第11讲多址技术2.ppt

无线通信工程,姚彦教授 厦门大学通信工程系 2007年11-12月,第11讲：多址技术（2）,有冲突多址接入 ALOHA方式 CSMA方式 无中心多址接入,有冲突多址接入,什么场合用到有冲突多址接入？,在无冲突多址接入系统中，用户发起呼叫往往采用有冲突多址接入方式，称为RACH信道。 在无线分组网中，各个用户的突发数据往往以有冲突方式接入信道，实现多址。,无线分组网概念,无线分组网是一种分组交换网，采用分组交换而不是电路交换。 无线分组网利用无线信道的特点，具有广播通信的性质，可以同时把分组数据分发给多个用户。用户对信道的访问是随机的。 传输速率可以较高，但延时也较大。 无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用前景。,空中接口的协议体系,空中接口是无线分组网的核心问题之一。 空中接口协议可以分成：物理层（PHL）、介质接入控制层（MAC）、数据链路控制层（DLC）、网络层（NWK）。它们和 OSI模型的低三层有一定关系，但不是严格对应的。,空中接口的协议（1）,物理层 确定无线参数，如；频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。 分配无线资源，如：多址协议等。 在MAC层的控制下进行数据或数据分组的收发。,空中接口的协议（2）,介质接入控制层 介质访问管理：首先选择物理信道，然后在这些信道上建立或释放连接。 数据封装：将控制信息、高层的信息和差错控制信息进行复接（或分接），使之适合在物理信道上传输。 形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。如：广播业务、面向连接的业务和无连接业务等。,空中接口的协议（3）,数据链路控制层 主要功能：为网络层提供非常可靠的数据链路。 可以分为二个平面： 控制平面：保护内部控制信令和有限数量的用户信息。 用户平面：以不同能力保护不同的用户信息。,网络层 主要是信令。 包括：链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务、移动性管理等。,关于介质访问协议,无线信道是公用的，用户以竞争方式发送数据，这样就存在碰撞问题； 用户数越多，碰撞概率越大，接入概率越低，接入时间越长； 为此，就要有个规则，这就是介质访问协议。,有冲突多址接入的性能指标,一般用以下参数来描述 吞吐量（throughput）S：定义为用户成功发送的信息包所占的时间，和总的观察时间的比值。实际上表示信道利用率情况。 呼叫量G：定义为用户需要发送的信息包所占的时间，和总的观察时间的比值。实际上表示业务繁忙情况。 时延D：定义为信息包从开始传送到传送成功所需要的时间。,ALOHA方式,简介,20世纪70年代初，美国夏威夷大学研究小组在解决卫星通信的数据传输问题时提出的一种有冲突接入技术，称为：ALOHA。有以下一些分类： 随机ALOHA方式：又称为纯ALOHA方式，随时发送检测到碰撞重新发送，给每个用户分配不同的重发间隔时间。优点：实现简单，缺点：吞吐量下降。 时隙ALOHA方式：和随机ALOHA类似，但把发送时间划分成等长的时隙，按时隙发送，这样可以减少碰撞机会和重发次数。因而改善吞吐量。 带捕获的时隙ALOHA方式：这是对时隙ALOHA的改进。,工作原理,工作原理（续）,随机ALOHA,随机ALOHA是一个无线分组系统。 每个分组的持续时间对于每个用户来说都是相同的，称为时隙。 每个用户发送分组的时刻是随机的。 如果发生碰撞，则需要重新发送，重新发送的时刻也是随机的。 当两个以上的用户时隙完全重叠或部分重叠时，传输数据将受到破坏。两的分组能够发生重叠的最大时间间隔称为易损周期，对于随机ALOHA来说，易损周期为两个时隙时间。,时隙ALOHA,时隙ALOHA也是一个无线分组系统。 每个用户发送分组的时刻都不是随机的，而是在时隙的边界时刻。 如果发生碰撞，则需要重新发送，重新发送的时刻也是在时隙的边界时刻。 对于时隙ALOHA来说，易损周期为一个时隙时间。可见碰撞机会将明显减少，从而改善了系统的吞吐量。 需要解决整个系统的同步问题。,带捕获的时隙ALOHA,也是一个无线分组系统，其工作原理和时隙ALOHA相似。 如果有两个分组信号发生碰撞，接收机捕获信号较强的那个分组，而让信号较弱的分组重新发送。 这样，重新发送的机会就减少一半，从而改善了系统的吞吐量。 需要解决系统在不同接收场强的检测问题。,吞吐量性能分析,成功发送的概率： P（成功）P（在易损周期内无其它分组出现） 假设呼叫服从泊松分布，则在易损周期内无其它分组出现的概率为： P（在易损周期内无其它分组出现） 其中为易损周期的归一化值。 就有：P（成功） 根据定义， P（成功）S / G 得到： 这就是ALOHA系统的吞吐量方程。,吞吐量性能分析（续）,对吞吐量方程的讨论 （1）G 0，S G。当呼叫量很小时，吞吐量近似等于呼叫量，此时系统几乎没有阻塞。 （2）G ，S 0。当呼叫量很大时，吞吐量近似等于0，此时系统几乎全被阻塞。 （3）从dS/dG=0得到，当G1/时，SSmax，吞吐量取得最大值。 对于随机ALOHA: =2, Smax= 1/2e =0.184 对于时隙ALOHA: =1, Smax= 1/e =0.368,吞吐量性能分析（续）,时延性能分析,ALOHA系统的分组时延D，和重传次数E、重传时延Dret、接收一个成功确认的时隙数R等参数有关。 已知重传次数： EG / S =eG, 得到： 随机ALOHA的平均分组时延 时隙ALOHA的平均分组时延 其中 表示大于或等于R的最小整数。,时延性能分析（续）,对时延性能的讨论 （1）G 0， 当呼叫量很小时，平均时延等于接收一个成功确认的时隙数R（对于时隙ALOHA，还要增加0.5个时隙长度）。 （2）G ，并假设DretR 当呼叫量很大时，平均时延随着呼叫量的增加呈指数关系增长。,CSMA方式,简介,CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波侦听多址。这是对ALOHA方式的一种改进。用户在发送分组前首先检测信道上是否有载波，如果有载波，则用户等候；一旦检测到信道上没有载波，就立即发送。当然这时还会有碰撞，一旦发生碰撞，仍采取重发的方式，但碰撞概率要小于ALOHA方式。这是目前无线分组网最常用的介质访问方式。 CSMA的分类： 非持续侦听方式（CSMA-NP） 持续侦听方式（CSMA-P） 侦听检测方式（CSMA-CD）,CSMA-NP方式及性能,工作原理：当用户无信息发送时，就不侦听信道。当用户有信息发送时，就侦听信道；若发现信道空闲，就发送；若发现信道忙碌，就停止侦听，而在相隔某个随机时间t以后再重新侦听。 要考虑传输时延（）的影响问题。 吞吐量S和呼叫量G的关系： 当0，,CSMA-NP方式及性能（续）,CSMA-P方式及性能,工作原理：用户一直侦听信道状态，如果信道空闲，用户又有通信要求，就发送信息包。此时，当两个以上用户同时有信息发送需求时，就发生碰撞。传输时延愈大，碰撞的机会就愈多。 吞吐量S和呼叫量G的关系： 当0，,CSMA-P方式及性能（续）,CSMA-CD方式及性能,工作原理：为了提高信道利用率，可以采用碰撞检测方法。每当发出信息包后，就检测是否与别的用户信息包发生碰撞。一旦发生碰撞，立即停止发送，以保证信道不会无效地继续被占用。 吞吐量S和呼叫量G的关系： 当0，和CSMA-NP方式一样：,CSMA-CD方式及性能（续）,无中心多址接入 Ad-Hoc方式,和蜂窝网的比较：有中心到无中心,和蜂窝网的比较：单跳到多跳,“中心结构”-WLAN,“无中心结构”-自组织网络,和局域网的比较,Ad Hoc网络定义,Ad Hoc网络是一系列无线通信装置、具有自主联网能力的设备的集合。 Ad Hoc网络属于“无中心结构”系统，无专用的中心控制设备，通过网络节点的“相互数据转发协作”完成网络中的信息传递。 主要特征：无中心，转发，自组织。,Ad Hoc网络的应用,军事通信：士兵、坦克、军车、飞机等实体构成的临时战场通信指挥系统。 协同计算：如研究小组的资源共享、报告会的文件共享、课堂的课件共享等。 应急通信：在发生自然灾害、紧急事故等场合，建立抢险救灾现场的应急临时通信与指挥系统。 无线网状（Wireless mesh）网：用于住宅小区、高速公路、商业网点、公共建筑、大学校园等。 无线传感器网络：用于军事侦察、健康护理、家庭保安、环境监测等。,隐藏终端,当节点A向节点B发送数据时，由于阻挡等原因，节点C无法监听到A发出的数据信号，因此节点C认为信道空闲并向节点B发出数据，来自A和C的数据信号在节点B处冲突，造成接收失败。,暴露终端,当节点C向节点D发送数据时，节点B同时可以监听到C发出的数据，从而认为信道忙、处于“避让”状态，进而B无法向A发出数据，造成信道浪费。,CSMA多址接入协议,CSMA载波侦听多址接入协议可以实现信道的随机接入，但未能解决隐藏终端问题。 CSMA/CA载波侦听多址接入/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance）协议，是IEEE802.11 DCF的工作 模式，采用RTS/CTS机制解决了隐藏终端问题。,隐藏终端问题解决,发送节点A发出RTS (Request-to-Send)，A的所有邻居节点监听到RTS后认为“信道忙”。 接收节点B发出CTS (Clear-to-Send)，B的所有邻居节点监听到CTS后认为“信道忙”。 RTS/CTS中包含本次数据传输所需要的信道占用时间NAV，在这段时间内，与A和B相邻的所有节点均保持静默，以避免对A和B之间的数据传输的干扰。,隐藏终端和传输有效性,在数据传输开始前，发送节点A和接收节点B通过RTS/CTS接入信道，A的邻居节点C接收到RTS获知本次传输所需时间NAV，B的邻居节点D接收到CTS获知NAV信息，因此C和D均在NAV时间内保持静默，直到传输完毕。 节点A和节点B接入信道后，开始传输数据，当节点A将数据包发送完毕后，节点B回应ACK包，对数据传输进行确认，以确保传输有效性。,CSMA/CA的吞吐量,信道吞吐量： 非数据传输时间包括： 信道空闲时间； 传输RTC/CTS/ACK的时间（系统固定值）； 节点的DIFS、SIFS时间（系统固定值） ； 节点的随机竞争窗CW时间。,CSMA/CA的吞吐量（续）,假设网络中的发送节点均以最高速率持续发出数据包；假设所有成功发出的数据包均被成功接收。 Capacity表示信道利用率，即吞吐量。 M表示网络中发送节点的数量。 Packet size表示Data数据包的长度。,CSMA/CA的吞吐量（续）,讨论： 节点数量（M）越多，竞争冲突概率越大，信道利用率下降。 数据包越长，一次接入信道所传输的数据量越多，相对的系统开销所占比例下降，信道利用率提高；随着数据包长度的增长，信道利用率趋于饱和。,习题4,CDMA系统是一个多用户干扰受限系统，在基站对第k个用户进行接收时的接收信噪比为： 其中PS为信号功率； PN为噪声功率； 为其它用户由于扩频码非理想正交所带来的互相关系数。 试证明当各个用户的信号功率都相等时，CDMA系统能够达到最大用户容量（可以忽略噪声的影响）。,