水声通信组网技术第四讲 水声网络多址接入教材

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1、*第四讲 水声网络的多址接入1 第四讲第四讲 水声网络的多址接入水声网络的多址接入 1. 多址接入协议概述 2. 多址接入协议的分类 3. 多址接入信道模型 4. 各种多址接入协议 固定多址接入协议 随机多址接入协议 预约多址接入协议 5. 水下通信网络的多址接入协议 *第四讲 水声网络的多址接入2 1.1.多址接入协议概述多址接入协议概述 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。 *3 1. 1. 多址接入协议概

2、述多址接入协议概述 第四讲 水声网络的多址接入 *第四讲 水声网络的多址接入4 1.1.多址接入协议概述多址接入协议概述 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。 *第四讲 水声网络的多址接入5 1.1.多址接入协议概述多址接入协议概述 MACMAC层在通信协议中的位置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

3、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。 *第四讲 水声网络的多址接入6 vv水声网络的通用协议栈结构的演化水声网络的通用协议栈结构的演化 节点A 节点B 自组织网协议栈的演化 自组织网协议栈结构 1.1.多址接入协议概述多址接入协议概述 MACMAC层在通信协议中的位置层在通信协议中的位置 *第四讲 水声网络的多址接入

4、7 1.1.多址接入协议概述多址接入协议概述 MACMAC层在通信协议中的位置层在通信协议中的位置 *第四讲 水声网络的多址接入8 2. 2. 多址协议的分类多址协议的分类 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 *第四讲 水声网络的多址接入9 2. 2. 多址协议的分类多址协议的分类 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。 *第四讲 水声网络的多址接入10 2. 2. 多址协议的分类多址协议的分类 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

5、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。 *第四讲 水声网络的多址接入11 2. 2. 多址协议的分类多址协议的分类 所谓基于预约的多址接入协议，是指在数 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。 *第四讲 水声网络的多址接入12 2. 2. 多址协议的分类多址协议的分类 *第四讲 水声网络的多址接入13 3. 3. 系统模型系统模型 从排队论的观点出发，多址信道可以看成一个多 进单出

6、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。 *第四讲 水声网络的多址接入14 (a) 多址信道； (b) 理想的多址协议 *第四讲 水声网络的多址接入15 用户数据随机到达 *第四讲 水声网络的多址接入16 *第四讲 水声网络的

7、多址接入17 4.14.1固定分配多址接入协议固定分配多址接入协议 频分多址接入频分多址接入 时分多址接入时分多址接入 码分多址接入码分多址接入 空分多址接入空分多址接入 *第四讲 水声网络的多址接入18 4.1 4.1 固定分配多址接入协议固定分配多址接入协议 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

8、 ）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA） 及空分多址（SDMA）等。 *第四讲 水声网络的多址接入19 频分多址接入频分多址接入 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。 *第四讲 水声网络的多址接入20 频分多址接入频分多址接入 *第四讲 水声网络的多址接入21 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

9、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： 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 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。 *第四讲 水声网络的多址接入22 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

10、时隙分配原则，使每个用户只能在指定 的时隙内发送。 时分多址接入时分多址接入 *第四讲 水声网络的多址接入23 时分多址接入时分多址接入 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。 *第四讲 水声网络的多址接入24 *第四讲 水声网络的多址接入25 每个用户具有特定的地址码 用户通过地址码的正交性来进行区分 码分多址通常伴随着扩频通信 码分多址接入码分多址接入 *第四讲 水声网络的多址接入26 将空间分割构成不同的信道，从而实现频率 的重复使用。 一颗卫星使用多个天线，各个天线的波束射 向地球表面的不同区域、地面上不同地区

11、的 地球站，它们在同一时间、即使使用相同的 频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。 空分多址接入空分多址接入 *第四讲 水声网络的多址接入27 4.24.2随机多址接入协议随机多址接入协议 ALOHA ALOHA CSMACSMA CSMA/CDCSMA/CD IEEE 802.11IEEE 802.11协议协议 (CSMA/CA)(CSMA/CA) *第四讲 水声网络的多址接入28 随机多址接入协议随机多址接入协议 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

12、议） 载波侦听型多址接入协议 我们主要关心两个方面的问题： 稳态情况下系统的通过率和时延性能 系统的稳定性 *第四讲 水声网络的多址接入29 ALOHAALOHA协议协议 ALOHA协议是上世纪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。 基本思想：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。如果发生碰撞, 则在一个随机时延后重传 。 *第四讲 水声网络的多址接入30 纯纯ALOHAALOHA协议协议 纯ALOHA协议基于用户对媒介的随机接入。当 用户有信息要发送时，它就立即发送 如果接收用户正确接收数据，则发回

13、确认信息 （ACK：acknowledgement） 如果发送用户没有收到ACK，则等待随机时间 后重发。 *第四讲 水声网络的多址接入31 时隙时隙ALOHAALOHA协议协议 时隙ALOHA协议是ALOHA协议的改进方法，是 Roberts提出的。 在这种方法中，时间划分为时隙，网络中的每个 节点的时钟依据这些时隙同步。 各节点只能在时隙开始点进行传输, 时隙宽度等 于一个分组的传输时间 当一个节点想要发送包时，它要等到下一个时隙 开始时发送。 限制包在时隙传送降低了冲突的发生率。 *第四讲 水声网络的多址接入32 时隙时隙ALOHAALOHA协议协议 *第四讲 水声网络的多址接入33 时

14、隙时隙ALOHAALOHA协议协议 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。 碰撞的分组随机时延若干个时隙后重传, 这 样将有效地避免再次相互碰撞。 *第四讲 水声网络的多址接入34 时隙时隙ALOHAALOHA协议性能分析协议性能分析 在一个时隙内到达的分组包括两部分: 新到达的分组 重传的分组 设新到达的分组是到达率为(分组数/时隙) 的Poisson过程。 假定重传的时延足够随机化 则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() 的Poisson

15、过程 *第四讲 水声网络的多址接入35 系统的通过率S：单位时间内成功传输的分 组数与单位时间内系统能传输的分组数之 比。 若分组的长度为一个时隙宽度, 则系统的通 过率就是指一个时隙内成功传输所占的比 例(或分组成功传输的概率)。 系统的通过率S又称为离开系统的速率 时隙时隙ALOHAALOHA协议性能分析协议性能分析 *第四讲 水声网络的多址接入36 由于重传分组和新分组的到达过程之和是到达 率为G()的Poisson过程 则，T个时隙内有k个分组到达的概率： 一个时隙内仅有一个分组到达的概率，即分组 成功传输的概率（系统的通过率S） *第四讲 水声网络的多址接入37 时隙ALOHA协议的通过率曲线 S=0.368 * 第四讲 水声网络的多址接入 38 当G=1时, 系统达到最大的通过率为 1/e0.368; 当G1, 则空闲的时隙较多; 当G1,则碰撞较多, 会导致性能下降。 为了达到最佳的性能,应当将G维持在1附近 变化。 在系统的稳态情况下,应当有新分组的到达 率等于系统的离开速率(也即系统的通过率 ),即S=。 时隙时隙ALOHAALOHA协议性能分析协议性能分析 *第四讲 水声网络的多址接入39 假定分组的长度为单位长度