ch8_多址接入150529-zhl

1、多址接入网络性能分析多址接入网络性能分析 主要内容n多址接入协议概述n随机多址接入协议n载波侦听型多址协议主要内容n多址接入协议概述n随机多址接入协议n载波侦听型多址协议多址接入协议概述（1）n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、分组无线电网等多址接入协议概述（2）n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。n所谓多址接入协议（Multiple Access Protocol）就是在一个网络中，

2、解决多个用户如何高效共享一个物理链路资源的技术。n多址协议应尽量避免用户之间的碰撞，并使信道利用率最高。多址接入协议概述（3）n从分层的角度来看，多址技术是数据链路层的一个子层，一般称为介质访问控制子层MAC层。该层用于在各种通信节点中分配多路访问介质，仲裁介质的使用权，即规定站点何时可以使用通信介质 。nMAC层将有限的资源分配给多个用户，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。多址协议的分类（1）n固定分配多址接入协议：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）

3、，用户独享该资源，直到通信结束。n随机分配多址接入协议：是指用户可以随时接入信道，随机分配多址接入协议：是指用户可以随时接入信道，并且可能不会顾及其它用户是否在传输。当信道中同时并且可能不会顾及其它用户是否在传输。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（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。常重要的问题。n基于预约方式的多址接入协议：是指在数据分组传输之前，先进

4、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。多址协议的分类（2）多址接入协议系统模型（1）n从排队论的观点出发，多址信道可以看成一个多进单出的排队系统（即该系统有多个输入而仅仅有一个输出）。n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。n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。多址接入协议系统模型（2）多址

5、接入协议系统模型（3）n用户到达是随机的n目标：协调用户的传输，有效地使用信道多址接入协议系统模型（4）：n同步特性。通常用户是可以在任意时刻接入信道，但也可以以时隙为基础接入信道。在基于时隙的系统中，用户只有在时隙的起点才能接入信道。在这种系统中，要求全网有一个统一的时钟，同时将时间轴划分成若干个相等的时间段，称之为时隙。系统中所有数据的传输开始点都必须在一个时隙的起点。n反馈和应答机制，是用户获得信道状态的途径。这里都假设用户（节点）可以获得信道的反馈信息，即信道是空闲、碰撞还是进行了一次成功传输。n数据产生模型。所有的用户都按照泊松过程独立地产生数据。主要内容n多址接入协议概述n随机多址

6、接入协议n载波侦听型多址协议随机多址接入协议n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。n随机多址接入协议又可细分为完全随机多址接入协议（ALOHA协议）和载波侦听型多址接入协议。性能分析性能分析主要关心：一个是稳态情况下系统的通过率和时延性能，主要关心：一个是稳态情况下系统的通过率和时延性能，另一个是系统的稳定性。另一个是系统的稳定性。ALOHA协议(1)nALOHA协议是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。其基本思想是：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

7、和其它节点发生碰撞。n为了分析随机多址接入协议的性能，假设系统是由m个发送节点组成的单跳系统，信道是无差错及无捕获效应的信道，分组的到达和传输过程满足如下假定：1.各个节点的到达过程为独立的、参数为/m的Poisson到达过程，系统总的到达率为。ALOHA协议(2)2.在一个时隙或一个分组传输结束后，信道能够立即给出当前传输状态的反馈信息。反馈信息为“0”表明当前时隙或信道无分组传输，反馈信息为“1”表明当前时隙或信道仅有一个分组传输（即传输成功），反馈信息为“e”表明当前时隙或信道有多个分组在传输，即发生了碰撞，导致接收端无法正确接收。3. 碰撞的节点将在后面的某一个时刻重传被碰撞的分组，直

8、至传输成功。如果一个节点的分组必须重传，则称该节点为等待重传的节点。ALOHA协议(3)纯ALOHA中，帧传输完全是在任意时间进行的ALOHA协议(4)4.对于节点的缓存和到达过程作如下假设:n假设A：无缓存情况。在该情况下，每个节点最多容纳一个分组。如果该节点有一个分组在等待传输或正在传输，则新到达的分组被丢弃且不会被传输。在该情况下，所求得的时延是有缓存情况下时延的下界（Low Bound）。n假设B： 系统有无限个节点 （m= ）。 每个新产生的分组到达一个新的节点。这样网络中所有的分组都参与竞争，导致网络的时延增加。因此，在该假设情况下求得的时延是有限节点情况下的时延上界 （Up Bo

9、und）。纯ALOHA协议(1)纯ALOHA协议是最基本的ALOHA协议。只要有新的分组到达，就立即被发送并期望不与别的分组发生碰撞。一旦分组发生碰撞，则随机退避一段时间后进行重传。纯ALOHA协议(2)n如果从数据分组开始发送的时间起点到其传输结束的这段时间内，没有其它数据分组发送，则该分组就不会和其它分组发送碰撞。n在什么情况时图中阴影部分表示的数据分组（在t0+t时刻产生的分组）可以不受任何干扰的发送呢？ n为了便于分析，假设系统中所有分组的长度相等，传输数据分组所需的时间定义为系统的单位时间，为了简化描述，令该值等于t，并在下面的分析中令其等于1。纯ALOHA协议(3)n将时间区间t0

10、 , t0 + 2t称为阴影分组（在t0 + t时刻产生的分组）的易受破坏区间。n 很显然，在纯ALOHA协议中，只有在数据分组的易受破坏区间内没有其它分组传输，则该分组可以成功传输。n为了分析方便，设系统有无穷多个节点（假设B），假定重传的时延足够随机，重传分组和新到达分组合成的分组流是到达率为G的Poisson到达过程。则在纯ALOHA系统中，一个分组成功传输的概率，就是在其产生时刻前一个时间单位内没有分组发送，并且在该分组产生时刻的后一个时间单位内仅有一个分组发送的概率纯ALOHA协议(4)n根据泊松公式，在单位时间内，产生k个分组的概率是n 则根据上面的分析，可以得到在纯ALOHA系统

11、中，分组成功传输的概率纯ALOHA协议(5)n在单位时间的意义上，系统分组成功发送的概率即为系统的通过率n 对上式求最大值，可得系统的最大通过率为n 对应的G = 0.5纯ALOHA协议(6)n纯ALOHA（P-ALOHA）是一种完全随机的多址方式，全网不需要定时和同步，各站发射时间是完全随机的。n当终端数目不多时，系统能够很好地工作，并具有一定的抗干扰能力。n而当终端数目很多，传输业务繁忙时，发生碰撞的概率增大，信道的传输效率就降低，最高只能达到18.4，且存在潜在不稳定性。 时隙ALOHA协议(1)n从前面的描述中可以看到，在纯ALOHA协议中，节点只要有分组就发送，易受破坏区间为两个单位

12、时间。如果缩小易受破坏区间，就可以减少分组碰撞的概率，提高系统的利用率。基于这一出发点，提出了时隙时隙ALOHA协议：协议：n时隙ALOHA系统将时间轴划分为若干个时隙，所有节点同步，各节点只能在时隙的开始时刻才能够发送分组，时隙宽度等于一个分组的传输时间，当一个分组到达某时隙后，它将在下一时隙开始传输，并期望不会与其它节点发生碰撞。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。碰撞的分组将在以后的时隙中重传。很显然，此时的易受破坏区间长度减少为一个单位时间（时隙）。时隙ALOHA协议(2) 利

13、用前面的假设条件，并假定系统有无穷多个节点利用前面的假设条件，并假定系统有无穷多个节点(假假设设B)。 从图中可以看出在一个时隙内到达的分组包括两个部分：从图中可以看出在一个时隙内到达的分组包括两个部分：一部分是新到达的分组，另一部分是重传的分组。设新到一部分是新到达的分组，另一部分是重传的分组。设新到达的分组是到达率为达的分组是到达率为(分组数分组数/时隙时隙)的的Poisson过程。假过程。假定重传的时延足够随机化，这样就可以近似地认为重传分定重传的时延足够随机化，这样就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组的到达过程和新分组的到达过程之和是到达率为G( )的的

14、Poisson过程。过程。时隙ALOHA协议(3)ALOHA协议的通过率曲线时隙ALOHA协议(4)n若干个终端用纯ALOHA随机接入协议与远端主机通信。信道速率为2.4kb/s。每个终端平均每3分钟发送一个帧，帧长为200bit，问系统中最多可容纳多少个终端？若采用时隙ALOHA协议，其结果又如何？时隙ALOHA协议稳定性分析(1)时隙ALOHA协议稳定性分析(2)时隙ALOHA协议稳定性分析(3)n为了分析系统的动态行为，先采用假设A（无缓存的情况）来进行讨论。时隙ALOHA的行为可以用离散时间马尔可夫链来描述，其系统的状态为每个时隙开始时刻等待重传的节点数。时隙ALOHA协议稳定性分析(

15、4)时隙ALOHA协议稳定性分析(5)时隙ALOHA协议稳定性分析(6)时隙ALOHA协议稳定性分析(7)时隙ALOHA协议稳定性分析(8)时隙ALOHA协议稳定性分析(9)时隙ALOHA协议稳定性分析(10)时隙ALOHA协议稳定性分析(11)主要内容n多址接入协议概述n随机多址接入协议n载波侦听型多址协议载波载波侦听型多址协议(1)nCSMA是从ALOHA协议演变出的一种改进型协议，它采用了附加的硬件装置，每个节点都能够检测（侦听）到信道上有无分组在传输。如果一个节点有分组要传输，它首先检测信道是否空闲，如果信道有其他分组在传输，则该节点可以等到信道空闲后再传输，这样可以减少要发送的分组与

16、正在传输的分组之间的碰撞，提高系统的利用率。nCSMA协议可细分为几种不同的实现形式：n非坚持型（Non-persistent）CSMAn1-坚持型CSMAn p-坚持型CSMA载波载波侦听型多址协议(2)n非坚持型CSMA：指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则分组的发送将被延迟，且节点不再跟踪信道的状态（即节点暂时不检测信道），延迟结束后节点再次检测信道状态，并重复上述过程，如此循环，直到将该分组发送成功为止n1-坚持型CSMA：指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则该节点一直坚持检测信道状态，直至检测到信道空闲后，立即发送该分组。n p

17、-坚持型CSMA：指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则该节点一直检测信道的状态，在检测到信道空闲后，以概率p发送该分组非时隙CSMA多址协议（1）n非时隙CSMA协议的工作过程如下：当分组到达时，如果信道空闲，则立即发送该分组；如果信道忙，则分组被延迟一段时间后，重新检测信道。n如果信道忙或发送时与其它分组碰撞，则该分组变成等待重传的分组。每个等待重传的分组将重复地尝试重传，重传间隔相互独立且服从指数分布。其具体的控制算法描述如下：1.若有分组等待发送，则转到第2步，否则处于空闲状态，等待分组到达。2.监测信道：若信道空闲，启动发送分组，发完返回第1步；若信道忙，放

18、弃监测信道，选择一个随机时延的时间长度t开始延时（此时节点处于退避状态）。3.延时结束，转至第1步。非时隙CSMA多址协议（2）时隙CSMA多址协议（1）n时隙CSMA协议把时间轴分成宽度为的时隙（注意：时隙ALOHA中时隙的宽度为一个分组的长度，这里的时隙宽度为载波检测时间）。如果分组到达一个空闲的时隙，它将在下一个空闲时隙开始传输时隙CSMA多址协议（2）n如果某节点的分组到达时，信道上有分组正在传输，则该节点变为等待重传的节点，它将在当前分组传输结束后的后续空闲时隙中以概率qr进行传输时隙CSMA多址协议（3）n我们可以用马尔可夫链来分析时隙CSMA协议的性能。设分组长度为1个单位长度，

19、其总的到达过程是速率为的Poisson到达过程，网络中有无穷多个节点（假设B）。信道状态0、1、e的反馈时延最大为。又设系统的状态为每一个空闲时隙结束时刻等待重传的分组数n，则相继两个状态转移的时间间隔为或1CSMA/CAnCSMA/CA是有冲突避免（Collision Avoidance）的载波侦听型多址接入协议。它是对CSMA的另一种改进方法。通常在无线系统中，一台无线设备不能在相同的频率（信道）上同时进行接收和发送，因而不能采用碰撞检测（CD）技术。因此，只能通过冲突避免的方法来减少冲突的可能性。n在IEEE802.11无线局域网（WLAN）的标准中，就采用了CSMA/CA协议。它不仅支持全连通的网络拓扑，同时支持部分连通的网络拓扑。时隙 CSMA 协议定义在一个状态转移间隔内n的平均变化数为 Dn = E状态转移间隔内到达的分组数-Psucc =E状态转移间隔-Psucc 这里 E状态转移间隔 =P(时隙空闲)+(1+)（1-P(时隙空闲)）=+1 - P(时隙空闲)=+1- e-(1-qr)