2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入1第四講水聲網絡的多址接入多址接入協議概述多址接入協議的分類多址接入信道模型各種多址接入協議固定多址接入協議隨機多址接入協議預約多址接入協議水下通信網絡的多址接入協議2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入21.多址接入協議概述網絡中的終端設備通過通信子網來訪問網絡中的資源。當多個終端同時訪問同一資源（如共享的通信信道）時，就可能會產生信息碰撞，導致通信失敗。典型的共享鏈路有：衛星鏈路和蜂窩移動通信系統的鏈路、局域網、分組無線電網等。2023/2/431.多址接入協議概述第四講水聲網絡的多址接入2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入41.多址接入協議概述為了有效的進行通信，就需要有某種機制來決定資源的使用權，這就是網絡的多址接入控制問題。所謂多址接入協議（MultipleAccessProtocol）就是在一個網絡中，解決多個用戶如何高效共享一個物理鏈路資源的技術。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入51.多址接入協議概述

——MAC層在通信協議中的位置從分層的角度來看，多址技術是數據鏈路層的一個子層。它處于數據鏈路邏輯控制層下方，物理層的上方。MAC層將有限的資源分配給多個用戶，從而使得在眾多用戶之間實現公平、有效地共享有限的帶寬資源；實現各用戶之間良好的連通性，獲得盡可能高的系統吞吐量、以及盡可能低的系統時延。邏輯鏈路控制（LLC）子層為本節點提供了到其鄰節點的“鏈路”，而如何協調本節點和其它節點來有效地共享帶寬資源，是媒質接入控制子層——MAC層的主要功能。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入6水聲網絡的通用協議棧結構的演化節點A節點B自組織網協議棧的演化

自組織網協議棧結構1.多址接入協議概述

——MAC層在通信協議中的位置2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入71.多址接入協議概述

——MAC層在通信協議中的位置2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入82.多址協議的分類固定分配多址接入協議隨機分配多址接入協議基于預約方式的多址接入協議2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入92.多址協議的分類所謂固定分配多址接入是指在用戶接入信道時，專門為其分配一定的信道資源（如頻率、時隙、碼字或空間），用戶獨享該資源，直到通信結束。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入102.多址協議的分類所謂隨機多址接入是指用戶可以隨時接入信道，并且可能不會顧及其它用戶是否在傳輸。當信道中同時有多個用戶接入時，在信道資源的使用上就會發生沖突（碰撞）。因此，對于有競爭的多址接入協議如何解決沖突從而使所有碰撞用戶都可以成功進行傳輸是一個非常重要的問題。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入112.多址協議的分類所謂基于預約的多址接入協議，是指在數據分組傳輸之前，先進行資源預約。一旦預約到資源（如頻率、時隙），則在該資源內可進行無沖突的傳輸。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入122.多址協議的分類2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入133.系統模型從排隊論的觀點出發，多址信道可以看成一個多進單出的排隊系統（即該系統有多個輸入而僅僅有一個輸出）。每一個節點都可以獨立的產生分組，而信道則相當于服務員，它要為各個隊列服務。由于各個排隊隊列是相互獨立的，各節點無法知道其它隊列的情況，服務員也不知道各個隊列的情況，所以增加了系統的復雜性。如果我們可以通過某種措施，使各個節點產生的分組在進入信道之前排列成一個總的隊列，然后由信道來服務，則可以有效的避免分組在信道上的碰撞，大大提高信道的利用率。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入14(a)多址信道；

(b)理想的多址協議

2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入15用戶數據隨機到達2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入162023/2/4第四講水聲網絡的多址接入174.1固定分配多址接入協議頻分多址接入時分多址接入碼分多址接入空分多址接入2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入184.1固定分配多址接入協議固定多址接入協議又稱為無競爭的多址接入協議或靜態分配的多址接入協議。固定多址接入為每個用戶固定分配一定的系統資源，這樣當用戶有數據發送時，就能不受干擾地獨享已分配的信道資源。固定多址接入的優點在于可以保證每個用戶之間的“公平性”（每個用戶都分配了固定的資源）以及數據的平均時延。典型的固定多址接入協議有：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）及空分多址（SDMA）等。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入19頻分多址接入頻分多址——FrequencyDivisionMultipleAccess（FDMA）是把通信系統的總頻段劃分成若干個等間隔的頻道（或稱信道），并將這些頻道分配給不同的用戶使用，這些頻道之間互不交疊。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入20頻分多址接入2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入21頻分多址接入FDMA的最大優點是相互之間不會產生干擾。當用戶數較少且數量大致固定、每個用戶的業務量都較大時（比如在電話交換網中），FDMA是一種有效的分配方法。但是，當網絡中用戶數較多且數量經常變化，或者通信量具有突發性的特點時，采用FDMA就會產生一些問題：當網絡中的實際用戶數少于已經劃分的頻道數時，許多寶貴的頻道資源就白白浪費了當網絡中的頻道已經分配完后，即使這時已分配到頻道的用戶沒有進行通信，其他一些用戶也會因為沒有分配到頻道而不能通信。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入22時分多址——TimeDivisionMultipleAccess(TDMA)也是一種典型的固定多址接入協議。TDMA多址接入協議將時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），然后根據一定的時隙分配原則，使每個用戶只能在指定的時隙內發送。時分多址接入2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入23時分多址接入在時分多址的系統中，用戶在每一幀中可以占用一個時隙，如果用戶在已分配的時隙上沒有數據傳輸，則這段時間將被浪費。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入242023/2/4第四講水聲網絡的多址接入25每個用戶具有特定的地址碼用戶通過地址碼的正交性來進行區分碼分多址通常伴隨著擴頻通信碼分多址接入2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入26將空間分割構成不同的信道，從而實現頻率的重復使用。一顆衛星使用多個天線，各個天線的波束射向地球表面的不同區域、地面上不同地區的地球站，它們在同一時間、即使使用相同的頻率進行工作，它們之間也不會形成干擾?？辗侄嘀方尤?023/2/4第四講水聲網絡的多址接入274.2隨機多址接入協議ALOHACSMACSMA/CDIEEE802.11協議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入28隨機多址接入協議隨機多址協議又叫做有競爭的多址接入協議。網絡中的節點在網絡中的地位是等同的，各節點通過競爭獲得信道的使用權。隨機多址接入協議又可細分為：完全隨機多址接入協議（ALOHA協議）載波偵聽型多址接入協議我們主要關心兩個方面的問題：穩態情況下系統的通過率和時延性能系統的穩定性2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入29ALOHA協議ALOHA協議是上世紀70年代Hawaii大學建立的在多個數據終端到計算中心之間的通信網絡中使用的協議?；舅枷耄喝粢粋€空閑的節點有一個分組到達，則立即發送該分組，并期望不會和其它節點發生碰撞。如果發生碰撞,則在一個隨機時延后重傳。

2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入30純ALOHA協議純ALOHA協議基于用戶對媒介的隨機接入。當用戶有信息要發送時，它就立即發送如果接收用戶正確接收數據，則發回確認信息（ACK：acknowledgement）如果發送用戶沒有收到ACK，則等待隨機時間后重發。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入31時隙ALOHA協議時隙ALOHA協議是ALOHA協議的改進方法，是Roberts提出的。在這種方法中，時間劃分為時隙，網絡中的每個節點的時鐘依據這些時隙同步。各節點只能在時隙開始點進行傳輸,時隙寬度等于一個分組的傳輸時間當一個節點想要發送包時，它要等到下一個時隙開始時發送。限制包在時隙傳送降低了沖突的發生率。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入32時隙ALOHA協議2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入33時隙ALOHA協議如果在某時隙內,僅有一個分組到達(包括新到達的分組和重傳分組的到達),則該分組會傳輸成功。如果在某時隙內到達兩個或兩個以上的分組,則將會發生碰撞。碰撞的分組隨機時延若干個時隙后重傳,這樣將有效地避免再次相互碰撞。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入34時隙ALOHA協議性能分析在一個時隙內到達的分組包括兩部分:新到達的分組重傳的分組設新到達的分組是到達率為λ(分組數/時隙)的Poisson過程。假定重傳的時延足夠隨機化則可以近似地認為重傳分組的到達過程和新分組的到達過程之和是到達率為G(＞λ)的Poisson過程2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入35系統的通過率S：單位時間內成功傳輸的分組數與單位時間內系統能傳輸的分組數之比。若分組的長度為一個時隙寬度,則系統的通過率就是指一個時隙內成功傳輸所占的比例(或分組成功傳輸的概率)。系統的通過率S又稱為離開系統的速率時隙ALOHA協議性能分析2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入36由于重傳分組和新分組的到達過程之和是到達率為G(＞λ)的Poisson過程則，T個時隙內有k個分組到達的概率：一個時隙內僅有一個分組到達的概率，即分組成功傳輸的概率（系統的通過率S）2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入37時隙ALOHA協議的通過率曲線

S=0.3682023/2/4第四講水聲網絡的多址接入38當G=1時,系統達到最大的通過率為1/e≈0.368;當G＜1,則空閑的時隙較多;當G＞1,則碰撞較多,會導致性能下降。為了達到最佳的性能,應當將G維持在1附近變化。在系統的穩態情況下,應當有新分組的到達率等于系統的離開速率(也即系統的通過率),即S=λ。時隙ALOHA協議性能分析2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入39假定分組的長度為單位長度,分組在t時刻到達并開始傳輸,則在(t-1,t+1)內任何時刻到達和傳輸的其他分組都會與t時刻到達的分組發生碰撞。一個分組成功傳輸的概率,就是在t時刻前后各一個單位時間內無分組到達的概率,即在兩個單位時間均無分組到達的概率,其表達式為

系統的通過率為

純ALOHA協議性能分析2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入40純ALOHA協議的通過率曲線

純ALOHA協議最大通過率為1/2e≈0.184純ALOHA協議最大通過率是時隙ALOHA協議最大通過率的一半最大通過率對應的G=0.5而不是1.02023/2/4第四講水聲網絡的多址接入41純ALOHAvs.時隙ALOHA純ALOHA協議的效率只是時隙ALOHA協議的一半純ALOHA協議的優點是簡單且分組長度是可變的,而不像時隙ALOHA協議那樣要將分組分解為固定長度純ALOHA協議初次接入的時延較小。這些優點從某種程度上彌補了通過率上的損失總之，ALOHA協議在網絡信息量突增的情況下效率很差。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入42CSMACSMA是從ALOHA協議演變出的一種改進型協議，它采用了附加的硬件裝置，每個節點都能夠檢測（偵聽）到信道上有無分組在傳輸。如果一個節點有分組要傳輸，它首先檢測信道是否空閑，如果信道有其他分組在傳輸，則該節點可以等到信道空閑后再傳輸，這樣可以減少要發送的分組與正在傳輸的分組之間的碰撞，提高系統的利用率。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入43CSMA協議可細分為幾種不同的實現形式：非堅持型（Non-persistent）CSMA1-堅持型CSMAp-堅持型CSMACSMA2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入44非堅持型CSMA所謂非堅持型CSMA是指當分組到達時，若信道空閑，則立即發送分組；若信道處于忙狀態，則分組的發送將被延遲，且節點不再跟蹤信道的狀態（即節點暫時不檢測信道），延遲結束后節點再次檢測信道狀態，并重復上述過程，如此循環，直到將該分組發送成功為止。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入451-堅持型CSMA所謂1-堅持型CSMA是指當分組到達時，若信道空閑，則立即發送分組；若信道處于忙狀態，則該節點一直堅持檢測信道狀態，直至檢測到信道空閑后，立即發送該分組。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入46p-堅持型CSMA所謂p-堅持型CSMA是指當分組到達時，若信道空閑，則立即發送分組；若信道處于忙狀態，則該節點一直檢測信道的狀態，在檢測到信道空閑后，以概率p發送該分組2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入47

CSMA/CDCSMA/CD(碰撞檢測)通常用于局域網(LAN),如Ethernet中。該網絡的特點：所有用戶都連接到一個公共電纜上,當一個節點發送分組時,所有節點都可以接收該分組來回傳播時延很小,它只占分組長度的很小部分2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入48

工作過程:當一個節點有分組到達時,它首先偵聽信道：若信道空閑,則立即發送分組;否則，連續偵聽信道,直至信道空閑后立即發送分組。發送分組的同時監測信道δ秒,以便確定本節點的分組是否與其他節點發生碰撞：若沒有發生碰撞,則該節點會無沖突地占用該總線,直至傳輸結束。否則，停止發送,隨機時延一段時間后重復上述過程。CSMA/CD2023/2/4第五講多址接入機制49隱藏終端和暴露終端問題A的作用范圍C的作用范圍ABCD當A向B發送數據時，這時C檢測不到無線信號，以為B空閑，因而向B發送數據，結果發生碰撞這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題

叫做隱藏終端問題(hiddenstationproblem)

隱藏終端帶來的沖突使得通信通信節點需要重發已發送的信息，如果重發后繼續有隱藏終端沖突，則網絡的通信會陷入一種惡性循環2023/2/4第五講多址接入機制50隱藏終端和暴露終端問題其實B向A發送數據并不影響C向D發送數據

這就是暴露終端問題(exposedstationproblem)B的作用范圍C的作用范圍ADCB？B向A發送數據，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發送數據。

2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入51BusyToneABXABXYXOKtotransmitXnotOKtotransmitReceivertransmitsbusytonewhenreceivingdataAllnodeshearingbusytonekeepsilentRequiresaseparatechannelforbusytoneBisreceivingapacketfromA2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入52RTS/CTSdialogRTS=RequesttoSendRTSAnynodethathearsthisRTSwilldefermediumaccess.Defer2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入53RTS/CTSDialogCTS=CleartoSendCTSAnynodethathearsthisCTSwilldefermediumaccess.DeferDeferRTS2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入54RTS/CTSDialogACKDeferDeferData2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入55IEEE802.11協議(CSMA/CA)IEEE802.11標準是針對無線局域網(WLAN)提出的標準。支持的傳輸速率有多種,如1Mb/s,2Mb/s,5.5Mb/s,11Mb/s,甚至更高的速率。在該協議中,采用的基本多址技術是CSMA/CA。CA是沖突避免(CollisionAvoidance)。由于一臺無線設備不能在相同的信道上同時接收和發送,因而不能采用CD碰撞檢測技術。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入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

協議框架2023/2/4第五講多址接入機制57WaitforframetotransmitMediumidle?WaitIFSStillidle?TransmitframeWaituntilcurrenttransmissionendsWaitIFSStillidle?ExponentialbackoffwhilemediumidleTransmitframeYesNoNoYesNoYesIEEE802.11MediumAccessControlLogic2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入58為了盡量避免沖突,IEEE802.11標準給出了三種不同的幀間間隔IFS（InterFrameSpace）:SIFS,即短(Short)IFS,典型的數值只有10μs;PIFS,即點協調功能IFS,比SIFS長,在PCF方式中輪詢時使用;DIFS,即分布協調功能IFS,是最長的IFS,典型數值為50μs,在DCF方式中使用。DIFS>PIFS>SIFSIEEE802.11協議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入59IEEE802.11標準MAC子層中的一些時間關系(a)基本接入方法；(b)超幀的結構

2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入60當很多站都在監聽信道時,使用SIFS可具有最高的優先級,因為它的時間間隔最短。SIFS用在以下場合:

·發送“確認幀ACK”。只要收到的不是多播幀或廣播幀,就要向發送方響應一個確認幀ACK。確認幀應當具有更高的優先級。當一個較長的LLC幀需要劃分為多個MAC幀來發送時,發送方只要收到一個ACK就接著發送下一幀。確認幀使用SIFS可使發送方能夠繼續控制信道,直到整個LLC幀發送完畢。

·發送“允許發送幀CTS”。這樣可保證原來發送“請求發送幀RTS”的節點能夠優先發送數據幀。所有收到CTS幀的節點都要推后發送自己的數據。

·發送輪詢的應答幀。IEEE802.11協議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入61CSMA/CA的基礎是載波偵聽，載波偵聽(CS)包含兩部分：物理載波偵聽(PhysicalCS)物理層對接收天線接收的有效信號進行監測，探測到有效信號，認為信道忙虛擬載波偵聽(VirtualCS)利用網絡分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)來實現NAV中存放的是介質信道使用情況的預測信息結點監聽到的信道上的信號，用其MAC幀中Duration(持續時間字段)聲明的傳輸時間來更新NAV沖突避免（CA）結點通過載波偵聽發現信道忙，保持靜默，并延時傳輸采用的隨機退避(back-off)機制，進一步減小沖突IEEE802.11協議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入62虛擬載波偵聽NAV可以看做一個以某個固定速率遞減的計數器：當值為0時，虛載波監測認為信道空閑不為0時，認為信道忙只有當兩種方式都指示為信道“空閑”時，載波監測(CS)才指示信道“空閑”，這時才能發送數據。2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入63Back-offInterval2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入64Back-offIntervalWhenthechannelisbusy,chooseaback-offintervalintherange[0,cw]cwiscontentionwindowCountdowntheback-offintervalwhenmediumisidleCount-downissuspendedifmediumbecomesbusyWhenback-offintervalreaches0,transmitRTS2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入65DynamicContentionWindowBinaryExponentialBack-offin802.11DCF

WhenanodefailstoreceiveCTSinresponsetoitsRTS,itincreasesthecontentionwindowcwisdoubled(uptoanupperbound)Whenanodesuccessfullycompletesadatatransfer,itrestorescwtocwmin2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入662023/2/4第四講水聲網絡的多址接入67IEEE802.11的兩種接入方式：分布式協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)使用分布式的基于CSMA/CA的接入機制,各個節點通過競爭獲取發送權點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)提供可選優先級的無競爭的幀傳送IEEE802.11協議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入68IEEE802.11DCFDCF有兩種工作方式：基本工作方式DATA-ACKRTS/CTS機制工作方式RTS-CTS-DATA-ACK2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入69IEEE802.11DCF基本工作方式采用兩次握手機制，又稱ACK機制，是一種最簡單的握手機制當接收方正確地接收幀后，就會立即發送確認幀(ACK)發送方收到該確認幀，就知道該幀已成功發送如果媒體空閑時間大于或等于DIFS，就傳輸數據，否則延時傳輸2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入702023/2/4第四講水聲網絡的多址接入71為了避免隱藏終端問題,發送站和接收站之間以握手的方式對信道進行預約采用四次(Four-way)握手機制:RTS—CTS—DATA—ACK發送節點A先發送一個請求發送幀(RTS,RequestToSend)接收節點B在收到RTS后,發送一個允許發送的應答幀(CTS,ClearToSend)IEEE802.11DCFRTS/CTS機制2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入72RTS和CTS的傳輸過程

IEEE802.11DCFRTS/CTS機制2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入73在RTS和CTS幀中均包括要發送分組的長度CTS幀有兩個作用：表明接收節點B可以接收發送節點A的幀禁止B的鄰節點發送,從而避免隱藏終端的影響

RTS和CTS幀很短,分別為20和14字節。而數據幀最長可達2346字節相比之下,RTS和CTS引入的開銷不大IEEE802.11DCFRTS/CTS機制2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入74S2S1RS2S1RXXChannelBusyDIFSChannelIdleDIFS:DCFInter-FrameSpaceRTSSIFS:ShortInter-FrameSpaceCTSSIFSNAVNAVSIFSDATASIFSACKB2=9B1=5cw=15RTSB2=4B1=7DIFSChannelIdleIEEE802.11DCFRTS/CTS機制2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入75RTS/CTS的握手機制并不能保證碰撞完全不發生。X和A同時向B發送RTS幀,發生碰撞.使得B收不到正確的RTS幀，不會發送后續的CTS幀。ABXRTSRTSIEEE802.11DCFRTS/CTS機制2023/2/4第五講多址接入機制76B的作用范圍C的作用范圍ADCB？B向A發送數據，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發送數據。

暴露終端問題沒有解決2023/2/4第四講水聲網絡的多址接入77RTS/CTS機制的不足使用RTS/CTS幀會使整個網絡的效率有所下降但這兩種控制幀都很短，其長度分別為20字節和14字節，與數據幀(最長可達2346字節)相比開銷不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發生碰撞而導致數據幀重發