文章目錄

• 第四章 多址技術(shù)
• • 4.1 多址協(xié)議概述
  • • 4.1.1 MAC層在通信協(xié)議中的位置
    • 4.1.2 多址協(xié)議的分類
    • 4.1.3 系統(tǒng)模型
  • 4.2 固定多址接入?yún)f(xié)議
  • • 4.2.1 頻分多址接入(FDMA)
    • 4.2.2 時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議(TDMA)
    • 4.2.3 固定多址接入?yún)f(xié)議的性能分析
  • 4.3 隨機(jī)多址接入技術(shù)
  • • 4.3.1 ALOHA協(xié)議
    • • 1.純ALOHA協(xié)議
      • 2.時(shí)隙ALOHA協(xié)議
    • 4.3.2 載波偵聽多址協(xié)議(CSMA)
    • • 1.非時(shí)隙CMSA多址協(xié)議
      • 2.時(shí)隙CSMA多址協(xié)議
      • 3.有碰撞檢測功能的載波偵聽多址協(xié)議(CSMA/CD)
      • 4.有碰撞避免功能的載波偵聽多址協(xié)議(CSMA/CA)
  • 4.4 沖突分解算法
  • • 4.4.1 樹形分裂算法
    • 4.4.2 先到先服務(wù)(FCFS)分裂算法
  • 4.4 預(yù)約多址接入技術(shù)
  • 4.5 本章課后習(xí)題

第四章 多址技術(shù)

4.1 多址協(xié)議概述

網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備通過通信子網(wǎng)來訪問網(wǎng)絡(luò)中的資源。當(dāng)多個(gè)終端同時(shí)訪問同一資源（如共享的通信信道）時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生信息碰撞，導(dǎo)致通信失敗。典型的共享鏈路有：衛(wèi)星鏈路和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的鏈路、局域網(wǎng)、分組無線電網(wǎng)等，如圖4-1所示。

在衛(wèi)星和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多個(gè)用戶采用競爭或預(yù)約分配等方法向一個(gè)中心站（衛(wèi)星或移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站）發(fā)送信息，中心站通過下行鏈路（中心站到用戶的鏈路）發(fā)送應(yīng)答信息。

在局域網(wǎng)中，一個(gè)用戶發(fā)送，所有用戶都可以接收到，它是一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò)，其典型網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)（Ethernet）。

在分組無線電網(wǎng)絡(luò)中，用戶分布在一個(gè)很廣的范圍內(nèi)，每個(gè)用戶僅能接收到其通信范圍以內(nèi)的信息，任意兩個(gè)用戶之間可能需要多次中轉(zhuǎn)才能相互交換信息，它是一個(gè)部分連通（或稱為多跳）的網(wǎng)絡(luò)。

在上述網(wǎng)絡(luò)中，如果多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送時(shí)，就會(huì)發(fā)生多個(gè)用戶的幀在物理信道上相互重疊（即碰撞），可能使得接收端無法正確接收。

為了有效地進(jìn)行通信，就需要有某種機(jī)制來決定資源的使用權(quán)，這就是網(wǎng)絡(luò)的多址接入控制問題。所謂多址接入?yún)f(xié)議(Multiple Access Protocol)就是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，解決多個(gè)用戶如何高效共享一個(gè)物理鏈路資源的技術(shù)。

4.1.1 MAC層在通信協(xié)議中的位置

從分層的角度來說，多址技術(shù)是數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層。多址接入控制層（Medium Access Control，MAC層）在通信協(xié)議中的位置如圖所示。它處于數(shù)據(jù)鏈路邏輯控制層（LLC）的下方，物理層（PHY）的上方。MAC層將有限的資源分配給多個(gè)用戶，從而使得在眾多用戶之間實(shí)現(xiàn)公平、有效地共享有限的帶寬資源；實(shí)現(xiàn)各用戶之間良好的連通性，獲得盡可能高的系統(tǒng)吞吐量以及盡可能低的系統(tǒng)時(shí)延。邏輯鏈路控制（LLC）子層為本節(jié)點(diǎn)提供了到其臨節(jié)點(diǎn)的“鏈路”，而如何協(xié)調(diào)本節(jié)點(diǎn)和其他結(jié)點(diǎn)有效地共享帶寬資源，是媒介接入控制子層（MAC層）的主要功能。

4.1.2 多址協(xié)議的分類

多址協(xié)議主要分為固定分配多址接入?yún)f(xié)議、隨機(jī)分配多址接入?yún)f(xié)議和基于預(yù)約方式的多址接入?yún)f(xié)議。

所謂固定分配多址接入是指在用戶接入信道時(shí)，專門為其分配一定的信道資源（如頻率、時(shí)隙、碼字或空間），用戶獨(dú)享該資源，直到通信結(jié)束。

所謂隨機(jī)多址接入是指用戶可以隨時(shí)接入信道，并且可能不會(huì)顧及其他用戶是否在傳輸。當(dāng)信道中同時(shí)有多個(gè)用戶接入時(shí)，在信道資源的使用上就會(huì)發(fā)生沖突（碰撞）。因此，對于有競爭的多址接入?yún)f(xié)議如何解決沖突，從而使所有碰撞用戶都可以成功進(jìn)行傳輸是一個(gè)非常重要的問題。

所謂基于預(yù)約的多址接入?yún)f(xié)議，是指在數(shù)據(jù)分組傳輸之前，先進(jìn)行資源預(yù)約。一旦預(yù)約到資源（如
頻率、時(shí)隙），則在該資源內(nèi)可進(jìn)行無沖突的傳輸。可用圖４-3來描述多址接入?yún)f(xié)議的分類。

4.1.3 系統(tǒng)模型

從排隊(duì)論的觀點(diǎn)出發(fā)，多址信道可以看成一個(gè)多進(jìn)單出的排隊(duì)系統(tǒng)（即該系統(tǒng)有多個(gè)輸入而僅僅有一個(gè)輸出）。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立的產(chǎn)生分組，而信道則相當(dāng)于服務(wù)員，它要為各個(gè)隊(duì)列服務(wù)。由于各個(gè)排隊(duì)隊(duì)列是相互獨(dú)立的，各節(jié)點(diǎn)無法知道其他隊(duì)列的情況，服務(wù)員也不知道各個(gè)隊(duì)列的情況，所以增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。如果可以通過某種措施，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分組在進(jìn)入信道之前排列成一個(gè)總的隊(duì)列，然后由信道來服務(wù)，則可以有效地避免分組在信道上的碰撞，大大提高信道的利用率。如圖4-4所示。

為了能夠有效地分析多址接入?yún)f(xié)議，必須根據(jù)應(yīng)用環(huán)境做一些假設(shè)。在討論每種多址協(xié)議時(shí)，應(yīng)該考慮下列問題：
1 . 網(wǎng)絡(luò)的連通特性。通常將網(wǎng)絡(luò)按其連通模式分為：單跳、兩跳及多跳網(wǎng)絡(luò)。

所謂單跳網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都可以接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)；

所謂兩跳網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信，需要經(jīng)過一次中繼才能通信；

而所謂多跳網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信可能要經(jīng)過多次中繼。多跳網(wǎng)絡(luò)既可以是有線網(wǎng)絡(luò)，也可以是無線網(wǎng)絡(luò)。

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，通信節(jié)點(diǎn)之間的有效通信距離是由發(fā)端的發(fā)送功率、節(jié)點(diǎn)之間的距離以及接收機(jī)靈敏度等條件決定的。

本章主要討論對稱的信道，即任意兩個(gè)在通信距離內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都可以有效的和對方進(jìn)行通信。

２.同步特性。通常用戶是可以在任意時(shí)刻接入信道，但也可以以時(shí)隙為基礎(chǔ)接入信道。在基于時(shí)隙的系統(tǒng)中，用戶只有在時(shí)隙的起點(diǎn)才能接入信道。在這種系統(tǒng)中，要求全網(wǎng)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘，同時(shí)將時(shí)間軸劃分成若干個(gè)相等的時(shí)間段，稱之為時(shí)隙。系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸開始點(diǎn)都必須在一個(gè)時(shí)隙的起點(diǎn)。

3.反饋和應(yīng)答機(jī)制。反饋信道是用戶獲得信道狀態(tài)的途徑。在本章的討論中，假設(shè)用戶（節(jié)點(diǎn)）可以獲得信道的反饋信息，即信道是空閑、碰撞還是進(jìn)行了一次成功傳輸。

4.數(shù)據(jù)產(chǎn)生模型。所有的用戶都按照泊松過程獨(dú)立地產(chǎn)生數(shù)據(jù)。

4.2 固定多址接入?yún)f(xié)議

固定多址接入?yún)f(xié)議又稱為無競爭的多址接入?yún)f(xié)議或靜態(tài)分配的多址接入?yún)f(xié)議。固定多址接入為每個(gè)用戶固定分配一定的系統(tǒng)資源，這樣當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，就能不受干擾地獨(dú)享已分配的信道資源。固定多址接入的優(yōu)點(diǎn)在于可以保證每個(gè)用戶之間的“公平性”（每個(gè)用戶都分配了固定的資源）以及數(shù)據(jù)的平均時(shí)延。典型的固定多址接入?yún)f(xié)議有：頻分多址（ＦＤＭＡ）、時(shí)分多址（ＴＤＭＡ）、碼分多址（ＣＤＭＡ）及空分多址（ＳＤＭＡ）等。在本節(jié)中重點(diǎn)討論時(shí)分多址和頻分多址系統(tǒng)。

4.2.1 頻分多址接入(FDMA)

4.2.2 時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議(TDMA)

4.2.3 固定多址接入?yún)f(xié)議的性能分析

Ｄ 的最小值是２。當(dāng)ｍ＝２ 時(shí),TDMA 和FDMA的性能相同，兩曲線重合。ｍ值越大，兩者的差別就越大。

從上面的討論和分析可以看出，傳統(tǒng)的固定多址接入?yún)f(xié)議不能有效地處理用戶數(shù)量的可變性和通信業(yè)務(wù)的突發(fā)性，因此，將進(jìn)一步討論隨機(jī)接入的多址協(xié)議。

4.3 隨機(jī)多址接入技術(shù)

隨機(jī)多址協(xié)議又叫做有競爭的多址接入?yún)f(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位是等同的，各節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得信道的使用權(quán)。隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議又可細(xì)分為完全隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議（ALOHA協(xié)議）和載波偵聽型多址接入?yún)f(xié)議。不論是哪種隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議，主要關(guān)心兩個(gè)方面的問題：一個(gè)是穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的通過率和時(shí)延性能，另一個(gè)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.3.1 ALOHA協(xié)議

為了分析隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議的性能，假設(shè)系統(tǒng)是由ｍ 個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)組成的單跳系統(tǒng)，信道是無差錯(cuò)及無捕獲效應(yīng)的信道，分組的到達(dá)和傳輸過程滿足如下假定：
（１） 各個(gè)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)過程為獨(dú)立的參數(shù)為λ/ｍ的Poisson到達(dá)過程，系統(tǒng)總的到達(dá)率為λ。
（2）在一個(gè)時(shí)隙或一個(gè)分組傳輸結(jié)束后，信道能夠立即給出當(dāng)前傳輸狀態(tài)的反饋信息。反饋信息為“０”表明當(dāng)前時(shí)隙或信道無分組傳輸，反饋信息為“１”
表明當(dāng)前時(shí)隙或信道僅有一個(gè)分組傳輸（即傳輸成功），反饋信息為“ｅ”表明當(dāng)前時(shí)隙或信道有多個(gè)分組在傳輸，即發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致接收端無法正確接收。
（3）碰撞的節(jié)點(diǎn)將在后面的某一個(gè)時(shí)刻重傳被碰撞的分組，直至傳輸成功。
如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組必須重傳，則稱該節(jié)點(diǎn)為等待重傳的節(jié)點(diǎn)。
（4）對于節(jié)點(diǎn)的緩存和到達(dá)過程作如下假設(shè)：
假設(shè)Ａ：無緩存情況。在該情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多容納一個(gè)分組。如果該節(jié)點(diǎn)有一個(gè)分組在等待傳輸或正在傳輸，則新到達(dá)的分組被丟棄且不會(huì)被傳輸。在該情況下，所求得的時(shí)延是有緩存情況下時(shí)延的下界（Low Bound）。

假設(shè)Ｂ：系統(tǒng)有無限個(gè)節(jié)點(diǎn)（$ｍ＝\infty$）。每個(gè)新產(chǎn)生的分組到達(dá)一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)。這樣網(wǎng)絡(luò)中所有的分組都參與競爭，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延增加。因此，在該假設(shè)情況下求得的時(shí)延是有限節(jié)點(diǎn)情況下的時(shí)延上界（Up Bound）。

如果一個(gè)系統(tǒng)采用假設(shè)Ａ 或假設(shè)Ｂ 分析的結(jié)果類似，則采用這種分析方法就是對具有任意大小緩存系統(tǒng)性能的一個(gè)很好的近似。

1.純ALOHA協(xié)議

純ALOHA協(xié)議是最基本的ALOHA協(xié)議。只要有新的分組到達(dá)，就立即被發(fā)送并期望不與別的分組發(fā)生碰撞。一旦分組發(fā)生碰撞，則隨機(jī)退避一段時(shí)間后進(jìn)行重傳。

如果從數(shù)據(jù)分組開始發(fā)送的時(shí)間起點(diǎn)到其傳輸結(jié)束的這段時(shí)間內(nèi)，沒有其他數(shù)據(jù)分組發(fā)送，則該分組就不會(huì)和其他分組發(fā)生碰撞。如圖４－９所示， 在什么情況下圖中陰影部分表示的數(shù)據(jù)分組（在ｔ０＋ｔ時(shí)刻產(chǎn)生的分組）可以不受任何干擾的發(fā)送呢？

為了便于分析，假設(shè)系統(tǒng)中所有分組的長度相等，傳輸數(shù)據(jù)分組所需的時(shí)間定義為系統(tǒng)的單位時(shí)間，為了簡化描述，令該值等于ｔ，并在下面的分析中令其等于１）。從圖中可以看到，如果在t0 到t0+t時(shí)間內(nèi)，其他用戶產(chǎn)生了數(shù)據(jù)分組，則該分組的尾部就會(huì)和陰影分組的頭部碰撞；同樣，在t0+t 和t0+2t之間產(chǎn)生的任何分組都將和陰影分組的尾部發(fā)生碰撞。時(shí)間區(qū)間［ｔ０，ｔ０＋２ｔ］稱為陰影分組（在ｔ０＋ｔ時(shí)刻產(chǎn)生的分組）的易受破壞區(qū)間。

很顯然，在純ALOHA協(xié)議中，只有在數(shù)據(jù)分組的易受破壞區(qū)間內(nèi)沒有其他分組傳輸，則該分組可以成功傳輸。為了分析方便，設(shè)系統(tǒng)有無窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)（假設(shè)Ｂ），假定重傳的時(shí)延足夠隨機(jī)，重傳分組和新到達(dá)分組合成的分組流是到達(dá)率為Ｇ的Poisson到達(dá)過程。則在純ALOHA系統(tǒng)中，一個(gè)分組成功傳輸?shù)母怕示褪窃谄洚a(chǎn)生時(shí)刻前一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)沒有分組發(fā)送，并且在該分組產(chǎn)生時(shí)刻的后一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)也沒有分組發(fā)送的概率，即在該分組產(chǎn)生時(shí)刻前后兩個(gè)時(shí)間單位內(nèi)沒有其他分組發(fā)送的概率。

2.時(shí)隙ALOHA協(xié)議

從前面的描述中可以看到，在純ＡＬＯＨＡ 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)只要有分組就發(fā)送，易受破壞區(qū)間為兩個(gè)單位時(shí)間。如果縮小易受破壞區(qū)間，就可以減少分組碰撞的概率，提高系統(tǒng)的利用率。基于這一出發(fā)點(diǎn)，提出了時(shí)隙ALOHA協(xié)議。

例題

分析：信道速率?通過率=所有終端發(fā)送速率之和 ，可以推出終端個(gè)數(shù)=信道速率?通過率/每個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。

平均傳輸時(shí)延和吞吐量的關(guān)系

4.3.2 載波偵聽多址協(xié)議(CSMA)

在前面討論的ＡＬＯＨＡ 協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不考慮當(dāng)前信道是忙還是閑，一旦有分組到達(dá)就獨(dú)自決定將分組發(fā)送到信道。顯然這種控制策略存在盲目性。即使是稍有改進(jìn)的時(shí)隙ＡＬＯＨＡ協(xié)議，其最大吞吐率也只能達(dá)到約0.368。若要進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐率，還應(yīng)進(jìn)一步設(shè)法減少節(jié)點(diǎn)間發(fā)送沖突的概率。為此，除了縮小易受破壞區(qū)間外（這也是有限度的），還可以從減少發(fā)送的盲目性著手，在發(fā)送之前先觀察信道是否有用戶在傳輸（或進(jìn)行“載波偵聽”）來確定信道忙閑狀態(tài)，然后再?zèng)Q定分組是否發(fā)送。這就是被廣泛采用的載波偵聽型多址接入?yún)f(xié)議CSMA(Carrier Sense Multiple Access)。

CSMA 是從ALOHA協(xié)議演變出的一種改進(jìn)型協(xié)議，它采用了附加的硬件裝置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠檢測（偵聽）到信道上有無分組在傳輸。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)可以等到信道空閑后再傳輸，這樣可以減少要發(fā)送的分組與正在傳輸?shù)姆纸M之間的碰撞，提高系統(tǒng)的利用率。

1.非時(shí)隙CMSA多址協(xié)議

非時(shí)隙ＣＳＭＡ協(xié)議的工作過程如下：當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，如果信道空閑，則立即發(fā)送該分組；如果信道忙，則分組被延遲一段時(shí)間后，重新檢測信道。如果信道忙或發(fā)送時(shí)與其他分組碰撞，則該分組變成等待重傳的分組。每個(gè)等待重傳的分組將重復(fù)地嘗試重傳，重傳間隔相互獨(dú)立且服從指數(shù)分布。

非堅(jiān)持型非時(shí)隙ＣＳＭＡ 多址協(xié)議的主要特點(diǎn)是在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)測信道，一旦監(jiān)測到信道忙時(shí)，能主動(dòng)的退避一段時(shí)間（暫時(shí)放棄監(jiān)測信道）。

2.時(shí)隙CSMA多址協(xié)議

時(shí)隙ＣＳＭＡ協(xié)議把時(shí)間軸分成寬度為β的時(shí)隙（注意：時(shí)隙ＡＬＯＨＡ 中時(shí)隙的寬度為一個(gè)分組的長度，這里的時(shí)隙寬度為載波檢測時(shí)間）。如果分組到達(dá)一個(gè)空閑的時(shí)隙，它將在下一個(gè)空閑時(shí)隙開始傳輸［如圖（ａ）］。如果某節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)時(shí)，信道上有分組正在傳輸，則該節(jié)點(diǎn)變?yōu)榈却貍鞯墓?jié)點(diǎn)，它將在當(dāng)前分組傳輸結(jié)束后的后續(xù)空閑時(shí)隙中以概率$q_r$ 進(jìn)行傳輸。

從圖中可以看出，非堅(jiān)持型ＣＳＭＡ 協(xié)議可以大大減少碰撞的機(jī)會(huì)，使系統(tǒng)的最大吞吐量達(dá)到信道容量的80％ 以上，時(shí)隙非堅(jiān)持型ＣＳＭＡ協(xié)議的性能則更好。１－ 堅(jiān)持型ＣＳＭＡ 由于毫無退避措施，在業(yè)務(wù)量很小時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送機(jī)會(huì)較多，響應(yīng)也較快。但若節(jié)點(diǎn)數(shù)增大或總的業(yè)務(wù)量增加時(shí)，碰撞的機(jī)會(huì)急劇增加，系統(tǒng)的吞吐量特性急劇變壞，其最大吞吐量只能達(dá)到信道容量的５３％左右。但總的說來，ＣＳＭＡ 協(xié)議的性能優(yōu)于ＡＬＯＨＡ 協(xié)議的性能。

3.有碰撞檢測功能的載波偵聽多址協(xié)議(CSMA/CD)

前面討論的ＣＳＭＡ 協(xié)議由于在發(fā)送之前進(jìn)行載波監(jiān)聽，所以減少了沖突的機(jī)會(huì)。但由于傳播時(shí)延的存在，沖突還是不可避免的。只要發(fā)生沖突，信道就被浪費(fèi)一段時(shí)間。CSMA/CD 比CSMA又增加了一個(gè)功能，這就是邊發(fā)送邊監(jiān)聽。只要監(jiān)聽到信道上發(fā)生了沖突，則沖突的節(jié)點(diǎn)就必須停止發(fā)送。這樣，信道就很快空閑下來，因而提高了信道的利用率。這種邊發(fā)送邊監(jiān)聽的功能稱為沖突檢測。

總的來說，ＣＳＭＡ／ＣＤ接入?yún)f(xié)議比ＣＳＭＡ 多址接入?yún)f(xié)議的控制規(guī)則增加了如下三點(diǎn)：
（１）“邊說邊聽”———任一發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀期間要保持偵聽信道的碰撞情況。一旦檢測到碰撞發(fā)生，應(yīng)立即中止發(fā)送，而不管目前正在發(fā)送的幀是否發(fā)完。
（２）“強(qiáng)化干擾”———發(fā)送節(jié)點(diǎn)在檢測到碰撞并停止發(fā)送后，立即改為發(fā)送一小段“強(qiáng)化干擾信號”，以增強(qiáng)碰撞檢測效果。
（３）“碰撞檢測窗口”———任一發(fā)送節(jié)點(diǎn)若能完整的發(fā)完一個(gè)數(shù)據(jù)幀，則停頓一段時(shí)間（兩倍的最大傳播時(shí)延）并監(jiān)聽信道情況。若在此期間未發(fā)生碰撞，則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)幀已經(jīng)發(fā)送成功。此時(shí)間區(qū)間即稱“碰撞檢測窗口”。

上述第（１）點(diǎn)保證盡快確知碰撞發(fā)生和盡早關(guān)閉碰撞發(fā)生后的無用發(fā)送，這有利于提高信道利用率；第（２）點(diǎn)可以提高網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對于碰撞檢測的可信度，保證了分布式控制的一致性；第（３）點(diǎn)有利于提高一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功的可信度。如果接收節(jié)點(diǎn)在此窗口內(nèi)發(fā)送應(yīng)答幀（ACK 或NAK）的話，則可保證應(yīng)答傳輸成功。

4.有碰撞避免功能的載波偵聽多址協(xié)議(CSMA/CA)

CSMA/CA是有沖突避免（Collision Avoidance）的載波偵聽型多址接入?yún)f(xié)議。它是對CSMA的另一種改進(jìn)方法。通常在無線系統(tǒng)中，一臺(tái)無線設(shè)備不能在相同的頻率（信道）上同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送，因而不能采用碰撞檢測（CD）技術(shù)。因此，只能通過沖突避免的方法來減少?zèng)_突的可能性。在IEEE802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）的標(biāo)準(zhǔn)中，就采用了CSMA/CA協(xié)議。它不僅支持全連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?#xff0c;同時(shí)支持部分連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

IEEE802.11中CSMA/CA 的基本工作過程是：一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先對信道進(jìn)行預(yù)約。假定Ａ 要向Ｂ 發(fā)送數(shù)據(jù)幀，發(fā)送節(jié)點(diǎn)Ａ先發(fā)送一個(gè)請求發(fā)送幀ＲＴＳ（Request To Send）來預(yù)約信道，所有收到ＲＴＳ 幀的節(jié)將暫緩發(fā)送。而真正的接收節(jié)點(diǎn)Ｂ 在收到ＲＴＳ 后，發(fā)送一個(gè)允許發(fā)送的應(yīng)答幀ＣＴＳ（Clear To Send）。在ＲＴＳ和ＣＴＳ幀中均包括要發(fā)送分組的長度（在給定信道傳輸速率及ＲＴＳ和ＣＴＳ長度的情況下，各節(jié)點(diǎn)就可以計(jì)算出相應(yīng)的退避時(shí)間，該時(shí)間通常稱為ＮＡＶ（Network Allocation Vector））。

CTS幀有兩個(gè)作用：一是表明接收節(jié)點(diǎn)Ｂ 可以接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)Ａ 的幀，二是禁止Ｂ 的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送，從而避免了Ｂ的鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送對Ａ 到Ｂ的數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽TS和CTS幀很短，如它們分別可為２０和１４ 個(gè)字節(jié)。而數(shù)據(jù)幀最長可以達(dá)到２３４６字節(jié)。相比之下，RTS和CTS引入的開銷不大。RTS/CTS的傳輸過程如圖4-20所示。

4.4 沖突分解算法

對于有競爭的多址接入?yún)f(xié)議如何解決沖突從而使所有碰撞用戶都可以成功傳輸是一個(gè)非常重要的問題。從前面的討論可以看出，通過調(diào)整對等待重傳隊(duì)列長度的估值，改變重傳概率，可以進(jìn)一步減緩碰撞。而另一種更有效的解決沖突的方式就是沖突分解（Collision Resulution）。

沖突分解的基本思想是：如果系統(tǒng)發(fā)生碰撞，則讓新到達(dá)的分組在系統(tǒng)外等待，在參與碰撞的分組均成功傳輸結(jié)束后，再讓新分組傳輸。

下面針對ＡＬＯＨＡ協(xié)議進(jìn)行討論，以兩個(gè)分組碰撞的情況來簡要說明沖突分解的過程和好處。

一旦一個(gè)分組成功傳輸，則另一個(gè)分組在下一時(shí)隙必然成功傳輸，所以平均需要３個(gè)時(shí)隙才能成功發(fā)送２個(gè)分組。因而在沖突分解的過程中，通過率為2/3.

4.4.1 樹形分裂算法

假設(shè)在第ｋ個(gè)時(shí)隙發(fā)生碰撞，碰撞節(jié)點(diǎn)的集合為Ｓ。所有未介入碰撞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)。Ｓ被隨機(jī)地分成兩個(gè)子集，用左集（Ｌ）和右集（Ｒ）表示。左集（Ｌ）先在第ｋ＋１時(shí)隙中傳輸。如果第ｋ＋１時(shí)隙中傳輸成功或空閑，則Ｒ在第ｋ＋２個(gè)時(shí)隙中傳輸。如果在第ｋ＋１ 時(shí)隙中發(fā)生碰撞，則將Ｌ 再分為左集（ＬＬ）和右集（ＬＲ），ＬＬ在第ｋ＋２個(gè)時(shí)隙中傳輸。如果第ｋ＋２ 時(shí)隙中傳輸成功或空閑，則ＬＲ在第ｋ＋３個(gè)時(shí)隙中傳輸。以此類推，直至集合Ｓ中所有的分組傳輸成功。從碰撞的時(shí)隙（第ｋ個(gè)時(shí)隙）開始，直至Ｓ集合中所有分組成功傳輸結(jié)束的時(shí)隙稱為一個(gè)沖突分解期（ＣＲＰ）。

該圖中用了８個(gè)時(shí)隙完成了沖突分解。該算法中，在給定每個(gè)時(shí)隙結(jié)束時(shí)立即有（０，１，ｅ）反饋信息的情況下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)能構(gòu)造一個(gè)相同的樹，并確定自己所處的子集和確定何時(shí)發(fā)送自己的分組。

具體的方法如下：樹形算法中的發(fā)送順序可對應(yīng)于一個(gè)數(shù)據(jù)壓入堆棧的順序。當(dāng)一個(gè)碰撞發(fā)生后，碰撞節(jié)點(diǎn)的集合被分為子集，形成的每一個(gè)子集作為一個(gè)元素壓入堆棧。在發(fā)送時(shí)，堆棧最頂端的子集從堆棧中移出并進(jìn)行發(fā)送。每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用一個(gè)計(jì)數(shù)器來跟蹤它的分組所在的當(dāng)前子集處于堆棧中的位置。如果該子集處于堆棧的頂端，則立即發(fā)送。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的分組傳輸發(fā)生碰撞（沖突分解開始），計(jì)數(shù)器的初值置０或１（取決于該分組被放在哪個(gè)子集中，顯然如果該分組被放入左子集，則初值被置為０；而如果該分組被放入右子集，則初值置為１）。在沖突分解過程中，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為０時(shí)，則發(fā)送該分組。如果計(jì)數(shù)器為非０，則在沖突分解過程中，每次時(shí)隙發(fā)生碰撞，計(jì)數(shù)器值加１，每次成功傳輸或時(shí)隙空閑，計(jì)數(shù)器值減１。

在沖突分解期（ＣＲＰ）中，處理的分組是介入碰撞的分組。而在ＣＲＰ 中，還會(huì)不停地有新分組到達(dá)。對于ＣＲＰ中新到達(dá)的分組有兩種處理方法。方法一是在當(dāng)前ＣＲＰ結(jié)束后立即開始一個(gè)新的ＣＲＰ，該新ＣＲＰ所處理的分組就是當(dāng)前ＣＲＰ中到達(dá)的新分組。這種方法的問題是，如果當(dāng)前ＣＲＰ到達(dá)了很多分組，則在新的ＣＲＰ 中，可能要碰撞很長時(shí)間才能通過分解得到一個(gè)很小的子集。方法二是在當(dāng)前ＣＲＰ 結(jié)束時(shí)刻，立即將到達(dá)的分組分為ｊ個(gè)子集（ｊ的選擇應(yīng)使每個(gè)子集中的分組數(shù)稍大于１），然后對每一個(gè)子集進(jìn)行沖突分解。該方法的最大通過率可以達(dá)到每個(gè)時(shí)隙０．４３個(gè)分組。

通過仔細(xì)觀察樹形算法，可以發(fā)現(xiàn)，如果在一次碰撞（如第ｋ個(gè)時(shí)隙）以后，下一個(gè)時(shí)隙（第ｋ＋１時(shí)隙）是空閑的，則第ｋ＋２ 個(gè)時(shí)隙必然會(huì)再次發(fā)生碰撞。這表明將碰撞節(jié)點(diǎn)集合中的所有節(jié)點(diǎn)都分配到了右集（Ｒ），自然會(huì)再次發(fā)生碰撞。改進(jìn)的方法是：當(dāng)碰撞后出現(xiàn)空閑時(shí)隙，則不傳送第二個(gè)子集（Ｒ）中的分組，而是立即將Ｒ 再次分解，然后再傳輸分解后的第一個(gè)子集（ＲＬ），如果再次空閑，則再次進(jìn)行分解，然后傳送ＲＬＬ集合中的分組，以此類推。通過這樣的改進(jìn)可以使每個(gè)時(shí)隙的最大通過率達(dá)到０．４６個(gè)分組。

4.4.2 先到先服務(wù)(FCFS)分裂算法

4.4 預(yù)約多址接入技術(shù)

4.5 本章課后習(xí)題

４．１　請討論固定多址接入?yún)f(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

４．２　在ＡＬＯＨＡ協(xié)議中，為什么會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定平衡點(diǎn)和不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，重傳概率對系統(tǒng)的性能有何影響？
４．３　設(shè)信道數(shù)據(jù)速率為９６００ｂｉｔ／ｓ，分組長度為８０４ｂｉｔ。計(jì)算當(dāng)Ｇ＝０．７５時(shí)純ＡＬＯＨＡ 系統(tǒng)負(fù)荷為多少。

４．４　ｎ個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)９６００ｂｉｔ／ｓ的信道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以每１００ｓ產(chǎn)生一個(gè)１０００ｂｉｔ 分組的平均速率發(fā)送數(shù)據(jù)分組。試求在純ＡＬＯＨＡ 系統(tǒng)和時(shí)隙ＡＬＯＨＡ系統(tǒng)中最大可容許的系統(tǒng)用戶數(shù)Ｎ 的值。

４．５　什么叫穩(wěn)定的多址接入?yún)f(xié)議？使用偽貝葉斯算法的時(shí)隙ＡＬＯＨＡ協(xié)議是不是穩(wěn)定的多址接入?yún)f(xié)議？如果是，其穩(wěn)定的最大通過率是多少？

４．６　ＣＳＭＡ協(xié)議的基本原理是什么？與ＡＬＯＨＡ 系統(tǒng)相比，為什么ＣＳＭＡ系統(tǒng)有可能獲得更高的系統(tǒng)吞吐率？

4．７　ＣＳＭＡ系統(tǒng)主要是在什么問題的處理決策上去區(qū)分三種不同類型的ＣＳＭＡ 協(xié)議？說明它們各自的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)。
4.7 答：CSMA 系統(tǒng)主要在分組到達(dá)時(shí)若信道忙，是否持續(xù)偵聽信道及在獲得空閑信道后怎樣發(fā)送分組的處理上區(qū)分三種不同的CSMA 協(xié)議的，也即對沖突問題的處理決策上來區(qū)分的。
三種形式：
非堅(jiān)持型CSMA ：當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，若信道空閑，則立即發(fā)送分組；若信道處于忙狀態(tài)，則分組的發(fā)送將被延遲，且節(jié)點(diǎn)不再跟蹤信道的狀態(tài)（即節(jié)點(diǎn)暫時(shí)不檢測信道），延遲結(jié)束后節(jié)點(diǎn)再次檢測信道狀態(tài)，并重復(fù)上述過程，如此循環(huán)，直到將該分組發(fā)送成功為止。

1-堅(jiān)持型CSMA ：當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，若信道空閑，則立即發(fā)送分組；若信道處于忙狀態(tài)，則該節(jié)點(diǎn)一直堅(jiān)持檢測信道狀態(tài)，直至檢測到信道空閑后，立即發(fā)送該分組。

p-堅(jiān)持型CSMA ：當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，若信道空閑，則立即發(fā)送分組；若信道處于忙狀態(tài)，則該節(jié)點(diǎn)一直檢測信道的狀態(tài)，在檢測到信道空閑后，以概率p 發(fā)送該分組。
４．８　ＣＳＭＡ方法有什么應(yīng)用環(huán)境限制？在衛(wèi)星信道上能采用ＣＳＭＡ 接入方法嗎？為什么？

４．９　假設(shè)有以下兩個(gè)ＣＳＭＡ／ＣＤ網(wǎng)：
網(wǎng)絡(luò)Ａ是ＬＡＮ（局域網(wǎng)），傳送速率為５Ｍｂｉｔ／ｓ，電纜長１ｋｍ，分組長度１０００ｂｉｔ；
網(wǎng)絡(luò)Ｂ是ＭＡＮ（城域網(wǎng)），電纜長５０ｋｍ，分組長度１０００ｂｉｔ。
那么，網(wǎng)絡(luò)Ｂ需要多大的傳送速率才能達(dá)到與網(wǎng)絡(luò)Ａ 相同的吞吐量？

４．１０　Ｋ 個(gè)節(jié)點(diǎn)共享１０Ｍｂｉｔ／ｓ的總線電纜，用ＣＳＭＡ／ＣＤ作為訪問方案（即以太網(wǎng)ＬＡＮ）。總線長５００ｍ，分組長Ｌ 比特，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上的Ｋ個(gè)節(jié)點(diǎn)總有業(yè)務(wù)準(zhǔn)備傳送（重負(fù)荷情況）。Ｐ是競爭時(shí)隙中一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的概率。令Ｋ＝１０，傳播速度是３×１０８ ｍ／ｓ。求競爭周期的平均時(shí)隙數(shù)、競爭周期的平均持續(xù)時(shí)間及以下兩種情況的信道利用率。
（１） Ｌ＝１００ｂｉｔ。
（２） Ｌ＝１０００ｂｉｔ。
４．１１　試給出圖４－２６所示網(wǎng)絡(luò)中的無沖突矢量集合。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通信网络基础期末复习-第四章-多址接入协议的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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