第11講：多址技術（2）有沖突多址接入－ALOHA方式－CSMA方式無中心多址接入有沖突多址接入什么場合用到有沖突多址接入？在無沖突多址接入系統(tǒng)中，用戶發(fā)起呼叫往往采用有沖突多址接入方式，稱為RACH信道。在無線分組網(wǎng)中，各個用戶的突發(fā)數(shù)據(jù)往往以有沖突方式接入信道，實現(xiàn)多址。無線分組網(wǎng)概念無線分組網(wǎng)是一種分組交換網(wǎng)，采用分組交換而不是電路交換。無線分組網(wǎng)利用無線信道的特點，具有廣播通信的性質(zhì)，可以同時把分組數(shù)據(jù)分發(fā)給多個用戶。用戶對信道的訪問是隨機的。傳輸速率可以較高，但延時也較大。無線分組網(wǎng)在民用及軍用的移動數(shù)據(jù)中有廣泛的使用前景?？罩薪涌诘膮f(xié)議體系空中接口是無線分組網(wǎng)的核心問題之一?？罩薪涌趨f(xié)議可以分成：物理層（PHL）、介質(zhì)接入控制層（MAC）、數(shù)據(jù)鏈路控制層（DLC）、網(wǎng)絡層（NWK）。它們和OSI模型的低三層有一定關系，但不是嚴格對應的。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路控制層介質(zhì)接入控制層物理層第一層第二層第三層OSI空中接口的協(xié)議（1）物理層確定無線參數(shù)，如；頻率、定時、功率、碼片、比特或時隙同步、調(diào)制解調(diào)、收發(fā)信機性能等。分配無線資源，如：多址協(xié)議等。在MAC層的控制下進行數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā)?？罩薪涌诘膮f(xié)議（2）介質(zhì)接入控制層介質(zhì)訪問管理：首先選擇物理信道，然后在這些信道上建立或釋放連接。數(shù)據(jù)封裝：將控制信息、高層的信息和差錯控制信息進行復接（或分接），使之適合在物理信道上傳輸。形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務。如：廣播業(yè)務、面向連接的業(yè)務和無連接業(yè)務等?？罩薪涌诘膮f(xié)議（3）數(shù)據(jù)鏈路控制層主要功能：為網(wǎng)絡層提供非?？煽康臄?shù)據(jù)鏈路?？梢苑譃槎€平面：－控制平面：保護內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息。－用戶平面：以不同能力保護不同的用戶信息。網(wǎng)絡層主要是信令。包括：鏈路控制、呼叫控制、附加業(yè)務、面向連接的消息業(yè)務、無連接的消息業(yè)務、移動性管理等。關于介質(zhì)訪問協(xié)議無線信道是公用的，用戶以競爭方式發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就存在碰撞問題；用戶數(shù)越多，碰撞概率越大，接入概率越低，接入時間越長；為此，就要有個規(guī)則，這就是介質(zhì)訪問協(xié)議。有沖突多址接入的性能指標一般用以下參數(shù)來描述－吞吐量（throughput）S：定義為用戶成功發(fā)送的信息包所占的時間，和總的觀察時間的比值。實際上表示信道利用率情況。－呼叫量G：定義為用戶需要發(fā)送的信息包所占的時間，和總的觀察時間的比值。實際上表示業(yè)務繁忙情況。－時延D：定義為信息包從開始傳送到傳送成功所需要的時間。ALOHA方式簡介20世紀70年代初，美國夏威夷大學研究小組在解決衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)傳輸問題時提出的一種有沖突接入技術，稱為：ALOHA。有以下一些分類：－隨機ALOHA方式：又稱為純ALOHA方式，隨時發(fā)送檢測到碰撞重新發(fā)送，給每個用戶分配不同的重發(fā)間隔時間。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，缺點：吞吐量下降。－時隙ALOHA方式：和隨機ALOHA類似，但把發(fā)送時間劃分成等長的時隙，按時隙發(fā)送，這樣可以減少碰撞機會和重發(fā)次數(shù)。因而改善吞吐量。－帶捕獲的時隙ALOHA方式：這是對時隙ALOHA的改進。工作原理工作原理（續(xù)）隨機ALOHA隨機ALOHA是一個無線分組系統(tǒng)。每個分組的持續(xù)時間對于每個用戶來說都是相同的，稱為時隙。每個用戶發(fā)送分組的時刻是隨機的。如果發(fā)生碰撞，則需要重新發(fā)送，重新發(fā)送的時刻也是隨機的。當兩個以上的用戶時隙完全重疊或部分重疊時，傳輸數(shù)據(jù)將受到破壞。兩的分組能夠發(fā)生重疊的最大時間間隔稱為易損周期，對于隨機ALOHA來說，易損周期為兩個時隙時間。時隙ALOHA時隙ALOHA也是一個無線分組系統(tǒng)。每個用戶發(fā)送分組的時刻都不是隨機的，而是在時隙的邊界時刻。如果發(fā)生碰撞，則需要重新發(fā)送，重新發(fā)送的時刻也是在時隙的邊界時刻。對于時隙ALOHA來說，易損周期為一個時隙時間。可見碰撞機會將明顯減少，從而改善了系統(tǒng)的吞吐量。需要解決整個系統(tǒng)的同步問題。帶捕獲的時隙ALOHA也是一個無線分組系統(tǒng)，其工作原理和時隙ALOHA相似。如果有兩個分組信號發(fā)生碰撞，接收機捕獲信號較強的那個分組，而讓信號較弱的分組重新發(fā)送。這樣，重新發(fā)送的機會就減少一半，從而改善了系統(tǒng)的吞吐量。需要解決系統(tǒng)在不同接收場強的檢測問題。吞吐量性能分析成功發(fā)送的概率： P（成功）＝P（在易損周期內(nèi)無其它分組出現(xiàn)）假設呼叫服從泊松分布，則在易損周期內(nèi)無其它分組出現(xiàn)的概率為： P（在易損周期內(nèi)無其它分組出現(xiàn)）＝其中為易損周期的歸一化值。就有：P（成功）＝根據(jù)定義，P（成功）＝S/G得到：這就是ALOHA系統(tǒng)的吞吐量方程。吞吐量性能分析（續(xù)）對吞吐量方程的討論（1）G0，SG。當呼叫量很小時，吞吐量近似等于呼叫量，此時系統(tǒng)幾乎沒有阻塞。（2）G，S0。當呼叫量很大時，吞吐量近似等于0，此時系統(tǒng)幾乎全被阻塞。（3）從dS/dG=0得到，當G＝1/時，S＝Smax，吞吐量取得最大值。 對于隨機ALOHA:=2,Smax=1/2e=0.184

對于時隙ALOHA:=1,Smax=1/e=0.368吞吐量性能分析（續(xù)）時延性能分析ALOHA系統(tǒng)的分組時延D，和重傳次數(shù)E、重傳時延Dret、接收一個成功確認的時隙數(shù)R等參數(shù)有關。已知重傳次數(shù)：E＝G/S=eG,得到：隨機ALOHA的平均分組時延時隙ALOHA的平均分組時延其中表示大于或等于R的最小整數(shù)。時延性能分析（續(xù)）對時延性能的討論（1）G0，當呼叫量很小時，平均時延等于接收一個成功確認的時隙數(shù)R（對于時隙ALOHA，還要增加0.5個時隙長度）。（2）G，并假設DretR當呼叫量很大時，平均時延隨著呼叫量的增加呈指數(shù)關系增長。CSMA方式簡介CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）載波偵聽多址。這是對ALOHA方式的一種改進。用戶在發(fā)送分組前首先檢測信道上是否有載波，如果有載波，則用戶等候；一旦檢測到信道上沒有載波，就立即發(fā)送。當然這時還會有碰撞，一旦發(fā)生碰撞，仍采取重發(fā)的方式，但碰撞概率要小于ALOHA方式。這是目前無線分組網(wǎng)最常用的介質(zhì)訪問方式。CSMA的分類：－非持續(xù)偵聽方式（CSMA-NP）－持續(xù)偵聽方式（CSMA-P）－偵聽檢測方式（CSMA-CD）CSMA-NP方式及性能工作原理：當用戶無信息發(fā)送時，就不偵聽信道。當用戶有信息發(fā)送時，就偵聽信道；若發(fā)現(xiàn)信道空閑，就發(fā)送；若發(fā)現(xiàn)信道忙碌，就停止偵聽，而在相隔某個隨機時間t以后再重新偵聽。要考慮傳輸時延（

）的影響問題。吞吐量S和呼叫量G的關系：當＝0，CSMA-NP方式及性能（續(xù)）CSMA-P方式及性能工作原理：用戶一直偵聽信道狀態(tài)，如果信道空閑，用戶又有通信要求，就發(fā)送信息包。此時，當兩個以上用戶同時有信息發(fā)送需求時，就發(fā)生碰撞。傳輸時延愈大，碰撞的機會就愈多。吞吐量S和呼叫量G的關系：當＝0，CSMA-P方式及性能（續(xù)）CSMA-CD方式及性能工作原理：為了提高信道利用率，可以采用碰撞檢測方法。每當發(fā)出信息包后，就檢測是否與別的用戶信息包發(fā)生碰撞。一旦發(fā)生碰撞，立即停止發(fā)送，以保證信道不會無效地繼續(xù)被占用。吞吐量S和呼叫量G的關系：當＝0，和CSMA-NP方式一樣：CSMA-CD方式及性能（續(xù)）無中心多址接入Ad-Hoc方式和蜂窩網(wǎng)的比較：有中心到無中心UUUUUCUUU蜂窩網(wǎng):有中心Ad-Hoc網(wǎng):無中心和蜂窩網(wǎng)的比較：單跳到多跳UCCCUUUUCUUUUUUUUUUUUUU蜂窩網(wǎng):單跳Ad-Hoc網(wǎng):多跳“中心結構”--WLAN“無中心結構”--自組織網(wǎng)絡APAPAP有線網(wǎng)AP:無線接入點和局域網(wǎng)的比較AdHoc網(wǎng)絡定義AdHoc網(wǎng)絡是一系列無線通信裝置、具有自主聯(lián)網(wǎng)能力的設備的集合。AdHoc網(wǎng)絡屬于“無中心結構”系統(tǒng)，無專用的中心控制設備，通過網(wǎng)絡節(jié)點的“相互數(shù)據(jù)轉發(fā)協(xié)作”完成網(wǎng)絡中的信息傳遞。主要特征：無中心，轉發(fā)，自組織。AdHoc網(wǎng)絡的應用軍事通信：士兵、坦克、軍車、飛機等實體構成的臨時戰(zhàn)場通信指揮系統(tǒng)。協(xié)同計算：如研究小組的資源共享、報告會的文件共享、課堂的課件共享等。應急通信：在發(fā)生自然災害、緊急事故等場合，建立搶險救災現(xiàn)場的應急臨時通信與指揮系統(tǒng)。無線網(wǎng)狀（Wirelessmesh）網(wǎng)：用于住宅小區(qū)、高速公路、商業(yè)網(wǎng)點、公共建筑、大學校園等。無線傳感器網(wǎng)絡：用于軍事偵察、健康護理、家庭保安、環(huán)境監(jiān)測等。

隱藏終端當節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于阻擋等原因，節(jié)點C無法監(jiān)聽到A發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，因此節(jié)點C認為信道空閑并向節(jié)點B發(fā)出數(shù)據(jù)，來自A和C的數(shù)據(jù)信號在節(jié)點B處沖突，造成接收失敗。暴露終端當節(jié)點C向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點B同時可以監(jiān)聽到C發(fā)出的數(shù)據(jù)，從而認為信道忙、處于“避讓”狀態(tài)，進而B無法向A發(fā)出數(shù)據(jù)，造成信道浪費。CSMA多址接入?yún)f(xié)議CSMA－載波偵聽多址接入?yún)f(xié)議可以實現(xiàn)信道的隨機接入，但未能解決隱藏終端問題。CSMA/CA－載波偵聽多址接入/碰撞避免（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance）協(xié)議，是IEEE802.11DCF的工作模式，采用RTS/CTS機制解決了隱藏終端問題。隱藏終端問題解決發(fā)送節(jié)點A發(fā)出RTS(Request-to-Send)，A的所有鄰居節(jié)點監(jiān)聽到RTS后認為“信道忙”。接收節(jié)點B發(fā)出CTS(Clear-to-Send)，B的所有鄰居節(jié)點監(jiān)聽到CTS后認為“信道忙”。RTS/CTS中包含本次數(shù)據(jù)傳輸所需要的信道占用時間NAV，在這段時間內(nèi)，與A和B相鄰的所有節(jié)點均保持靜默，以避免對A和B之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。CABDRTSCABDCTS隱藏終端和傳輸有效性在數(shù)據(jù)傳輸開始前，發(fā)送節(jié)點A和接收節(jié)點B通過RTS/CTS接入信道，A的鄰居節(jié)點C接收到RTS獲知本次傳輸所需時間NAV，B的鄰居節(jié)點D接收到CTS獲知NAV信息，因此C和D均在NAV時間內(nèi)保持靜默，直到傳輸完畢。節(jié)點A和節(jié)點B接入信道后，開始傳輸數(shù)據(jù)，當節(jié)點A將數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，節(jié)點B回應ACK包，對數(shù)據(jù)傳輸進行確認，以確保傳輸有效性。CSMA/CA的吞吐量信道吞吐量：非數(shù)據(jù)傳輸時間包括：

信道空閑時間；

傳輸RTC/CTS/ACK的時間（系統(tǒng)固定值）；

節(jié)點的DIFS、SIFS時間（系統(tǒng)固定值）；

節(jié)點的隨機競爭窗C