水声通信组网技术第四讲水声网络多址接入

2023/10/9第四讲水声网络的多址接入1第四讲水声网络的多址接入多址接入协议概述多址接入协议的分类多址接入信道模型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水下通信网络的多址接入协议2023/10/9第四讲水声网络的多址接入21.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。2023/10/931.多址接入协议概述第四讲水声网络的多址接入2023/10/9第四讲水声网络的多址接入41.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（MultipleAccessProtocol）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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入51.多址接入协议概述

——MAC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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入6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.多址接入协议概述

——MAC层在通信协议中的位置2023/10/9第四讲水声网络的多址接入71.多址接入协议概述

——MAC层在通信协议中的位置2023/10/9第四讲水声网络的多址接入82.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2023/10/9第四讲水声网络的多址接入92.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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入102.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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入112.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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入122.多址协议的分类2023/10/9第四讲水声网络的多址接入133.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。2023/10/9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

2023/10/9第四讲水声网络的多址接入15用户数据随机到达2023/10/9第四讲水声网络的多址接入162023/10/9第四讲水声网络的多址接入174.1固定分配多址接入协议频分多址接入时分多址接入码分多址接入空分多址接入2023/10/9第四讲水声网络的多址接入184.1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）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）及空分多址（SDMA）等。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入19频分多址接入频分多址——FrequencyDivisionMultipleAccess（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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入20频分多址接入2023/10/9第四讲水声网络的多址接入21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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入22时分多址——TimeDivisionMultipleAccess(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2023/10/9第四讲水声网络的多址接入23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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入242023/10/9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2023/10/9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2023/10/9第四讲水声网络的多址接入274.2随机多址接入协议ALOHACSMACSMA/CDIEEE802.11协议(CSMA/CA)2023/10/9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2023/10/9第四讲水声网络的多址接入29ALOHA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。

2023/10/9第四讲水声网络的多址接入30纯ALOHA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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入31时隙ALOHA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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入32时隙ALOHA协议2023/10/9第四讲水声网络的多址接入33时隙ALOHA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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入34时隙ALOHA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λ(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(＞λ)的Poisson过程2023/10/9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ALOHA协议性能分析2023/10/9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(＞λ)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）2023/10/9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=0.3682023/10/9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/e≈0.368;当G＜1,则空闲的时隙较多;当G＞1,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=λ。时隙ALOHA协议性能分析2023/10/9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,分组在t时刻到达并开始传输,则在(t-1,t+1)内任何时刻到达和传输的其他分组都会与t时刻到达的分组发生碰撞。一个分组成功传输的概率,就是在t时刻前后各一个单位时间内无分组到达的概率,即在两个单位时间均无分组到达的概率,其表达式为

系统的通过率为

纯ALOHA协议性能分析2023/10/9第四讲水声网络的多址接入40纯ALOHA协议的通过率曲线

纯ALOHA协议最大通过率为1/2e≈0.184纯ALOHA协议最大通过率是时隙ALOHA协议最大通过率的一半最大通过率对应的G=0.5而不是1.02023/10/9第四讲水声网络的多址接入41纯ALOHAvs.时隙ALOHA纯ALOHA协议的效率只是时隙ALOHA协议的一半纯ALOHA协议的优点是简单且分组长度是可变的,而不像时隙ALOHA协议那样要将分组分解为固定长度纯ALOHA协议初次接入的时延较小。这些优点从某种程度上弥补了通过率上的损失总之，ALOHA协议在网络信息量突增的情况下效率很差。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入42CSMACSMA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正在传输的分组之间的碰撞，提高系统的利用率。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入43CSMA协议可细分为几种不同的实现形式：非坚持型（Non-persistent）CSMA

1-坚持型CSMA

p-坚持型CSMACSMA2023/10/9第四讲水声网络的多址接入44非坚持型CSMA所谓非坚持型CSMA是指当分组到达时，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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入451-坚持型CSMA所谓1-坚持型CSMA是指当分组到达时，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。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入46p-坚持型CSMA所谓p-坚持型CSMA是指当分组到达时，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2023/10/9第四讲水声网络的多址接入47

CSMA/CDCSMA/CD(碰撞检测)通常用于局域网(LAN),如Ethernet中。该网络的特点：所有用户都连接到一个公共电缆上,当一个节点发送分组时,所有节点都可以接收该分组来回传播时延很小,它只占分组长度的很小部分2023/10/9第四讲水声网络的多址接入48

工作过程:当一个节点有分组到达时,它首先侦听信道：若信道空闲,则立即发送分组;否则，连续侦听信道,直至信道空闲后立即发送分组。发送分组的同时监测信道δ秒,以便确定本节点的分组是否与其他节点发生碰撞：若没有发生碰撞,则该节点会无冲突地占用该总线,直至传输结束。否则，停止发送,随机时延一段时间后重复上述过程。CSMA/CD2023/10/9第五讲多址接入机制49隐藏终端和暴露终端问题A的作用范围C的作用范围ABCD当A向B发送数据时，这时C检测不到无线信号，以为B空闲，因而向B发送数据，结果发生碰撞这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题

叫做隐藏终端问题(hiddenstationproblem)

隐藏终端带来的冲突使得通信通信节点需要重发已发送的信息，如果重发后继续有隐藏终端冲突，则网络的通信会陷入一种恶性循环2023/10/9第五讲多址接入机制50隐藏终端和暴露终端问题其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据

这就是暴露终端问题(exposedstationproblem)B的作用范围C的作用范围ADCB？B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。

2023/10/9第四讲水声网络的多址接入51BusyToneABXABXYXOKtotransmitXnotOKtotransmitReceivertransmitsbusytonewhenreceivingdataAllnodeshearingbusytonekeepsilentRequiresaseparatechannelforbusytoneBisreceivingapacketfromA2023/10/9第四讲水声网络的多址接入52RTS/CTSdialogRTS=RequesttoSendRTSAnynodethathearsthisRTSwilldefermediumaccess.Defer2023/10/9第四讲水声网络的多址接入53RTS/CTSDialogCTS=CleartoSendCTSAnynodethathearsthisCTSwilldefermediumaccess.DeferDeferRTS2023/10/9第四讲水声网络的多址接入54RTS/CTSDialogACKDeferDeferData2023/10/9第四讲水声网络的多址接入55IEEE802.11协议(CSMA/CA)IEEE802.11标准是针对无线局域网(WLAN)提出的标准。支持的传输速率有多种,如1Mb/s,2Mb/s,5.5Mb/s,11Mb/s,甚至更高的速率。在该协议中,采用的基本多址技术是CSMA/CA。CA是冲突避免(CollisionAvoidance)。由于一台无线设备不能在相同的信道上同时接收和发送,因而不能采用CD碰撞检测技术。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入56LogicallinkcontrolPointcoordinationfunction(PCF)Distributedcoordinationfunction(DCF)2.4-Ghzfrequency-hoppingspreadspectrum1Mbps2Mbps2.4-Ghzdirectsequencespreadspectrum1Mbps2MbpsInfrared1Mbps2Mbps5-GhzorthogonalFDM6,9.12.18,24,36,48,54Mbps2.4-Ghzdirectsequencespreadspectrum5.5Mbps11MbpsContention-freeserviceContentionserviceMAClayerIEEE802.11IEEE802.11aIEEE802.11bIEEE802.11

协议框架2023/10/9第五讲多址接入机制57WaitforframetotransmitMediumidle?WaitIFSStillidle?TransmitframeWaituntilcurrenttransmissionendsWaitIFSStillidle?ExponentialbackoffwhilemediumidleTransmitframeYesNoNoYesNoYesIEEE802.11MediumAccessControlLogic2023/10/9第四讲水声网络的多址接入58为了尽量避免冲突,IEEE802.11标准给出了三种不同的帧间间隔IFS（InterFrameSpace）:SIFS,即短(Short)IFS,典型的数值只有10μs;PIFS,即点协调功能IFS,比SIFS长,在PCF方式中轮询时使用;DIFS,即分布协调功能IFS,是最长的IFS,典型数值为50μs,在DCF方式中使用。DIFS>PIFS>SIFSIEEE802.11协议(CSMA/CA)2023/10/9第四讲水声网络的多址接入59IEEE802.11标准MAC子层中的一些时间关系(a)基本接入方法；(b)超帧的结构

2023/10/9第四讲水声网络的多址接入60当很多站都在监听信道时,使用SIFS可具有最高的优先级,因为它的时间间隔最短。SIFS用在以下场合:

·发送“确认帧ACK”。只要收到的不是多播帧或广播帧,就要向发送方响应一个确认帧ACK。确认帧应当具有更高的优先级。当一个较长的LLC帧需要划分为多个MAC帧来发送时,发送方只要收到一个ACK就接着发送下一帧。确认帧使用SIFS可使发送方能够继续控制信道,直到整个LLC帧发送完毕。

·发送“允许发送帧CTS”。这样可保证原来发送“请求发送帧RTS”的节点能够优先发送数据帧。所有收到CTS帧的节点都要推后发送自己的数据。

·发送轮询的应答帧。IEEE802.11协议(CSMA/CA)2023/10/9第四讲水声网络的多址接入61CSMA/CA的基础是载波侦听，载波侦听(CS)包含两部分：物理载波侦听(PhysicalCS)物理层对接收天线接收的有效信号进行监测，探测到有效信号，认为信道忙虚拟载波侦听(VirtualCS)利用网络分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)来实现NAV中存放的是介质信道使用情况的预测信息结点监听到的信道上的信号，用其MAC帧中Duration(持续时间字段)声明的传输时间来更新NAV冲突避免（CA）结点通过载波侦听发现信道忙，保持静默，并延时传输采用的随机退避(back-off)机制，进一步减小冲突IEEE802.11协议(CSMA/CA)2023/10/9第四讲水声网络的多址接入62虚拟载波侦听NAV可以看做一个以某个固定速率递减的计数器：当值为0时，虚载波监测认为信道空闲不为0时，认为信道忙只有当两种方式都指示为信道“空闲”时，载波监测(CS)才指示信道“空闲”，这时才能发送数据。2023/10/9第四讲水声网络的多址接入63Back-offInterval2023/10/9第四讲水声网络的多址接入64Back-offIntervalWhenthechannelisbusy,chooseaback-offintervalintherange[0,cw]cwiscontentionwindowCountdowntheback-offintervalwhenmediumisidleCount-downissuspendedifmediumbecomesbusyWhenback-offintervalreaches0,transmitRTS2023/10/9第四讲水声网络的多址接入65DynamicContentionWindowBinaryExponentialBack-offin802.11DCF

WhenanodefailstoreceiveCTSinresponsetoitsRTS,itincreasesthecontentionwindowcwisdoubled(uptoanupperbound)Whenanodesuccessfullycompletesadatatransfer,itrestorescwtocwmin2023/10/9第四讲水声网络的多址接入662023/10/9第四讲水声网络的多址接入67IEEE802.11的两种接入方式：分布式协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)使用分布式的基于CSMA/CA的接入机制,各个节点通过竞争获取发送权点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)提供可选优先级的无竞争的帧传送IEEE802.11协议(CSMA/CA)2023/10/9第四讲水声网络的多址接入68IEEE802.11DCFDCF有两种工作方式：基本工作方式DATA-ACKRTS/CTS机制工作方式RTS-CTS-DATA-ACK2023/10/9第四讲水声网络的多址接入69IEEE802.11DCF基本工作方式采用两次握手机制，又称ACK机制，是一种最简单的握手机制当接收方正确地接收帧后，就会立即发送确认帧(ACK)发送方收到该确认帧，就知道该帧已成功发送如果媒体空闲时间大于或等于DIFS，就传输数据，否则延时传输2023/10/9第四讲水声网络的多址接入702023/10/9第四讲水声网络的多址接入71为了避免隐藏终端问题,发送站和接收站之间以握手的方式对信道进行预约采用四次(Four-way)握手机制:RTS—CTS—DATA—ACK发送节点A先发送一个请求发送帧(RTS,RequestToSend)接收节点B在收到RTS后,发送一个允许发送的应答帧(CTS,ClearToSend)IEEE802.11DCFRTS/CTS机制2023/10/9第四讲水声网络的多址接入72RTS和CTS的传输过程

IEEE802.11DCFRTS/CTS机制2023/10/9第四讲水声网络的多址接入73在RTS和CTS帧中均包括要发送分组的长度CTS帧有两个作用：表明接收节点B可以接收发送节点A的帧禁止B的邻节点发送,从而避免隐藏终端的影响

RTS和CTS帧很短,分别为20和14字节。而数据帧最长可达2346字节相比之下,RTS和CTS引入的开销不大IEEE802.11DCFRTS/CTS机制2023/10/9第四讲水声网络的多址接入74S2S1RS2S1RXXChannelBusyDIFSChannelIdleDIFS:DCFInter-FrameSpaceRTSSIFS:ShortInter-FrameSpaceCTSSIFSNAVNAVSIFSDATASIFSACKB2=9B1=5cw=15RTSB2=4B1=7DIFSChannelIdleIEEE802.11DCFRTS/CTS机制2023/10/9第四讲水声网络的多址接入75RTS/CTS的握手机制并不能保证碰撞完全不发生。X和A同时向B发送RTS帧,发生碰撞.使得B收不到正确的RTS帧，不会发送后续的CTS帧。ABXRTSRTSIEEE802.11DCFRTS/CTS机制2023/10/9第五讲多址接入机制76B的作用范围C的作用范围ADCB？B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。

暴露终端问题没有解决2023/10/9第四讲水声网络的多址接入77RTS/CTS机制的不足使用RTS/CTS帧会使整个网络的效率有所下降但这两种控制帧都很短，其长度分别为20字节和14字节，与数据帧(最长可达2346字节)相比开销不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多不能用于具有广播或多播地址的MPDURTS帧具有多个目的地址，相应地，会有多个CTS帧回应2023/10/9第四讲水声网络的多址接入78IEEE802.11DCFRTS/CTS机制IEEE802.11设计了三种情况供用户选择：采用RTS/CTS机制普通单播数据