水聲通信組網(wǎng)技術(shù)第四講水聲網(wǎng)絡(luò)多址接入

2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入1第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入多址接入?yún)f(xié)議概述多址接入?yún)f(xié)議的分類多址接入信道模型各種多址接入?yún)f(xié)議固定多址接入?yún)f(xié)議隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議預(yù)約多址接入?yún)f(xié)議水下通信網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入21.多址接入?yún)f(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。2023/2/431.多址接入?yún)f(xié)議概述第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入41.多址接入?yún)f(xié)議概述為了有效的進(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（MultipleAccessProtocol）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)。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入51.多址接入?yún)f(xié)議概述

——MAC層在通信協(xié)議中的位置從分層的角度來看，多址技術(shù)是數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層。它處于數(shù)據(jù)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(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)提供了到其鄰節(jié)點(diǎn)的“鏈路”，而如何協(xié)調(diào)本節(jié)點(diǎn)和其它節(jié)點(diǎn)來有效地共享帶寬資源，是媒質(zhì)接入控制子層——MAC層的主要功能。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入6水聲網(wǎng)絡(luò)的通用協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的演化節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B自組織網(wǎng)協(xié)議棧的演化

自組織網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)1.多址接入?yún)f(xié)議概述

——MAC層在通信協(xié)議中的位置2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入71.多址接入?yún)f(xié)議概述

——MAC層在通信協(xié)議中的位置2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入82.多址協(xié)議的分類固定分配多址接入?yún)f(xié)議隨機(jī)分配多址接入?yún)f(xié)議基于預(yù)約方式的多址接入?yún)f(xié)議2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入92.多址協(xié)議的分類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。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入102.多址協(xié)議的分類所謂隨機(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)顧及其它用戶是否在傳輸。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(duì)于有競(jìng)爭(zhēng)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。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入112.多址協(xié)議的分類所謂基于預(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。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入122.多址協(xié)議的分類2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入133.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)無法知道其它隊(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。如果我們可以通過某種措施，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(wǎng)絡(luò)的多址接入14(a)多址信道；

(b)理想的多址協(xié)議

2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入15用戶數(shù)據(jù)隨機(jī)到達(dá)2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入162023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入174.1固定分配多址接入?yún)f(xié)議頻分多址接入時(shí)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(wǎng)絡(luò)的多址接入184.1固定分配多址接入?yún)f(xié)議固定多址接入?yún)f(xié)議又稱為無競(jìng)爭(zhēng)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。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入19頻分多址接入頻分多址——FrequencyDivisionMultipleAccess（FDMA）是把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)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(wǎng)絡(luò)的多址接入20頻分多址接入2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入21頻分多址接入FDMA的最大優(yōu)點(diǎn)是相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。當(dāng)用戶數(shù)較少且數(shù)量大致固定、每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量都較大時(shí)（比如在電話交換網(wǎng)中），F(xiàn)DMA是一種有效的分配方法。但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)較多且數(shù)量經(jīng)常變化，或者通信量具有突發(fā)性的特點(diǎn)時(shí)，采用FDMA就會(huì)產(chǎn)生一些問題：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際用戶數(shù)少于已經(jīng)劃分的頻道數(shù)時(shí)，許多寶貴的頻道資源就白白浪費(fèi)了當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的頻道已經(jīng)分配完后，即使這時(shí)已分配到頻道的用戶沒有進(jìn)行通信，其他一些用戶也會(huì)因?yàn)闆]有分配到頻道而不能通信。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入22時(shí)分多址——TimeDivisionMultipleAccess(TDMA)也是一種典型的固定多址接入?yún)f(xié)議。TDMA多址接入?yún)f(xié)議將時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使每個(gè)用戶只能在指定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送。時(shí)分多址接入2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入23時(shí)分多址接入在時(shí)分多址的系統(tǒng)中，用戶在每一幀中可以占用一個(gè)時(shí)隙，如果用戶在已分配的時(shí)隙上沒有數(shù)據(jù)傳輸，則這段時(shí)間將被浪費(fèi)。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入242023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入25每個(gè)用戶具有特定的地址碼用戶通過地址碼的正交性來進(jìn)行區(qū)分碼分多址通常伴隨著擴(kuò)頻通信碼分多址接入2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入26將空間分割構(gòu)成不同的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用。一顆衛(wèi)星使用多個(gè)天線，各個(gè)天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域、地面上不同地區(qū)的地球站，它們?cè)谕粫r(shí)間、即使使用相同的頻率進(jìn)行工作，它們之間也不會(huì)形成干擾?？辗侄嘀方尤?023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入274.2隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議ALOHACSMACSMA/CDIEEE802.11協(xié)議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入28隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議隨機(jī)多址協(xié)議又叫做有競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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）載波偵聽型多址接入?yún)f(xié)議我們主要關(guān)心兩個(gè)方面的問題：穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的通過率和時(shí)延性能系統(tǒng)的穩(wěn)定性2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入29ALOHA協(xié)議ALOHA協(xié)議是上世紀(jì)70年代Hawaii大學(xué)建立的在多個(gè)數(shù)據(jù)終端到計(jì)算中心之間的通信網(wǎng)絡(luò)中使用的協(xié)議?；舅枷耄喝粢粋€(gè)空閑的節(jié)點(diǎn)有一個(gè)分組到達(dá)，則立即發(fā)送該分組，并期望不會(huì)和其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞。如果發(fā)生碰撞,則在一個(gè)隨機(jī)時(shí)延后重傳。

2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入30純ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議基于用戶對(duì)媒介的隨機(jī)接入。當(dāng)用戶有信息要發(fā)送時(shí)，它就立即發(fā)送如果接收用戶正確接收數(shù)據(jù)，則發(fā)回確認(rèn)信息（ACK：acknowledgement）如果發(fā)送用戶沒有收到ACK，則等待隨機(jī)時(shí)間后重發(fā)。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入31時(shí)隙ALOHA協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議是ALOHA協(xié)議的改進(jìn)方法，是Roberts提出的。在這種方法中，時(shí)間劃分為時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘依據(jù)這些時(shí)隙同步。各節(jié)點(diǎn)只能在時(shí)隙開始點(diǎn)進(jìn)行傳輸,時(shí)隙寬度等于一個(gè)分組的傳輸時(shí)間當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送包時(shí)，它要等到下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)發(fā)送。限制包在時(shí)隙傳送降低了沖突的發(fā)生率。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入32時(shí)隙ALOHA協(xié)議2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入33時(shí)隙ALOHA協(xié)議如果在某時(shí)隙內(nèi),僅有一個(gè)分組到達(dá)(包括新到達(dá)的分組和重傳分組的到達(dá)),則該分組會(huì)傳輸成功。如果在某時(shí)隙內(nèi)到達(dá)兩個(gè)或兩個(gè)以上的分組,則將會(huì)發(fā)生碰撞。碰撞的分組隨機(jī)時(shí)延若干個(gè)時(shí)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(wǎng)絡(luò)的多址接入34時(shí)隙ALOHA協(xié)議性能分析在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)到達(dá)的分組包括兩部分:新到達(dá)的分組重傳的分組設(shè)新到達(dá)的分組是到達(dá)率為λ(分組數(shù)/時(shí)隙)的Poisson過程。假定重傳的時(shí)延足夠隨機(jī)化則可以近似地認(rèn)為重傳分組的到達(dá)過程和新分組的到達(dá)過程之和是到達(dá)率為G(＞λ)的Poisson過程2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入35系統(tǒng)的通過率S：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能傳輸?shù)姆纸M數(shù)之比。若分組的長(zhǎng)度為一個(gè)時(shí)隙寬度,則系統(tǒng)的通過率就是指一個(gè)時(shí)隙內(nèi)成功傳輸所占的比例(或分組成功傳輸?shù)母怕?。系統(tǒng)的通過率S又稱為離開系統(tǒng)的速率時(shí)隙ALOHA協(xié)議性能分析2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入36由于重傳分組和新分組的到達(dá)過程之和是到達(dá)率為G(＞λ)的Poisson過程則，T個(gè)時(shí)隙內(nèi)有k個(gè)分組到達(dá)的概率：一個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅有一個(gè)分組到達(dá)的概率，即分組成功傳輸?shù)母怕剩ㄏ到y(tǒng)的通過率S）2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入37時(shí)隙ALOHA協(xié)議的通過率曲線

S=0.3682023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入38當(dāng)G=1時(shí),系統(tǒng)達(dá)到最大的通過率為1/e≈0.368;當(dāng)G＜1,則空閑的時(shí)隙較多;當(dāng)G＞1,則碰撞較多,會(huì)導(dǎo)致性能下降。為了達(dá)到最佳的性能,應(yīng)當(dāng)將G維持在1附近變化。在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況下,應(yīng)當(dāng)有新分組的到達(dá)率等于系統(tǒng)的離開速率(也即系統(tǒng)的通過率),即S=λ。時(shí)隙ALOHA協(xié)議性能分析2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入39假定分組的長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度,分組在t時(shí)刻到達(dá)并開始傳輸,則在(t-1,t+1)內(nèi)任何時(shí)刻到達(dá)和傳輸?shù)钠渌纸M都會(huì)與t時(shí)刻到達(dá)的分組發(fā)生碰撞。一個(gè)分組成功傳輸?shù)母怕?就是在t時(shí)刻前后各一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)無分組到達(dá)的概率,即在兩個(gè)單位時(shí)間均無分組到達(dá)的概率,其表達(dá)式為

系統(tǒng)的通過率為

純ALOHA協(xié)議性能分析2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入40純ALOHA協(xié)議的通過率曲線

純ALOHA協(xié)議最大通過率為1/2e≈0.184純ALOHA協(xié)議最大通過率是時(shí)隙ALOHA協(xié)議最大通過率的一半最大通過率對(duì)應(yīng)的G=0.5而不是1.02023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入41純ALOHAvs.時(shí)隙ALOHA純ALOHA協(xié)議的效率只是時(shí)隙ALOHA協(xié)議的一半純ALOHA協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且分組長(zhǎng)度是可變的,而不像時(shí)隙ALOHA協(xié)議那樣要將分組分解為固定長(zhǎng)度純ALOHA協(xié)議初次接入的時(shí)延較小。這些優(yōu)點(diǎn)從某種程度上彌補(bǔ)了通過率上的損失總之，ALOHA協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)信息量突增的情況下效率很差。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入42CSMACSMA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(cè)（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(cè)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。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入43CSMA協(xié)議可細(xì)分為幾種不同的實(shí)現(xiàn)形式：非堅(jiān)持型（Non-persistent）CSMA1-堅(jiān)持型CSMAp-堅(jiān)持型CSMACSMA2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入44非堅(jiān)持型CSMA所謂非堅(jiān)持型CSMA是指當(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(cè)信道），延遲結(jié)束后節(jié)點(diǎn)再次檢測(cè)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。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入451-堅(jiān)持型CSMA所謂1-堅(jiān)持型CSMA是指當(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(cè)信道狀態(tài)，直至檢測(cè)到信道空閑后，立即發(fā)送該分組。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入46p-堅(jiān)持型CSMA所謂p-堅(jiān)持型CSMA是指當(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(cè)信道的狀態(tài)，在檢測(cè)到信道空閑后，以概率p發(fā)送該分組2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入47

CSMA/CDCSMA/CD(碰撞檢測(cè))通常用于局域網(wǎng)(LAN),如Ethernet中。該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：所有用戶都連接到一個(gè)公共電纜上,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí),所有節(jié)點(diǎn)都可以接收該分組來回傳播時(shí)延很小,它只占分組長(zhǎng)度的很小部分2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入48

工作過程:當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有分組到達(dá)時(shí),它首先偵聽信道：若信道空閑,則立即發(fā)送分組;否則，連續(xù)偵聽信道,直至信道空閑后立即發(fā)送分組。發(fā)送分組的同時(shí)監(jiān)測(cè)信道δ秒,以便確定本節(jié)點(diǎn)的分組是否與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞：若沒有發(fā)生碰撞,則該節(jié)點(diǎn)會(huì)無沖突地占用該總線,直至傳輸結(jié)束。否則，停止發(fā)送,隨機(jī)時(shí)延一段時(shí)間后重復(fù)上述過程。CSMA/CD2023/2/4第五講多址接入機(jī)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(dāng)A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，這時(shí)C檢測(cè)不到無線信號(hào)，以為B空閑，因而向B發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞這種未能檢測(cè)出媒體上已存在的信號(hào)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(jié)點(diǎn)需要重發(fā)已發(fā)送的信息，如果重發(fā)后繼續(xù)有隱藏終端沖突，則網(wǎng)絡(luò)的通信會(huì)陷入一種惡性循環(huán)2023/2/4第五講多址接入機(jī)制50隱藏終端和暴露終端問題其實(shí)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)

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(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測(cè)到媒體上有信號(hào)，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。

2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入51BusyToneABXABXYXOKtotransmitXnotOKtotransmitReceivertransmitsbusytonewhenreceivingdataAllnodeshearingbusytonekeepsilentRequiresaseparatechannelforbusytoneBisreceivingapacketfromA2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入52RTS/CTSdialogRTS=RequesttoSendRTSAnynodethathearsthisRTSwilldefermediumaccess.Defer2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入53RTS/CTSDialogCTS=CleartoSendCTSAnynodethathearsthisCTSwilldefermediumaccess.DeferDeferRTS2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入54RTS/CTSDialogACKDeferDeferData2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入55IEEE802.11協(xié)議(CSMA/CA)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)無線局域網(wǎng)(WLAN)提出的標(biāo)準(zhǔn)。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(xié)議中,采用的基本多址技術(shù)是CSMA/CA。CA是沖突避免(CollisionAvoidance)。由于一臺(tái)無線設(shè)備不能在相同的信道上同時(shí)接收和發(fā)送,因而不能采用CD碰撞檢測(cè)技術(shù)。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)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(xié)議框架2023/2/4第五講多址接入機(jī)制57WaitforframetotransmitMediumidle?WaitIFSStillidle?TransmitframeWaituntilcurrenttransmissionendsWaitIFSStillidle?ExponentialbackoffwhilemediumidleTransmitframeYesNoNoYesNoYesIEEE802.11MediumAccessControlLogic2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入58為了盡量避免沖突,IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)給出了三種不同的幀間間隔IFS（InterFrameSpace）:SIFS,即短(Short)IFS,典型的數(shù)值只有10μs;PIFS,即點(diǎn)協(xié)調(diào)功能IFS,比SIFS長(zhǎng),在PCF方式中輪詢時(shí)使用;DIFS,即分布協(xié)調(diào)功能IFS,是最長(zhǎng)的IFS,典型數(shù)值為50μs,在DCF方式中使用。DIFS>PIFS>SIFSIEEE802.11協(xié)議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入59IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)MAC子層中的一些時(shí)間關(guān)系(a)基本接入方法；(b)超幀的結(jié)構(gòu)

2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入60當(dāng)很多站都在監(jiān)聽信道時(shí),使用SIFS可具有最高的優(yōu)先級(jí),因?yàn)樗臅r(shí)間間隔最短。SIFS用在以下場(chǎng)合:

·發(fā)送“確認(rèn)幀ACK”。只要收到的不是多播幀或廣播幀,就要向發(fā)送方響應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀ACK。確認(rèn)幀應(yīng)當(dāng)具有更高的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)一個(gè)較長(zhǎng)的LLC幀需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)MAC幀來發(fā)送時(shí),發(fā)送方只要收到一個(gè)ACK就接著發(fā)送下一幀。確認(rèn)幀使用SIFS可使發(fā)送方能夠繼續(xù)控制信道,直到整個(gè)LLC幀發(fā)送完畢。

·發(fā)送“允許發(fā)送幀CTS”。這樣可保證原來發(fā)送“請(qǐng)求發(fā)送幀RTS”的節(jié)點(diǎn)能夠優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)幀。所有收到CTS幀的節(jié)點(diǎn)都要推后發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

·發(fā)送輪詢的應(yīng)答幀。IEEE802.11協(xié)議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入61CSMA/CA的基礎(chǔ)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(duì)接收天線接收的有效信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探測(cè)到有效信號(hào)，認(rèn)為信道忙虛擬載波偵聽(VirtualCS)利用網(wǎng)絡(luò)分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)來實(shí)現(xiàn)NAV中存放的是介質(zhì)信道使用情況的預(yù)測(cè)信息結(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到的信道上的信號(hào)，用其MAC幀中Duration(持續(xù)時(shí)間字段)聲明的傳輸時(shí)間來更新NAV沖突避免（CA）結(jié)點(diǎn)通過載波偵聽發(fā)現(xiàn)信道忙，保持靜默，并延時(shí)傳輸采用的隨機(jī)退避(back-off)機(jī)制，進(jìn)一步減小沖突IEEE802.11協(xié)議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入62虛擬載波偵聽NAV可以看做一個(gè)以某個(gè)固定速率遞減的計(jì)數(shù)器：當(dāng)值為0時(shí)，虛載波監(jiān)測(cè)認(rèn)為信道空閑不為0時(shí)，認(rèn)為信道忙只有當(dāng)兩種方式都指示為信道“空閑”時(shí)，載波監(jiān)測(cè)(CS)才指示信道“空閑”，這時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入63Back-offInterval2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入64Back-offIntervalWhenthechannelisbusy,chooseaback-offintervalintherange[0,cw]cwiscontentionwindowCountdowntheback-offintervalwhenmediumisidleCount-downissuspendedifmediumbecomesbusyWhenback-offintervalreaches0,transmitRTS2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入65DynamicContentionWindowBinaryExponentialBack-offin802.11DCF

WhenanodefailstoreceiveCTSinresponsetoitsRTS,itincreasesthecontentionwindowcwisdoubled(uptoanupperbound)Whenanodesuccessfullycompletesadatatransfer,itrestorescwtocwmin2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入662023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入67IEEE802.11的兩種接入方式：分布式協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFunction)使用分布式的基于CSMA/CA的接入機(jī)制,各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過競(jìng)爭(zhēng)獲取發(fā)送權(quán)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFunction)提供可選優(yōu)先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)的幀傳送IEEE802.11協(xié)議(CSMA/CA)2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入68IEEE802.11DCFDCF有兩種工作方式：基本工作方式DATA-ACKRTS/CTS機(jī)制工作方式RTS-CTS-DATA-ACK2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入69IEEE802.11DCF基本工作方式采用兩次握手機(jī)制，又稱ACK機(jī)制，是一種最簡(jiǎn)單的握手機(jī)制當(dāng)接收方正確地接收幀后，就會(huì)立即發(fā)送確認(rèn)幀(ACK)發(fā)送方收到該確認(rèn)幀，就知道該幀已成功發(fā)送如果媒體空閑時(shí)間大于或等于DIFS，就傳輸數(shù)據(jù)，否則延時(shí)傳輸2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入702023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入71為了避免隱藏終端問題,發(fā)送站和接收站之間以握手的方式對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約采用四次(Four-way)握手機(jī)制:RTS—CTS—DATA—ACK發(fā)送節(jié)點(diǎn)A先發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送幀(RTS,RequestToSend)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,ClearToSend)IEEE802.11DCFRTS/CTS機(jī)制2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入72RTS和CTS的傳輸過程

IEEE802.11DCFRTS/CTS機(jī)制2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入73在RTS和CTS幀中均包括要發(fā)送分組的長(zhǎng)度CTS幀有兩個(gè)作用：表明接收節(jié)點(diǎn)B可以接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)A的幀禁止B的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)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(jié)。而數(shù)據(jù)幀最長(zhǎng)可達(dá)2346字節(jié)相比之下,RTS和CTS引入的開銷不大IEEE802.11DCFRTS/CTS機(jī)制2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入74S2S1RS2S1RXXChannelBusyDIFSChannelIdleDIFS:DCFInter-FrameSpaceRTSSIFS:ShortInter-FrameSpaceCTSSIFSNAVNAVSIFSDATASIFSACKB2=9B1=5cw=15RTSB2=4B1=7DIFSChannelIdleIEEE802.11DCFRTS/CTS機(jī)制2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入75RTS/CTS的握手機(jī)制并不能保證碰撞完全不發(fā)生。X和A同時(shí)向B發(fā)送RTS幀,發(fā)生碰撞.使得B收不到正確的RTS幀，不會(huì)發(fā)送后續(xù)的CTS幀。ABXRTSRTSIEEE802.11DCFRTS/CTS機(jī)制2023/2/4第五講多址接入機(jī)制76B的作用范圍C的作用范圍ADCB？B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測(cè)到媒體上有信號(hào)，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。

暴露終端問題沒有解決2023/2/4第四講水聲網(wǎng)絡(luò)的多址接入77RTS/CTS機(jī)制的不足使用RTS/CTS幀會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率有所下降但這兩種控制幀都很短，其長(zhǎng)度分別為20字節(jié)和14字節(jié)，與數(shù)據(jù)幀(最長(zhǎng)可達(dá)2346字節(jié))相比開銷不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀重發(fā)