第04章_多路復(fù)用與信道共享技術(shù).

1、第第4 4章章 多路復(fù)用與信道共享技術(shù)多路復(fù)用與信道共享技術(shù) 計算機網(wǎng)絡(luò)與通信計算機網(wǎng)絡(luò)與通信( (第第2 2版版) )課件制作人：陳偉 劉會衡第第4章章 多路復(fù)用與信道共享技術(shù)多路復(fù)用與信道共享技術(shù) 4.1 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù) 4.2 信道共享技術(shù)信道共享技術(shù) 課件制作人：陳偉 劉會衡4.1 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)4.1.1 頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用(FDM) 4.1.2 時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用(TDM) 4.1.3 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM) 4.1.4 碼分復(fù)用碼分復(fù)用(CDM) 4.1.5 空分復(fù)用空分復(fù)用(SDM) 課件制作人：陳偉 劉會衡4.1 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)n

2、 多路復(fù)用是一種將若干彼此無關(guān)的信號合并成一路復(fù)合信號多路復(fù)用是一種將若干彼此無關(guān)的信號合并成一路復(fù)合信號并在一條公用信道上傳輸，到達接收端后再進行分離的方法。并在一條公用信道上傳輸，到達接收端后再進行分離的方法。n 多路復(fù)用技術(shù)包含信號復(fù)合、傳輸和分離三個方面的內(nèi)容。多路復(fù)用技術(shù)包含信號復(fù)合、傳輸和分離三個方面的內(nèi)容。 課件制作人：陳偉 劉會衡4.1.1 頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用(FDM)n頻分多路復(fù)用是按照頻率參量的差別來分割信號的。也就頻分多路復(fù)用是按照頻率參量的差別來分割信號的。也就是說，分割信號的參量是頻率，只要使各路信號的頻譜互是說，分割信號的參量是頻率，只要使各路信號的頻譜互不重

3、疊，接收端就可以用濾波器把它們分割開來。不重疊，接收端就可以用濾波器把它們分割開來。n把信道的可用頻帶分割為若干條較窄的子頻帶，每條子頻把信道的可用頻帶分割為若干條較窄的子頻帶，每條子頻帶都可以作為一個獨立的傳輸信道用來傳輸一路信號。為帶都可以作為一個獨立的傳輸信道用來傳輸一路信號。為了防止各路信號之間的相互干擾，相鄰兩個子頻帶之間需了防止各路信號之間的相互干擾，相鄰兩個子頻帶之間需要留有一定的保護頻帶。要留有一定的保護頻帶。n由于通過媒質(zhì)傳輸?shù)膹?fù)合信號一般是模擬信號，因此，當(dāng)由于通過媒質(zhì)傳輸?shù)膹?fù)合信號一般是模擬信號，因此，當(dāng)輸入信號為數(shù)字信號時，應(yīng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換輸入信號為數(shù)字信號

4、時，應(yīng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，或者由數(shù)字信號直接鍵控載頻形成幅度鍵控為模擬信號，或者由數(shù)字信號直接鍵控載頻形成幅度鍵控信號。信號。課件制作人：陳偉 劉會衡頻分多路復(fù)用原理圖頻分多路復(fù)用原理圖課件制作人：陳偉 劉會衡話音信號頻分多路載波通信系統(tǒng)的原理框圖話音信號頻分多路載波通信系統(tǒng)的原理框圖 復(fù)合信號的總帶寬滿足：復(fù)合信號的總帶寬滿足： 1niiBb話音信號頻分多路復(fù)用系統(tǒng)需妥善處理好兩個話音信號頻分多路復(fù)用系統(tǒng)需妥善處理好兩個問題：問題：防止串話、減少互調(diào)噪聲防止串話、減少互調(diào)噪聲 。課件制作人：陳偉 劉會衡不同的數(shù)據(jù)速率所需的子頻帶間隔不同的數(shù)據(jù)速率所需的子頻帶間隔 表表4.1

5、 FDM的子頻帶間隔的子頻帶間隔速 率(b/s)間 隔Hz速 率(b/s)間 隔Hz7512045072011017060096015024012001800300480課件制作人：陳偉 劉會衡頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用(FDM)優(yōu)缺點優(yōu)缺點n 主要優(yōu)點在于實現(xiàn)相對簡單，技術(shù)成熟，能較充主要優(yōu)點在于實現(xiàn)相對簡單，技術(shù)成熟，能較充分地利用信道頻帶，因而系統(tǒng)效率較高。分地利用信道頻帶，因而系統(tǒng)效率較高。n 主要缺點：主要缺點：n 保護頻帶的存在大大地降低了保護頻帶的存在大大地降低了FDM技術(shù)的效率；技術(shù)的效率；n 信道的非線性失真改變了它的實際頻帶特性，易造成信道的非線性失真改變了它的實際頻帶特性，

6、易造成串音和互調(diào)噪聲干擾；串音和互調(diào)噪聲干擾；n 所需設(shè)備量隨輸入路數(shù)增加而增多，且不易小型化；所需設(shè)備量隨輸入路數(shù)增加而增多，且不易小型化；n頻分多路復(fù)用本身不提供差錯控制技術(shù)，不便于性能頻分多路復(fù)用本身不提供差錯控制技術(shù)，不便于性能監(jiān)測。因此，在實際應(yīng)用中，監(jiān)測。因此，在實際應(yīng)用中，F(xiàn)DM正在被時分多路復(fù)正在被時分多路復(fù)用所替代。用所替代。課件制作人：陳偉 劉會衡4.1.2 時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用(TDM)n 時分多路復(fù)用通信是指各路信號在同一信道上時分多路復(fù)用通信是指各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進行通信。具體地說，就是把占有不同時間間隙進行通信。具體地說，就是把時間分成一些均勻

7、的時間間隙，將各路信號的傳時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開、輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開、互不干擾的目的?；ゲ桓蓴_的目的。n 目前常用的目前常用的TDM有兩種：同步時分多路復(fù)用和有兩種：同步時分多路復(fù)用和統(tǒng)計時分多路復(fù)用。統(tǒng)計時分多路復(fù)用。課件制作人：陳偉 劉會衡1同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用 只要發(fā)送端和接收端的時分多路復(fù)用器能夠按時間只要發(fā)送端和接收端的時分多路復(fù)用器能夠按時間分配同步地切換所連接的設(shè)備，就能保證各路設(shè)備共分配同步地切換所連接的設(shè)備，就能保證各路設(shè)備共用一條信道進行相互通信，而且彼此互不干擾。用一條信道進

8、行相互通信，而且彼此互不干擾。 課件制作人：陳偉 劉會衡1同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用nn路通信設(shè)備連接到一條公用信道上，發(fā)送端的時分多路路通信設(shè)備連接到一條公用信道上，發(fā)送端的時分多路復(fù)用器按照一定的次序輪流地給各個設(shè)備分配一段使用復(fù)用器按照一定的次序輪流地給各個設(shè)備分配一段使用公用信道的時間。當(dāng)輪到某個設(shè)備使用的邏輯聯(lián)系被暫公用信道的時間。當(dāng)輪到某個設(shè)備使用的邏輯聯(lián)系被暫時切斷，待指定的通信設(shè)備占用信道的時間一到，則同時切斷，待指定的通信設(shè)備占用信道的時間一到，則同步時分多路復(fù)用器就將信道切換給下一個被指定的設(shè)備。步時分多路復(fù)用器就將信道切換給下一個被指定的設(shè)備。以此類推，一直輪流到最

9、后一個設(shè)備，然后又重新繼續(xù)以此類推，一直輪流到最后一個設(shè)備，然后又重新繼續(xù)開始。開始。n在接收端，時分多路復(fù)用器也是按照一定的次序輪流地在接收端，時分多路復(fù)用器也是按照一定的次序輪流地接通各路輸出，并且與輸入端的時分多路復(fù)用器保持同接通各路輸出，并且與輸入端的時分多路復(fù)用器保持同步。步。 課件制作人：陳偉 劉會衡1同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用TDM的工作特點是：的工作特點是：n第一，通信雙方是按照預(yù)先指定的時隙進行通信的，第一，通信雙方是按照預(yù)先指定的時隙進行通信的，而且這種時間關(guān)系是固定不變的；而且這種時間關(guān)系是固定不變的；n第二，就某一瞬時來看，公用信道上僅傳輸某一對第二，就某一瞬時來

10、看，公用信道上僅傳輸某一對設(shè)備的信號，而不是多路復(fù)合信號，但就一段時間設(shè)備的信號，而不是多路復(fù)合信號，但就一段時間而言，公用信道上傳輸著按時間分隔的多路復(fù)合信而言，公用信道上傳輸著按時間分隔的多路復(fù)合信號。號。 課件制作人：陳偉 劉會衡1同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用TDM有兩種有兩種 ：比特交錯：比特交錯TDM、字符交錯、字符交錯TDM課件制作人：陳偉 劉會衡比特交錯比特交錯TDM和字符交錯和字符交錯TDMn比特交錯比特交錯TDM通常用于同步終端系統(tǒng)，而字符通常用于同步終端系統(tǒng)，而字符交錯交錯TDM則用于異步終端系統(tǒng)。則用于異步終端系統(tǒng)。n當(dāng)以比特為基礎(chǔ)進行交錯時，復(fù)用器允許每路當(dāng)以比特為

11、基礎(chǔ)進行交錯時，復(fù)用器允許每路每次輸入一比特，然后將各路輸入的比特組合每次輸入一比特，然后將各路輸入的比特組合成幀進行傳輸。顯然，如一幀中含有多個字符，成幀進行傳輸。顯然，如一幀中含有多個字符，由于減少了同步字符的個數(shù)，從而提高了傳輸由于減少了同步字符的個數(shù)，從而提高了傳輸效率。另外，如采用時隙大小與每個字符寬度效率。另外，如采用時隙大小與每個字符寬度成比例的技術(shù)，雖增加了技術(shù)的復(fù)雜性和成本，成比例的技術(shù)，雖增加了技術(shù)的復(fù)雜性和成本，但其傳輸效率將能達到最大值。但其傳輸效率將能達到最大值。課件制作人：陳偉 劉會衡比特交錯比特交錯TDM和字符交錯和字符交錯TDMn因為字符交錯因為字符交錯TDM所

12、需的緩沖區(qū)大，所以字符交錯所需的緩沖區(qū)大，所以字符交錯TDM的的成本比比特交錯成本比比特交錯TDM要略微高一些。如果能夠考慮到字符要略微高一些。如果能夠考慮到字符交錯交錯TDM具有按順序保存字符位的特點，那么可以取消字具有按順序保存字符位的特點，那么可以取消字符中的控制位符中的控制位(如起始位、停止位如起始位、停止位)，而僅僅傳輸數(shù)據(jù)位和校，而僅僅傳輸數(shù)據(jù)位和校驗位，這樣也有利于傳輸效率的提高。驗位，這樣也有利于傳輸效率的提高。n對于比特交錯對于比特交錯TDM來說，除了實現(xiàn)較為便宜外，它還能提來說，除了實現(xiàn)較為便宜外，它還能提供較快的同步和較短的傳輸延遲，這是因為復(fù)用器接收到供較快的同步和較短

13、的傳輸延遲，這是因為復(fù)用器接收到每一比特數(shù)據(jù)就可傳輸?shù)木壒省Ｃ恳槐忍財?shù)據(jù)就可傳輸?shù)木壒?。n而字符交錯而字符交錯TDM中，復(fù)用器則需將若干比特匯集成字符后中，復(fù)用器則需將若干比特匯集成字符后方可傳輸。另外，字符交錯方可傳輸。另外，字符交錯TDM還具有較強的抗突發(fā)干擾還具有較強的抗突發(fā)干擾的能力。的能力。課件制作人：陳偉 劉會衡2統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用n 在在傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的TDM系統(tǒng)中，以固定分配時隙的方式對系統(tǒng)中，以固定分配時隙的方式對來自多個設(shè)備的數(shù)據(jù)流進行組合，然后在單一的公用來自多個設(shè)備的數(shù)據(jù)流進行組合，然后在單一的公用信道上傳輸。這種時分多路復(fù)用技術(shù)既便宜又可靠，信道上傳輸。這種

14、時分多路復(fù)用技術(shù)既便宜又可靠，并能降低通信費用。但是，把它用于高速通信時效率并能降低通信費用。但是，把它用于高速通信時效率較低。較低。n 為了提高時隙的利用率，可以采用按需分配時隙的為了提高時隙的利用率，可以采用按需分配時隙的技術(shù)，即動態(tài)地分配所需時隙，以避免每幀中出現(xiàn)空技術(shù)，即動態(tài)地分配所需時隙，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時隙的現(xiàn)象。以這種動態(tài)分配時隙方式工作的閑時隙的現(xiàn)象。以這種動態(tài)分配時隙方式工作的TDM稱為稱為統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)。課件制作人：陳偉 劉會衡傳統(tǒng)傳統(tǒng)TDM與與STDM 圖中有圖中有4個數(shù)據(jù)源，并在個數(shù)據(jù)源，并在4個不同時刻個不同時刻(t0t3)出現(xiàn)數(shù)據(jù)。

15、出現(xiàn)數(shù)據(jù)。 課件制作人：陳偉 劉會衡2統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用STDM兩種子幀的格式：兩種子幀的格式：n 每幀一源的格式：幀末尾標(biāo)志與總幀末尾標(biāo)志相同。每幀一源的格式：幀末尾標(biāo)志與總幀末尾標(biāo)志相同。n 每幀多源的格式：在一幀中包含多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，每幀多源的格式：在一幀中包含多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，此時除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還要給出數(shù)據(jù)字此時除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還要給出數(shù)據(jù)字長長。 課件制作人：陳偉 劉會衡2統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用n STDM存在的一些潛在的技術(shù)缺陷：存在的一些潛在的技術(shù)缺陷：時延時延問題問題。n STDM常用的三種緩沖控制技術(shù)：常用的三種緩沖控制技術(shù)

16、：n 同信道信號傳輸同信道信號傳輸n 異信道信號傳輸異信道信號傳輸n 降低時鐘，減緩數(shù)據(jù)吞吐量。降低時鐘，減緩數(shù)據(jù)吞吐量。 前兩種技術(shù)可用于控制異步終端的數(shù)據(jù)流，而前兩種技術(shù)可用于控制異步終端的數(shù)據(jù)流，而后一種技術(shù)適用于同步終端。后一種技術(shù)適用于同步終端。 課件制作人：陳偉 劉會衡4.1.3 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM) 波分復(fù)用就是波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用光的頻分復(fù)用。目前一根單模光纖的傳輸。目前一根單模光纖的傳輸速率可達到速率可達到2.5 Gb/s。如采用色散補償技術(shù)，則一根單模光。如采用色散補償技術(shù)，則一根單模光纖的傳輸速率可達到纖的傳輸速率可達到10 Gb/s 。圖圖4.9 波分復(fù)用的概

17、念波分復(fù)用的概念 課件制作人：陳偉 劉會衡4.1.3 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM)n圖圖4.9示出了示出了8路傳輸速率均為路傳輸速率均為2.5 Gb/s的光載波的光載波(其波長均為其波長均為1310 nm)，經(jīng)光調(diào)制后，它們的波長變換到，經(jīng)光調(diào)制后，它們的波長變換到15501557 nm，相鄰兩個光載波相隔相鄰兩個光載波相隔1 nm。這。這8個波長很接近的光載波經(jīng)過個波長很接近的光載波經(jīng)過光復(fù)用器后，在一根光纖中傳輸。光復(fù)用器后，在一根光纖中傳輸。n但光信號傳輸一段距離后會衰減，因此對衰減了的光信號必但光信號傳輸一段距離后會衰減，因此對衰減了的光信號必須進行放大后才能繼續(xù)傳輸。須進行放大后才能繼

18、續(xù)傳輸。n現(xiàn)在已經(jīng)有了很好的摻鉺光纖放大器現(xiàn)在已經(jīng)有了很好的摻鉺光纖放大器(EDFA)，它是一種光放，它是一種光放大器。大器。EDFA不需要進行光電轉(zhuǎn)換而直接對光信號進行放大。不需要進行光電轉(zhuǎn)換而直接對光信號進行放大。n兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達120 km，而光復(fù)用，而光復(fù)用器和光分用器之間的無光電轉(zhuǎn)換的距離可達器和光分用器之間的無光電轉(zhuǎn)換的距離可達600 km(只需放只需放入入4個光纖放大器個光纖放大器)。課件制作人：陳偉 劉會衡4.1.4 碼分復(fù)用碼分復(fù)用(CDM)n碼分復(fù)用碼分復(fù)用(CDM)，更常稱為碼分多址，更常稱為碼分多址(CDMA)。

19、n每個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。由每個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。不會造成干擾。nCDMA系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲。于白噪聲。n最早應(yīng)用于軍事通信中，隨著技術(shù)的進步，最早應(yīng)用于軍事通信中，隨著技術(shù)的進步，CDMA設(shè)備的設(shè)備的價格和體積都大幅度下降，現(xiàn)已廣泛使用在民用的移動通價格和體積都大幅度下降，現(xiàn)已廣泛使用在民用的移動通信中。信中。課件制作人：陳偉 劉會衡CDMA工作原理工

20、作原理 n 每個比特時間再劃分為每個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為個短的間隔，稱為碼片碼片(chip)。通常。通常m的值是的值是64或或128。 n CDMA的每個站被指派一個唯一的的每個站被指派一個唯一的m bit碼片序列碼片序列。要發(fā)送比特要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的，則發(fā)送它自己的m bit碼片序列；要發(fā)碼片序列；要發(fā)送比特送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 例如，指派給例如，指派給S站的站的8 bit碼片序列是碼片序列是00011011。當(dāng)。當(dāng)S站發(fā)送比特站發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列時，就發(fā)送序列00011011，而當(dāng)發(fā)送比，而當(dāng)發(fā)送比特特0時，

21、就發(fā)送序列時，就發(fā)送序列11100100。n 習(xí)慣上，習(xí)慣上，S站的碼片序列記為站的碼片序列記為(-1-1-1+1+1-1+1+1)。課件制作人：陳偉 劉會衡CDMA工作原理工作原理 n S站數(shù)據(jù)率為站數(shù)據(jù)率為b b/s。由于每個比特的信息要轉(zhuǎn)成。由于每個比特的信息要轉(zhuǎn)成m個比特的碼片，個比特的碼片，S站實際據(jù)率提高到站實際據(jù)率提高到mb b/s，同時，同時S站站所占用的頻帶也提高到原來的所占用的頻帶也提高到原來的m倍。即倍。即擴頻擴頻。n 擴頻通信通常有兩大類：一種是直接序列（擴頻通信通常有兩大類：一種是直接序列（DS-CDMA）；另一種是跳頻）；另一種是跳頻(frequency hoppi

22、ng)擴頻方擴頻方式（式（FH-CDMA）。）。n CDMA系統(tǒng)的一個重要特點就是各站的碼片序列系統(tǒng)的一個重要特點就是各站的碼片序列不僅必須各不相同，而且還必須互相正交。不僅必須各不相同，而且還必須互相正交。n 在實用的系統(tǒng)中使用的是偽隨機碼序列。在實用的系統(tǒng)中使用的是偽隨機碼序列。課件制作人：陳偉 劉會衡CDMA工作原理工作原理用數(shù)學(xué)公式表示碼片序列的正交關(guān)系：用數(shù)學(xué)公式表示碼片序列的正交關(guān)系：n 兩個不同站的碼片序列正交，就是向量兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和和T的的規(guī)格化內(nèi)積規(guī)格化內(nèi)積(inner product)為為0。n 向量向量S和各站碼片序列二進制反碼的向量的規(guī)格和各站碼

23、片序列二進制反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積也是化內(nèi)積也是0。n 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積為積為1 。n 一個碼片向量和該碼片序列二進制反碼的向量的一個碼片向量和該碼片序列二進制反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積是規(guī)格化內(nèi)積是-1 。課件制作人：陳偉 劉會衡CDMA工作原理的一個例子工作原理的一個例子n S站發(fā)送數(shù)據(jù)站發(fā)送數(shù)據(jù)110 ，碼片序列為，碼片序列為(-1-1-1+1+1-1+1+1) n T站發(fā)送數(shù)據(jù)站發(fā)送數(shù)據(jù)110，碼片序列為，碼片序列為(-1-1+1-1+1+1+1-1) 課件制作人：陳偉 劉會衡4.1.5 空分復(fù)用空分復(fù)用(SDM)n 空

24、分復(fù)用空分復(fù)用(SDM)是利用空間分割構(gòu)成不同信道是利用空間分割構(gòu)成不同信道的一種多路復(fù)用方法。的一種多路復(fù)用方法。n 比如較常用的適用于比如較常用的適用于100 Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)傳輸?shù)牡?類線。類線。 課件制作人：陳偉 劉會衡空分復(fù)用技術(shù)在無線傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用舉例空分復(fù)用技術(shù)在無線傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用舉例 課件制作人：陳偉 劉會衡MIMO技術(shù)技術(shù)nMIMO (Multiple-Input Multiple-Output)是在空分復(fù)是在空分復(fù)用技術(shù)上衍生來的的多輸入用技術(shù)上衍生來的的多輸入-多輸出的方式多輸出的方式 nMIMO系統(tǒng)可將多徑衰落作為一個有利因素加以利系統(tǒng)可將多徑衰落作為一

25、個有利因素加以利用。用。nMIMO是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理技術(shù)。擾對消處理技術(shù)。nMIMO信道容量信道容量C ：min(,) lb(2)CM N BB為信號帶寬；為接收端平均信噪比；為信號帶寬；為接收端平均信噪比；min(M, N)為為M和和N的較小者。的較小者。課件制作人：陳偉 劉會衡4.2 信道共享技術(shù)信道共享技術(shù)4.2.1 受控多點接入受控多點接入 4.2.2 隨機接入隨機接入ALOHA 4.2.3 隨機接入隨機接入CSMA/CD 4.2.4 令牌傳遞接入令牌傳遞接入 課件制作人：陳偉 劉會衡4.2.1 受控多點接入受控多點接

26、入 1輪叫輪詢的性能分析輪叫輪詢的性能分析 主機按順序從站主機按順序從站1開始逐個輪詢。站開始逐個輪詢。站1如有數(shù)據(jù)，即可發(fā)給主如有數(shù)據(jù)，即可發(fā)給主機。站機。站1如無數(shù)據(jù)，則發(fā)送控制幀給主機，表示無數(shù)據(jù)可發(fā)。如無數(shù)據(jù)，則發(fā)送控制幀給主機，表示無數(shù)據(jù)可發(fā)。然后主機詢問站然后主機詢問站2, ，在詢問完站，在詢問完站N后，又重復(fù)詢問站后，又重復(fù)詢問站1。 輪叫輪詢的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)輪叫輪詢的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)課件制作人：陳偉 劉會衡4.2.1 受控多點接入受控多點接入2傳遞輪詢的性能分析傳遞輪詢的性能分析 前面討論的輪叫輪詢存在一個較大的缺點，這就前面討論的輪叫輪詢存在一個較大的缺點，這就是輪詢幀在多點線路上

27、不停地循環(huán)往返，形成了相是輪詢幀在多點線路上不停地循環(huán)往返，形成了相當(dāng)大的開銷，增加了幀的等待時延。為了克服這一當(dāng)大的開銷，增加了幀的等待時延。為了克服這一缺點，可以采用傳遞輪詢的辦法。缺點，可以采用傳遞輪詢的辦法。傳遞輪詢工作示意圖傳遞輪詢工作示意圖課件制作人：陳偉 劉會衡4.2.1 受控多點接入受控多點接入傳遞輪詢與輪叫輪詢的比較：傳遞輪詢與輪叫輪詢的比較： (1) 傳遞輪詢的幀時延總是小于同樣條件下的輪叫傳遞輪詢的幀時延總是小于同樣條件下的輪叫輪詢的時延。輪詢的時延。 (2) 站間的距離越大，傳遞輪詢的效果就比輪叫輪站間的距離越大，傳遞輪詢的效果就比輪叫輪詢的越好。詢的越好。 (3) 站

28、間距離較小且通信量較大時，傳遞輪詢帶來站間距離較小且通信量較大時，傳遞輪詢帶來的好處就不太明顯。的好處就不太明顯。 傳遞輪詢系統(tǒng)雖然具有較輪叫輪詢系統(tǒng)更小的幀傳遞輪詢系統(tǒng)雖然具有較輪叫輪詢系統(tǒng)更小的幀等待時延，但由于其實現(xiàn)起來技術(shù)上比較復(fù)雜，代價等待時延，但由于其實現(xiàn)起來技術(shù)上比較復(fù)雜，代價也較高，因此在目前實用的輪詢系統(tǒng)中，主要還是使也較高，因此在目前實用的輪詢系統(tǒng)中，主要還是使用輪叫輪詢系統(tǒng)。用輪叫輪詢系統(tǒng)。課件制作人：陳偉 劉會衡4.2.2 隨機接入隨機接入ALOHAn 輪詢技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時，系統(tǒng)輪詢技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時，系統(tǒng)的工作效率較低的工作效率較低 。n 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量

29、較小時，讓用戶自由地當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量較小時，讓用戶自由地發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 隨機接入。隨機接入。n 最早在美國夏威夷大學(xué)計算中心的無線最早在美國夏威夷大學(xué)計算中心的無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)ALOHA系統(tǒng)中采用，稱為系統(tǒng)中采用，稱為“ALOHA”方法。方法。 課件制作人：陳偉 劉會衡1非時隙非時隙ALOHA非時隙非時隙ALOHA的工作原理的工作原理 課件制作人：陳偉 劉會衡1非時隙非時隙ALOHA為便于分析，我們做如下假設(shè)：為便于分析，我們做如下假設(shè)： (1) 廣播式信道本身是不產(chǎn)生差錯的理想信道；廣播式信道本身是不產(chǎn)生差錯的理想信道； (2) 每個節(jié)點的幀到達為泊松過程，幀長度固定每個節(jié)點的幀到達為泊松過程，

30、幀長度固定相等，每幀的發(fā)送時間為秒；相等，每幀的發(fā)送時間為秒； (3) 單位時間內(nèi)進入信道的總業(yè)務(wù)量為單位時間內(nèi)進入信道的總業(yè)務(wù)量為G，其中，其中成功傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量為成功傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量為S，則有：，則有： G = S + (單位時間內(nèi)的重傳幀數(shù)單位時間內(nèi)的重傳幀數(shù))課件制作人：陳偉 劉會衡1非時隙非時隙ALOHA 在一個幀發(fā)送期間在一個幀發(fā)送期間tf及之前共及之前共2 （這里（這里 = tf）秒的）秒的時間區(qū)間，被稱為時間區(qū)間，被稱為“易損區(qū)間易損區(qū)間”。如能保證在這個區(qū)。如能保證在這個區(qū)間內(nèi)信道上只存在當(dāng)前這個幀在傳輸，則這個幀必能間內(nèi)信道上只存在當(dāng)前這個幀在傳輸，則這個幀必能成功傳輸。成功傳輸

31、。 根據(jù)泊松分布公式，當(dāng)單位時間內(nèi)的幀到達率為根據(jù)泊松分布公式，當(dāng)單位時間內(nèi)的幀到達率為G時，則在期間內(nèi)出現(xiàn)時，則在期間內(nèi)出現(xiàn)k個幀的概率為：個幀的概率為：e( )!kGGP kk課件制作人：陳偉 劉會衡1非時隙非時隙ALOHA 在易損區(qū)間內(nèi)成功傳輸一個幀的概率應(yīng)是在易損區(qū)間內(nèi)成功傳輸一個幀的概率應(yīng)是“前一內(nèi)前一內(nèi)不發(fā)送幀不發(fā)送幀”和和“后一個內(nèi)只發(fā)送后一個內(nèi)只發(fā)送個幀個幀”這兩事件同這兩事件同時發(fā)生的概率，則成功概率為：時發(fā)生的概率，則成功概率為： 成功概率也即系統(tǒng)成功概率也即系統(tǒng)吞吐率吞吐率： 2c(0)(1)eGPPPG2ceGSPGALOHA系統(tǒng)的系統(tǒng)的S-G特性曲線特性曲線 課件制作

32、人：陳偉 劉會衡1非時隙非時隙ALOHAn ALOHA系統(tǒng)的幀傳輸時延通常用時延吞吐特性來系統(tǒng)的幀傳輸時延通常用時延吞吐特性來描述。描述。n 定義幀定義幀傳輸時延傳輸時延D是從一個幀發(fā)送到被接收節(jié)點成是從一個幀發(fā)送到被接收節(jié)點成功接收為止的一段時間間隔。功接收為止的一段時間間隔。 n 歸一化的幀傳輸時延歸一化的幀傳輸時延D可表示為可表示為 式中，第一項是成功傳輸?shù)囊淮螝w一化時延；第二式中，第一項是成功傳輸?shù)囊淮螝w一化時延；第二項是歸一化的傳播時延項是歸一化的傳播時延 ，第三項是由于碰撞而，第三項是由于碰撞而引起引起E次重傳所引起的時延次重傳所引起的時延 ，其中是每次重傳所需，其中是每次重傳所需

33、的平均時延。問題歸結(jié)為求的平均時延。問題歸結(jié)為求E和和 。 1DaE pfatt課件制作人：陳偉 劉會衡1非時隙非時隙ALOHA 不難得出一個幀的平均發(fā)送次數(shù)就等于不難得出一個幀的平均發(fā)送次數(shù)就等于G/S。拋去。拋去成功的一次，則平均重傳次數(shù)為：成功的一次，則平均重傳次數(shù)為： 實際中通常采用的一種簡單重傳策略是：當(dāng)發(fā)送站實際中通常采用的一種簡單重傳策略是：當(dāng)發(fā)送站檢出自己發(fā)送的幀出錯后，立即計算一個在檢出自己發(fā)送的幀出錯后，立即計算一個在1, K區(qū)間區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)k，據(jù)此延遲，據(jù)此延遲ktf秒后再重傳被碰秒后再重傳被碰撞的幀撞的幀，則歸一化后的平均一次重傳時延為，則歸

34、一化后的平均一次重傳時延為 ： 最后有：最后有： 2() 1e1GEG S 12Ka211(e1)2GKDaa 課件制作人：陳偉 劉會衡2時隙時隙ALOHAn 前述非時隙前述非時隙ALOHA系統(tǒng)只給出了約系統(tǒng)只給出了約0.184的最大吞的最大吞吐率。為了提高吞吐率，需要設(shè)法減少各節(jié)點發(fā)送幀吐率。為了提高吞吐率，需要設(shè)法減少各節(jié)點發(fā)送幀時發(fā)生沖突的機會。時發(fā)生沖突的機會。 n 時隙時隙ALOHA系統(tǒng)系統(tǒng)(簡記為簡記為S-ALOHA)的吞吐率比非的吞吐率比非時隙時隙ALOHA系統(tǒng)的確實提高了一倍。系統(tǒng)的確實提高了一倍。 n S-ALOHA系統(tǒng)的幀傳輸時延系統(tǒng)的幀傳輸時延D。 11.5(e1) 0.

35、52GKDaa課件制作人：陳偉 劉會衡4.2.3 隨機接入隨機接入CSMA/CDn 要進一步提高系統(tǒng)吞吐率，還應(yīng)進一步設(shè)法減少要進一步提高系統(tǒng)吞吐率，還應(yīng)進一步設(shè)法減少節(jié)點間發(fā)送沖突的概率。節(jié)點間發(fā)送沖突的概率。n 為此，除了縮小易損區(qū)間為此，除了縮小易損區(qū)間(這也是有限度的這也是有限度的)外，外，還可以從減少發(fā)送策略的盲目性著手，在發(fā)送之前還可以從減少發(fā)送策略的盲目性著手，在發(fā)送之前進行進行“載波監(jiān)測載波監(jiān)測”來確定信道忙閑狀態(tài)，然后再決來確定信道忙閑狀態(tài)，然后再決定幀發(fā)送與否定幀發(fā)送與否 ，即，即載波偵聽多址接入載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access，

36、CSMA)方式。方式。 課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA的基本原理的基本原理 任一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在它有幀欲發(fā)送之前，先監(jiān)測一任一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在它有幀欲發(fā)送之前，先監(jiān)測一下廣播信道中是否存在別的節(jié)點正在發(fā)送幀的載波下廣播信道中是否存在別的節(jié)點正在發(fā)送幀的載波信號。如果監(jiān)測到這種信號，說明信道正忙，否則信號。如果監(jiān)測到這種信號，說明信道正忙，否則信道是空閑的。然后，根據(jù)預(yù)定的控制策略來決定：信道是空閑的。然后，根據(jù)預(yù)定的控制策略來決定： (1)若測得信道是閑的，應(yīng)該立即將自己的幀發(fā)若測得信道是閑的，應(yīng)該立即將自己的幀發(fā)送出去還是為慎重起見暫時不發(fā)送出去；送出去還是為慎重起見暫時不發(fā)送出去； (2)若測得

37、信道是忙的，應(yīng)該繼續(xù)堅持監(jiān)測載波若測得信道是忙的，應(yīng)該繼續(xù)堅持監(jiān)測載波還是暫時退避一段時間再監(jiān)測。還是暫時退避一段時間再監(jiān)測。 課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA技術(shù)分類技術(shù)分類 針對這兩種情況的不同處理決策，針對這兩種情況的不同處理決策，CSMA可細分為不同的幾種實現(xiàn)形式：可細分為不同的幾種實現(xiàn)形式： (1) 非堅持型非堅持型CSMA； (2) 1-堅持型堅持型CSMA； (3) p-堅持型堅持型CSMA。 這里主要討論的這里主要討論的CSMA/CD的全稱是的全稱是“帶沖帶沖突檢測的載波偵聽式多址接入方式突檢測的載波偵聽式多址接入方式”，它是，它是1-堅持型堅持型CSMA方式的一種改進形式。方

38、式的一種改進形式。課件制作人：陳偉 劉會衡1-堅持型堅持型CSMA 算法原理算法原理第第1步：新幀進入緩沖器，等待發(fā)送；步：新幀進入緩沖器，等待發(fā)送；第第2步：監(jiān)測信道。若信道空閑，啟動發(fā)送幀，發(fā)完返回步：監(jiān)測信道。若信道空閑，啟動發(fā)送幀，發(fā)完返回第第1步；否則，若信道忙碌，繼續(xù)；步；否則，若信道忙碌，繼續(xù)；第第3步：轉(zhuǎn)至第步：轉(zhuǎn)至第2步步。課件制作人：陳偉 劉會衡不同不同a 值的值的 S-G 特性曲線特性曲線 課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA/CD CSMA/CD控制規(guī)則相對于控制規(guī)則相對于1-堅持型堅持型CSMA增加了增加了如下三點：如下三點： (1)“邊說邊聽邊說邊聽”(LWT)。 (2

39、)“強化干擾強化干擾”(jamming) (3)“基本等待時間基本等待時間”(BWT)。 第第1點保證盡快確知碰撞發(fā)生和盡早關(guān)閉碰撞發(fā)生點保證盡快確知碰撞發(fā)生和盡早關(guān)閉碰撞發(fā)生后的無用發(fā)送，這有利于大大提高信道利用率；后的無用發(fā)送，這有利于大大提高信道利用率； 第第2點可以提高網(wǎng)絡(luò)上所有工作站對于碰撞檢測的點可以提高網(wǎng)絡(luò)上所有工作站對于碰撞檢測的可信度，保證了分布控制的一致性；可信度，保證了分布控制的一致性； 第第3點能大大提高對一個發(fā)送幀的確認概率點能大大提高對一個發(fā)送幀的確認概率。 課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA/CDn 在發(fā)送與檢測策略方面，實用的在發(fā)送與檢測策略方面，實用的CSMA/

40、CD協(xié)議協(xié)議選擇了選擇了1-堅持型方式。堅持型方式。 n 應(yīng)用中的應(yīng)用中的CSMA/CD協(xié)議在傳輸時，采用了附加協(xié)議在傳輸時，采用了附加檢測窗口的確認式控制操作。檢測窗口的確認式控制操作。 n 在退避策略方面，在退避策略方面，CSMA/CD協(xié)議采用一種協(xié)議采用一種“截截斷二進制指數(shù)退避斷二進制指數(shù)退避”(Truncated Binary Exponential Backoff)算法算法 。課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA/CD確認式數(shù)據(jù)傳輸過程確認式數(shù)據(jù)傳輸過程 課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA/CD確認方式的工作流程確認方式的工作流程 課件制作人：陳偉 劉會衡CSMA/CD與其他方式的吞吐性

41、能比較與其他方式的吞吐性能比較 課件制作人：陳偉 劉會衡最大吞吐量最大吞吐量 Smax 與與 a 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 課件制作人：陳偉 劉會衡4.2.4 令牌傳遞接入令牌傳遞接入n 在環(huán)形拓撲的局域網(wǎng)上，基本上都采用令牌傳遞在環(huán)形拓撲的局域網(wǎng)上，基本上都采用令牌傳遞(Token-Passing)方式的媒質(zhì)接入技術(shù)。方式的媒質(zhì)接入技術(shù)。 n “令牌令牌”(Token)，也稱為，也稱為“通行證通行證”或或“標(biāo)記標(biāo)記”，它是用，它是用于分配和調(diào)度共享信道資源的一種控制碼型，是一個網(wǎng)絡(luò)工作于分配和調(diào)度共享信道資源的一種控制碼型，是一個網(wǎng)絡(luò)工作站接入并占用媒質(zhì)資源的權(quán)力象征。站接入并占用媒質(zhì)資源的權(quán)力象征。 n 令牌的忙或閑狀態(tài)代表信道是否空閑以供節(jié)點站接入使用。令牌的忙或閑狀態(tài)代表信道是否空閑以供節(jié)點站接入使用。 n Token-Passing接入方式接入方式 ，理論上可使最大信道利用率達到，理論上可使最大信道利用率達到100。 n 采用令牌傳遞技術(shù)的環(huán)形網(wǎng)稱為令牌