通信网理论基础第4章.ppt

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1、第4章 排队论基础,4.2.3 通信业务量分析 一、通信业务量理论 二、通信业务量的基本概念和指标 三、网内通信业务分析 四、提高网效率的一些措施,4.2.4 多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术 二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统 三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统 四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统,随机多址接入方式与排队论随机多址接入方式是一种竞争访问信道技术。在该方式中，用户可以根据自己的意愿随机地发送信息。当两个或两个以上用户同时向同一信道发送信息时，就产生冲突（Collision），又称为碰撞，使得数据发送失败。故双方都需重发。这与排队系统中被拒绝的情

2、况相似，只是被拒绝或被破坏的已不止一个信息。多址接入系统可以看作是M/M/1系统。,发展历史较早的随机接入系统称阿罗华（ALOHA）系统，于70年代产生于夏威夷大学。通过无线信道来使用中心计算机，无线信道相当一个公用媒体，一个站或用户送出的信息可以被许多站同时接收，而每个站都是随机发送的。技术的发展：纯ALOHA(P-ALOHA)技术时隙ALOHA(S-ALOHA)技术载波监听多址访问（CSMACarrier Sense Multiple Access）技术 带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CDCSMA with Collision Detection）技术 目前，CSMA/CD现已

3、成为局域网标准接入协议。,应用：主要应用于无线信道和总线型局域网中。1总线型局域网（1）总线型结构：所有的站都通过总线连接，无交换设备和中继器，各站通过收发器与总线连接，并通过总线发送或接收数据，一站发送其他的站都能收到，而每个站发送信息是随机的。,总线型结构,（2）媒质访问技术：传统的局域网技术是建立在“共享媒质”的基础上的，局域网中所有的用户终端共享单一的传输媒质，并以某种控制方式访问传输媒质，以便在两个指定的终端之间传送信息。所用的控制方式称为媒质访问技术。高速局域网将“共享媒质方式”改为“交换方式”“交换式局域网”技术以太网交换机媒质访问控制方法：共享（随机，受控）与交换典型的传统媒质

4、访问控制方法是：CSMA/CD、Token Ring、Token Bus。,总线型结构的媒质访问方式主要有两种：带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CD）方式。令牌总线（Token Bus）方式。实例：工作于半双工方式下的以太网（Ethernet）采用CSMA/CD协议机制（IEEE802.3标准），全双工的以太网不采用CSMA/CD协议机制无线局域网（WLAN）采用CSMA/CA（CSMA/Collision Avoidance）协议机制。,2CSMA/CD的发展过程 纯ALOHA(P-ALOHA)技术 时隙ALOHA(S-ALOHA)技术 载波监听多址访问（CSMACarrier S

5、ense Multiple Access）技术 带有冲突检测的载波监听多址访问（CSMA/CDCSMA with Collision Detection）技术 3性能标准 多址通信系统的主要性能参数是：平均通过量、平均分组时延和稳定性。,（1）平均通过量定义：在每个发送周期T0 时间内，成功发送的平均分组数（即数据帧数）。或更准确地，应定义成：在很长时间间隔内，成功发送分组数与信道上连续传输的最大发送分组数之比。可见平均通过量是一种长时间接入信道能力的百分比量度。在稳定状态下，一平均通过量 等于网络负荷（全部呼叫量）与分组成功发送概率 的乘积，即,网络负荷（或网络负载G）：为T0 内总共发送的

6、平均分组数，包括成功的和碰撞的两部分。只有在不发生碰撞（被拒绝）的情况下，即当 或 时，才等于。,为呼损。为简单起见，后面简称平均通过量为通过量。,（2）平均分组时延 一个分组进入信道所需的时间，称为分组时延时间或响应时间。具体地说，分组时延为一个分组从信源发出瞬间开始，到达信道，直至最后成功接收瞬间为止的这段时间。定义平均分组时延为一个很长时间间隔内分组总延迟与间隔内分组数之比。,（3）稳定性系统的稳定性：在较长时间段内，其通过量和延迟特性基本保持不变。某些多址接入方案，其性能参数，在短期内可以令人满意，然而在较长时间间隔内观察却十分不理想，那么这种接入方案也是不稳定的。为了使系统能稳定地工

7、作，必须采用一定控制，使其性能参数基本不变。,4.2.4 多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统 三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统 四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统,二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统 纯ALOHA系统：设有无限个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫是以为均值的泊松流。当任一用户有信息要发送时，立即以定长信息包的形式发上信道，也就是以纯随机方式抢占信道。若有两个或两个以上的信息包在信道上发生碰撞，则以后纯随机地重发。纯ALOHA技术，又称为随机争用技术。,应用ALOHA系统最初是在无线信道上实现的，为了区分各种不同

8、的ALOHA系统，通常称最原始的ALOHA为纯ALOHA(P-ALOHA)。纯ALOHA可以工作在无线信道，也可以工作在总线型网络中。,ALOHA系统的基本模型,（一）工作原理 1.工作原理 纯随机方式抢占信道：某站（用户）有信息要发送时，立即发送。若在规定的时间内收到确认信号ACK，表示发送成功；未收到ACK信号，则该站重发此信号。发生碰撞后重发：每个用户是纯随机地发送信息，若在同一时间有两个或两个以上的用户同时发送，则发生碰撞而产生冲突，使这两个信息不能正确接收，数据可能会全部或部分重叠。当冲突现象发生后，数据站隔一段随机时间重发该信息。,纯ALOHA系统的工作原理,2.数学模型假设：设无

9、限多个用户公用一个信道，这些用户的总呼叫到达率为（包括新发的数据帧和重发的数据帧），为泊松流。为简单起见，且不失一般性，用信息包长度来代表发送这个信息包的时间；且作如下假设：设信息包（或数据帧）长度为定长，即帧长固定，用P表示帧长。为到达率；,T0 为服务时间，即发送一帧占用信道的时间，则有，为呼叫量，。则t内有个k 呼叫或信息包发上信道的概率为,t内无包发送的概率为：,t内发送一个包的概率为：,（二）性能分析 假设：帧的到达服从泊松分布。大量的站同时随机发送数据帧时，在每个站的通信量都很小的情况下，整个系统的帧可看成是泊松过程。对于出现的重发过程，数据帧的到达不再是泊松过程，而是一个与重发策

10、略有关的较为复杂的过程。当重发时的随机时延足够长，认为帧的到达（包括重发帧）是泊松过程是合理的。,1发送成功概率（无碰撞的概率）一个帧发送成功条件：该帧与该帧前后的两个帧的到达时间间隔大于T0。一个数据帧发送成功的概率为,T用表示两个帧的到达间隔，则有,根据概率的归一性，发生碰撞的概率为,2通过量 吞吐量S：又称为吞吐率，等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。显然 0S1。在稳定情况下，在时间T0内到达且能够进入系统的平均帧数（即输入负载）应等于吞吐量S。网络负载(Offered load)G：从网络角度看，等于在T0内总共发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因冲突而重发的帧或发送不成功的

11、帧。即,且有,当不发生冲突时，。在稳定状态下，有 通过量（有时也称通过率）定义为,时：,注：包括新发和重发部分，不稳定性已在新负载小于0.5时出现。,纯ALOHA系统的通过量与网络负荷的关系曲线,结论：在纯ALOHA系统中，网络负荷（或网络负载G）0.5，系统能够稳定工作，在实际中为了安全起见，纯ALOHA系统的通过量只能在10左右。纯ALOHA系统最多只能有18.4的时间能成功地发送信息，而不发生碰撞，实现正常通信。其他时间处于碰撞或空闲状态，显然效率是很低的。,优点：这种方式基本上不用控制设备，碰撞也可以不去检测，只是在久无回答后就重发即可，当 较小时，就是说基本上可以顺利通信。缺点：当

12、时，成功发送的帧数减小，重发频繁，使得网络的 进一步增大，系统将趋于不稳定。积压的数据帧数会无限增加，恶性循环下去，通过量逐渐下降直至零。碰撞后的数据帧如何重发，是影响稳定性的主要因素。,例4.16 假定许多异步终端通过多点线路连到主机，线路的数据率为4800bit/s，设每份报文有60个字符。而用户用键盘输入一份报文需2分钟。每个字符用10bit进行编码，则每个终端的平均数据率仅有5bit/s（6010bit）/(260s)=5bit/s。试问：如采用纯ALOHA方式，取=0.1，该系统一共可容纳多少交互式用户？,4.2.4 多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术 二、纯阿罗华(P-AL

13、OHA）系统三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统 四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统,目的：为了降低碰撞，提高吞吐量。时隙ALOHA系统（S-ALOHA）：它是纯ALOHA的改进形式。在信道上分时隙。网内所有用户都与主时钟同步，有通信要求的用户只能在主时钟规定的等长时隙内送到信道，也就是到达信道的时刻只能是各时隙的起始时刻。主时钟的同步信息要向所有用户广播。,（一）S-ALOHA工作原理（1）S-ALOHA系统把时间分成一段段等长的时隙（SLOT），记为T0，并规定，不论帧何时产生，每个用户只能在每个时隙的前沿发送信息。发送 T0长度的确定：每个帧正好在一个时隙内发送完毕

14、。当一个帧到达后，一般都要在缓冲器中等待一段时间（小于T0），到下一个时隙的前沿到来时才发送出去。（2）当在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，则在下一个时隙将产生冲突，两组数据完全重叠。冲突,（3）冲突后重发的策略与纯ALOHA相似。重发,时隙ALOHA系统的工作原理,（二）性能分析假定：用户数（站数）很大（理论上应为无穷大），而每一个站发送一个帧的概率很小（理论上应趋于零）。在这个条件下，各站随机地发送帧的总效应，才相当于泊松过程。为了简化分析，假设条件与纯ALOHA系统相同。然而实际上站的数目总是有限的，经理论推导（略）可得知，只要有20个站（或更多），就可以利用由无穷多站的模型所得出

15、的各种结论和公式。,1发送成功概率发送成功条件：如果在T0 内无两个或两个以上的帧到达，则在一个T0 内可成功发送一个数据帧。因为若在该帧发送时隙内有新包到达，必须等到下一个时隙才可发送。发送成功的概率为,发生碰撞的概率为,2通过量,时隙ALOHA与纯ALOHA系统的通过量曲线,结论：S-ALOHA比纯ALOHA的通过量提高了一倍。代价：以全网同步控制为代价。,4.2.4 多址接入系统业务分析 一、随机多址接入技术 二、纯阿罗华(P-ALOHA）系统 三、时隙ALOHA（S-ALOHA）系统四、载波监听多址接入（CSMA和CSMA/CD）系统,目的：进一步提高通过量载波监听多址接入方式：简称C

16、SMA，是ALOHA（P-ALOHA，S-ALOHA）系统的一种改进形式，适用于延时较小的总线网，采用先听后送的技术。载波监听多址接入系统也是一种完全分散控制的方式，通信的收发进程和信息格式均由通信协议保证。,（一）工作原理及分类（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议（三）坚持监听（CSMA-P）协议（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）,（一）工作原理及分类1.工作原理 与ALOHA技术的主要区别：是总线上每个用户节点（各站）多了一个附加的硬件装置，称为载波监听装置，它的功能是每个站在发送数据前先监听，以接收到信息与否来判断线路上的忙闲状态，各用户只能在总线空闲时启动发送

17、数据。先听后送,监听发送过程：每个站在发送数据前，监听信道是否空闲，监听装置以接收到信息与否来判断线路的忙闲状态，如果空闲，则该站可发送数据，若忙，则该站就暂时不发送数据，而是按某种算法，隔一段时间后再尝试发送。重发过程：数据发送以后，该站点在规定的时间内若收到对方的确认信号ACK，则发送成功，可以进行下一个数据的发送尝试，否则重发该数据。,2监听方式 你知道吗？早期的ALOHA系统的无线电发射机工作在超高频（UHF）频段，因此各站可以监测到其它各站发出的载波，后来发展到总线型局域网，若采用基带传输，则不存在载波，但各站可以检测到其他站所发送的二进制代码，习惯上仍称这种检测为“载波监听”。CS

18、MA技术的优点：是通过采用先听后送技术减少了冲突，提高了整个系统的吞吐量。,监 听 方 式,（）非坚持监听（CSMA-NP）方式（NPnonpersistent）：用户监听装置听到信道忙状态信号后，停止监听，再过一个随机时间后，再监听，直到听到信道闲状态信号后再发送数据。（）坚持监听（CSMA-P）(Ppersistent)方式：用户一直连续在监听，一旦发现信道空闲就以不同方式发送数据。1坚持监听：监听装置一直在连续监听，一发现信道空闲就发送数据；概率p坚持监听：监听装置听到空闲状态信号后，以概率p 发送数据，即线路空闲也可能不发送数据。,CSMA/CD(CSMA with Collision

19、 Detection)：尽管有载波监听装置，但因监听方式和不可避免的线路传输时延，仍有可能多个用户同时发信息包，致使数据相互碰撞。除监听外还进行冲突检测的方式，称为CSMA/CD。当检测到本用户的数据已被碰撞，就立即停止发送，而不等这个数据发完。这样可进一步提高通过量和信道利用率。,3CSMA技术分类,（一）工作原理及分类（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议（三）坚持监听（CSMA-P）协议（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）,（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议 为信道上单程最大的端到端的传播时延（即取总线上靠两端的两个端点间的传播时延，是最坏的情况）。当某站发送完

20、数据帧后，需经过到达对方，经过2，发方才能收到对方发过来的确认信息ACK。,传播时延对载波监听的影响,发生碰撞的原因有两个：两个站或多个站同时监听到信道空闲，同时发送数据造成冲突。由于传输时延的存在，使得在时间内，监听装置检测不到信道上信息包的存在，而发送数据。只讨论的情况！,CSMA-NP系统的通过量曲线,其中，,缺点：造成信道空闲时间的浪费,在延迟一个随机时间内,可能出现信道空闲的情况，影响了信道利用率的提高。,（一）工作原理及分类（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议（三）坚持监听（CSMA-P）协议（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）,（三）坚持监听（CSMA-P

21、）协议 坚持监听（CSMA-P）方式又分为：1坚持监听概率p坚持监听两种方式。非坚持，1坚持，p 概率坚持的特点 非坚持：不能充分利用信道刚刚转入空闲期这段时间。1坚持：在信道刚刚转入空闲期这段时间，容易产生冲突。p坚持：在一定程度上克服了上述缺点，但无法选择一个能用于各种通信量强度的p值。,CSMA-P系统的通过量曲线,其中，,特点（1）CSMA-P方式在发送数据前进行载波监听，故减少了冲突的机会；（2）由于传输时延的存在，冲突不可避免，一旦发生冲突，信道就被浪费了(T0+)时间；（3）较适用于延时较小的总线型。,（一）工作原理及分类（二）非坚持监听（CSMA-NP）协议（三）坚持监听（CS

22、MA-P）协议（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）,（四）带有冲突监测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）CSMA/CD：每当发出数据后就检测是否与用户所发的数据帧发生了碰撞。这可比较从信道收到的和本站发出的每个比特，如发现不一致，说明已与其他数据帧碰撞。一旦发现碰撞，立即停止发送，以使信道不致无效地继续被占用。将这种方式称为带有冲突检测的载波监听多址接入系统（CSMA/CD）。,工作原理（1）先听后发监听到信道空闲就发送数据帧。（2）边发边听在发送数据后继续监听，进行冲突检测。一种可行的冲突检测方法是：在发送帧的时候也同时进行接收，将从信道上接收到的信号逐比特地与发

23、送的比特相比较。若不一致，则说明发生了冲突。（3）冲突停止发送数据的站一旦检测到冲突，该站就立即停止发送数据，并发送一简短的阻塞信号。使所有的站点都知道已发生了冲突，停止发送数据，转入闲期。（4）延迟重发在发送阻塞信号后，该站延迟一段随机时间，然后采用CSMA方式再次尝试发送。阻塞信号的产生：发送若干比特的人为干扰信号（jamming signal）。,CSMA/CD与CSMA的区别：CSMA/CD增加了一个功能，就是边发送边监听。只要监听到发生冲突，则冲突的双方都必须停止发送这就是冲突检测功能。举例：以太网的核心技术就是CSMA/CD媒质访问控制方法。无线局域网（WLAN）中的IEEE802

24、.11标准中没有采用CSMA/CD协议，而是采用了CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多址接入/冲突避免）协议，这是因为在无线网络中冲突检测比较困难。,CSMA-NP/CD系统的通过量曲线,其中，,其中，,CSMA-NP/CD系统的通过量曲线,CSMA-P系统的通过量曲线,CSMA-NP系统的通过量曲线,时隙ALOHA与纯ALOHA系统的通过量曲线,CSMA、CSMA/CD方式的特点：分散控制或随机竞争性地占用信道；在有传输时延的情况下，不可避免地会发生碰撞。适用于延时较小的总线型。，当时，CSMA/CD方式的通过量比CSMA好，但设备复杂，且这种好处，在时延增加后也将逐渐消失。为了进一步改善性能，减少碰撞，CSMA系统可以采用概率p发送数据帧的方式，或优先制发送数据帧的方式，或分时隙的方式。,结论：采用复杂的协议可减小碰撞，提高通过率，但最大通过量愈高，设备也将愈复杂。要完全消除碰撞，一般需采用非竞争的集中控制方式。,=0.01时的各种随机接入方式的通过量与网络负荷的关系曲线,谢谢！,