现信道空闲，就发送；若发现信道忙碌，就停止侦听，而在相隔某个随机送；若发现信道忙碌，就停止侦听，而在相隔某个随机时间时间t以后再重新侦听。以后再重新侦听。要考虑传输时延（要考虑传输时延（）的影响问题。）的影响问
