信道共享技术

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1、第四章 信道共享技术信道共享：多点接入（多点访问）信道共享：多点接入（多点访问） 。多个用户共享一个公共信道来传输信息。典型结构：典型结构：多点线路、总线网和环形网。解决问题：解决问题：避免多个用户同时使用公用信道，以免发生冲突，产生互相干扰。采用相关技术协调用户对公共信道的使用。常用信道共享技术：常用信道共享技术：随机接入随机接入：ALOHA、CSMA、CSMA/CD受控接入受控接入：轮询信道复用信道复用：FDM、TDM、WDM、CDMA 4.1 随机接入技术：随机接入技术：ALOHA基本思想：基本思想：用户可随机发送信息。产生问题：产生问题：当两个或更多用户同时发送信息时，会产生冲突（碰撞

2、） ，使冲突用户的发送都失败。解决方法：解决方法：对随机发送增加限制，避免或减少冲突发生；及时发现冲突，并加以解决。 随机接入实际上是争用接入，争用胜利者可获得发送权。 起源于夏威夷大学研制的 ALOHA 网（20 世纪 70 年代初） 。是一个无线电广播通信网，采用星型拓扑结构，使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机。无线电信道是一个公用信道，一个站发送的信息可以同时被多个站收到，每个站可随机发送。中心4.1.1 纯纯 ALOHA用于无线信道或总线网络。规则：规则：各站随机发送数据无其他站发送：成功；有其他站发送：产生冲突，各站所发数据被破坏，分别后退等待一段随机时间再重发，直到成功。

3、参见图 4-2。特点：特点：发送控制简单，易于实现，效率低（理论计算吞吐量不足 18%） 。4.1.2 时隙时隙 ALOHA（S-ALOHA）对完全随机发送增加限制。方法：方法：将信道时间划分为若干等长的时间片（时隙 Slot） ，长度为一帧的发送时间；各站按时间片发送，并且只能在每个时隙的开始点发送。若产生冲突，分别退让等待一段时间（随机个数的时间片） ，重发。参见图 4-5。特点：特点：冲突概率减小，效率提高（理论计算吞吐量 37%） 。4.2 随机接入技术随机接入技术: :CSMACSMA 和和 CSMA/CDCSMA/CD是 ALOHA 的改进，用于总线网。4.2.1 CSMACSMA

4、CSMA：载波侦听多点访问、载波监听多点接入（Carrier Sense Multiple Access） 。 载波载波：二进制数据信号。基本思想：基本思想：载波监听载波监听CS：每个站在发送数据前，先监听信道，判断是否有其他站在发送数据（忙或空） 。如在发送（忙） ，则该站就暂不发送数据，减少冲突发生。多路访问多路访问MA：多个站点共享同一信道发送信息。也叫“先听后讲”LBT(Listen Before Talk)。冲突判断：冲突判断：发送站点在发完后要等待一段时间 2，如果没有收到确认，发生冲突，随机延迟一个时间，重发该帧。：端端传播时延。网络中最远两个站点间的传输时间。与 ALOHA 比

5、：增加载波监听装置，功能是“发送前监听发送前监听” 。有三种不同的形式：非坚持 CSMA、1 坚持 CSMA、 p 坚持CSMA。1、非坚持、非坚持 CSMA 发前先监听信道“忙”：不坚持听，等待随机时间后重新再监听；“空”：立即发送信息。可采用划分“时隙”的方法，在每个“时隙”开始处发送帧。特点：特点：减少冲突，不能及时发现信道变“空” ，信道利用率不高。NNYYY载波监听载波监听延迟到下一时隙延迟到下一时隙收到收到 ACK发送发送等待等待 2 延迟一个随机时间延迟一个随机时间N有待发有待发帧帧结结束束Y信道忙信道忙N非坚持非坚持CSMAY信道忙信道忙N1-坚持坚持CSMA2、1- -坚持坚

6、持 CSMA发前先监听信道“忙”：继续坚持听，直到信道“空” ；“空”：立即发送信息。特点：特点：争取及早发送数据，减少信道空闲时间，保持较高利用率；仍有可能冲突（多个站同时监听到信道“空”立即发送） 。3、p - - 坚持坚持 CSMA是 1-坚持 CSMA 和非坚持 CSMA的折中，减少冲突，减少空闲。发前先监听信道“忙”：继续听，直到信道“空” ；“空”：以概率 p 发送数据，以概率（1-p）延迟一段时间 ，重新监听信道。当 p=1 时，为 1-坚持 CSMA。YY信道忙信道忙N选择选择 01 间间 随机数随机数 II p延迟延迟 Np 坚持坚持CSMACSMA 问题：问题：在发前监听，

7、减少冲突。但由于传播时延的存在，仍有可能出现冲突，并造成信道浪费。4.2.2 CSMA/CD在 CSMA 基础上增加“冲突检测 CD” （Collision Detection）功能。冲突检测：冲突检测：边发送边监听，即站点在发送同时进行监听，一旦检测到冲突，就立即停止发送。以便尽快重发，缩短无效传送时间，提高信道的利用率。“边说边听”LWT（Listen With Talk） 。1 1、规则（工作原理）：、规则（工作原理）：发前先听“空”：立即发送；“忙”：继续听，直到信道空，立即发送；发送期间继续监听，若发现冲突，立即停止对数据的发送，并发送一串“阻塞码” ，退让等待一段时间，再重发。 A

8、B2、冲突检测方法、冲突检测方法（1 1）检查接收信号的电压大小：）检查接收信号的电压大小：在基带传输系统中，当两帧的信号在信道上迭加时，电压摆动值要比正常值大。如果接收信号的电压摆动值超过某一门限值，即发生了冲突。NY延迟一个延迟一个 随机时间随机时间N有待发有待发帧帧NY 冲突冲突发送发送Y信道忙信道忙发发“阻塞码阻塞码”重发次数太重发次数太 多放弃发送多放弃发送出口出口对站点间的最大距离有一定的限制。若两个站离得很远，信号传播时衰减很多，可能使冲突迭加信号的电压摆动值不超过门限值，无法判断出现了冲突。（2 2）判断曼彻斯特编码信号：）判断曼彻斯特编码信号：曼彻斯特编码，每一位中间必有跳变

9、，即电压的过零点是在每一位的正中央。发生冲突时，迭加的过零点将在其他地方出现。可以此判断是否发生冲突。（3 3）边发送边接收：）边发送边接收：将发送的信息与从信道上收到的信息逐位进行比较，若不一致，有冲突存在。通常，通过一些硬件设备来检测冲突。3、冲突碎片及检测、冲突碎片及检测冲突碎片：发送方在检测到冲突前已发出的部分信息， “有头无尾” 。接收方收到后，应将其丢弃。冲突碎片检测：规定一个“帧的最小长度” ，若收到的帧长小于“最小帧长” ，是碎片。4 4、帧的最小长度、帧的最小长度最小帧长作用：检测碎片；检测冲突：保证发送方在发完信息之前，能检测出是否冲突。最小帧要足够长，太短，发送方来不及检

10、测到冲突就已发送完，无法检测出冲突。与争用期有关。争用期：争用期：从发送开始到发生冲突所占用的时间。设总线两端分别为 A 站、B 站，端端传播时延 。A 先发送，信号快传到 B 时，B 发送B 发现冲突时间：很快（） ，停发，并发送一个强化冲突的干扰信号（持续时间为 Tj） ；A 发现冲突时间：要等到冲突信号传到 A 后，才测出发生冲突，经过时间为 Tb，停发，并发送一个强化冲突的干扰信号（Tj）信道被占用的时间（争用期）信道被占用的时间（争用期）：Tb+Tj +Tb 大小：大小： A、B 几乎同时发送，Tb=，最小值；B 在 A 数据快到时发送，Tb=2，最大值；即争用期最小值 2+Tj，最

11、大值 3+Tj。最小帧长最小帧长：争用期内所传位数争用期争用期数据传输率数据传输率5、退让重发算法、退让重发算法冲突后，退让一段时间再重发。以太网确定退让时间方法：截断二进制指数退避算法截断二进制指数退避算法基本退让时间（时间片）：2； 第 i 次冲突后退让时间： r 2r 与次数有关，是 0 到 2k-1 间的一个随机整数。k=Min i，10如：第一次冲突产生后，每个站点等待 0 或 1 个时间片后重新发送；第二次冲突产生后，从 0、1、2、3 中取一个随机数，为等待的时间片数；冲突次数小于 10 时，随冲突次数的增加而延长。冲突次数达 10 次后，随机等待的最大时间片数固定为 1023。

12、当重发 16 次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。 4.3 受控接入受控接入各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。集中式控制：集中式控制：如，多点线路轮询。即主机按一定顺序逐个询问各用户有无信息发送。有：被询问的用户立即发送信息；无：询问下一站。分散式控制：分散式控制：如，令牌环形网。环路中有一个特殊的帧（令牌） 。 “令牌”沿环路逐站传递，只有获得“令牌”的站才有权发送信息，当信息发送完后，将“令牌”传递给下一个站。1 1、轮叫轮询、轮叫轮询网络拓扑如图。共有 N 个站点，主机作为中央控制器。工作过程：工作过程：主机通过“轮询帧”依次询问各站：有数据发：发送“数据帧” ；数据帧

13、 控制帧主机主机12N轮询帧 数据帧无数据发：发送“控制帧” ，表示无数据可发。主机主动发数据给各站。轮询顺序轮询顺序： 12N 缺点：增加帧的等待时延；开销较大。2、传递轮询、传递轮询两条输入线： 接收主机发来的“数据帧” ；接收相邻站发送的“控制帧”工作原理：工作原理：主机先向最远站发出“轮询帧”有数据发：发送“数据帧” ，发完，将发送权转给前一站（“控制帧” ） ；无数据发：将发送权转给前一站（“控制帧” ）最前站发送完数据时，将发送权重新给主机。轮询顺序轮询顺序 ： NN-1 213 3、传递轮询与轮叫轮询比较：、传递轮询与轮叫轮询比较：同等条件下：传递轮询的帧时延小于的轮叫轮询的时延

14、；站间距离大，传递轮询比轮叫轮询好；控制帧数据帧 控制帧主机主机1 2N-1轮询帧 数据帧N站间距离小、通信量大时，两者差别不大；传递轮询技术复杂，不常用。 4.4 信道复用信道复用1、频分多路复用、频分多路复用 FDM：按频率划分不同信道。2、时分多路复用、时分多路复用 TDM：按时间划分不同信道。同步 TDM ：时间片固定分配；异步 TDM：时间片按需动态分配；3、波分多路复用、波分多路复用光的频分复用。光纤中同时传多个频率（波长）很接近的光载波信号。例：同时传 8 路光载波信号。每路传输速率均为 2.5 Gbit/s（波长均为 1310 nm） ，经光的调制后，分别将波长变换到 1550

15、 1557 nm（每个光载波相隔 1 nm，实际中一般间隔是 0.8 或 1.6 nm） 。4 4、码分多路复用、码分多路复用 CDMA（码分多址）（码分多址）最初：用于军事通信，信号抗干扰能力强；目前：用于移动通信、移动设备连网等。基本原理：基本原理：每一个用户在同一时间使用相同频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，之间不会互相干扰。（1）每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔（码片） ，m 为 64 或128；（2）每个站分配一个唯一的 m bit 码片序列发“1”：发送自己的 m bit 码片序列；发“0”：发送自己的 m bit 码片序列反码；（3）任意两个码片序列 S、T 相互正交，即内积为 0；每一个码片序列规格化内积为 1。ST=(S1T1+S2T2+SmTm)/m =0；SS =(S1S1+S2S2+SmSm)/m =1例：码片序列 S：00011011（-1-1-1+1+1-1+1+1）发“1”：00011011；发“0”：11100100码片序列 T：00101110（-1-1+1-1+1+1+1-1）ST =(1+1-1-1+1-1+1-1)/8=0SS =(1+1+1+1+1+1+1+1)/8=1