1、1,应用：TDMA多址接入系统,2,1. 轮询方式(POLLING)2. 纯ALOHA3.时隙ALOHA(S-ALOHA)4.载波监听多址接入系统(CSMA)非坚持监听方式(CSMA-NP)坚持监听方式(CSMA-P)监听检测方式(CSMA-CD),3,多址接入系统多址接入不同于交换,而是另一种网结构和信息处理方式.以卫星通信为例,卫星转发器是任何地面站的公用信道,计算机通信的总线网也属于这类网,它们的公用信道方式称为多址接入.最简单是把公共信道分成许多子信道,每两个用户占用两个子信道作双向通信,如卫星通信中的FDMA或TDMA,这实际形成了全联网,信道的利用率一般不高.现有许多不同的节省信道
2、资源的方案:,4,轮询方式(POLLING)(非竞争型)ALOHA体系： 纯ALOHA时隙ALOHA(S-ALOHA)载波监听多址接入系统(CSMA):非坚持监听方式(CSMA-NP)坚持监听方式(CSMA-P)监听检测方式(CSMA-CD) (以上皆竞争型) 树形分解(化解竞争型,这里不作介绍),5,1. 轮询(POLLING)这是一种设有主站的集中控制,非竟争型的方式。 总线信道上有一个主站和N个子站。主站向子站发出询问信令P,子站收到P后才可利用信道。 一般有两种发送询问信令的方式:主站直接依次轮询各子站是否有信包要发,这是串序式.它可设优先级,对优先权高的子站可增加询问次数;另一种是令
3、牌式,主站所发的询问信令(令牌)各子站依次下传,信令P中已无子站的号码.子站收到令牌后可发信包,发完后把令牌送到下一站.这种方式常用于环形网,不宜设优先级.,6,7,多址接入的重要性能指标是通过量。 现以无优先级依次轮询为例来计算通过量.令P为询问信令的长度,E为结束符号之长, T为一轮询周期,下图中第一个子站有信包待发,其长规定为1,这子站所占信道的时间是1+b,其中2是询问和应答的传输时延,为简化,设是常数。,8,9,设一个轮询周期T内每个子站有信包待发的概率是p,则这期间有n个子站有信包待发的概率是由于n是随机变量，故T也是随机变量。另一方面，,其中,每个子站的平均呼叫率为,10,注意这
4、是一个隐式方 程,从N, b, 求解p比较 困难。,在一个周期内.子站有包要 发,也就是在一个周期内有 包到达,即到达间隔长小于T,11,当 即子站数相当大，而所有子站的总业务量一定的情况.,12,当, ,b,N已知,可由上式算得p,由此的通过量为以及 , p 1时的最大通过量为这是由于 .,13,为了比较,令N足够大, 0 ,而总呼叫率为a=N .由求得 . (由b,r求p)最后由,(由b,p求r),（由b，r求a）,14,由a,b求p和r: 设a=2,b=E+P+2 =0.05+0.1=0.15 求p和r.取迭代11次，得p=0.8699602,r=0.8529354.,15,p=0.5;
5、n=0;a=2;b=0.15;while n15p1=1-exp(-a*(b+p)p=p1;n=n+1end,16,小结： 1）无竞争；2）在b一定的情况下p是a的函数，给出a,由迭代法求p,然后得r;3）最大通过量只与b有关,与a无关.,17,自上而下:,通过量,(重画书上的图4-37),呼叫量,18,设E+P=0.05，让 变化0. 0.95290.01 0.94340.1 0.86961 0.487810 0.0905,这说明,当传输距离增 加时,通过量要下降.,19,2. 纯ALOHA体系设有无限个用户公用一个信道,这些用户是均值为 的普松流.用户以随机方式发送定长的信包.若有两个以上
6、用户发送,产生了碰撞,以后纯随机地重发.令P为信包长,也即服务时间 为一个信包的传输时间.为简单起见取P=1.则 .t内有r个呼叫或信包发到信道上的概率为 t内无包发出的概率为,(业务量),20,要使两个消息无重叠,需两个时隙,即碰撞区间占两个时隙,21,要使两个消息无重叠,需两个时隙,即碰撞区间占两个时隙,22,要使发出的信包不被碰撞,必须在连续两个信包长的时间内没有其它信包发出,概率为而被碰撞致使发送不成功的概率为信道的通过量 r 定义为平均发送成功的信包所占时间与总观察时间之比.当信包长为1时就是单位时间内发送成功的信包数,故 , 或 .此式的极大值出现在a=0.5处,且,没有通过部分
7、通过部分,23,24,通过量r,业务量a,25,虽然纯ALOHA系统效率低,但基本上不用控制设备,碰撞也不用去检验,只是在久无应答时重发即可.当a0.5时重发频繁,系统将不稳定.碰撞后的信包如何重发,是影响稳定性的主要因素.若规定:过一段随机时间t再重发,其中t是参数为的指数分布. t的均值是稳定性与的选择有关.(注意:是重发的参数),26,设在某时刻系统内已有k个包待重发(旧包),如果在下一时长为2的时隙中又增加了i个包。设新包的到达率为b,并规定新包一到就发(这里用b是与a相区别,a中是含有旧包的)。i=-1相当于在上述时隙中无新包到达,并发送成功一旧包,这样减少了一个信包。(在两个时隙内
8、,k个旧包中有一个发送成功,同时无新包到达.),27,i=0相当于(1)无新包到达,且旧包未发或发出两个以上旧包,或(2)无旧包发出且到一新包 并发送成功.i=1相当于有一新包到达且有一个以上旧包发出(新旧包齐发,都不成功)等等.这就得,28,29,若Ei/k0,系统不稳定.若Ei/k0,系统不稳定.有时也称通过量r为信道容量.旧包数k很大时,即使b0.因为当k时,使,30,因此为解决碰撞一个办法是：令b=0,即不许新包进入,直到k很小时止.另一办法是调整旧包重发率,以使k虽大而 还是较小的,且最好能使 , 以使Ei/k最小,当然此时b必须小于0.184.,31,3. 时隙ALOHA(S-AL
9、OHA):在信道上,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包,即到达信道的时刻只能是时隙的起始点.在这种系统中,只要一个信包长的时间内无两个或两个以上的信包要发出,就可成功地发送一个信包.,32,成功地发送一个信包的概率为 ,碰撞概率为1- .信道的通过量r,有r的最大值在a=1处取得,最大值为0.368.,33,34,在纯ALOHA规程下，因为任何时刻都 可发信包，而在时隙ALOHA规程下， 对发送时刻做了时钟同步的限制，所以不能用指数分布来表示重发旧信包的概率。,35,纯ALOHA,时隙ALOHA,36,设新包的到达率为b,下一时隙重发旧包的概 率为
10、p,有,(无新的到,发一旧的),(无新的到,发一旧的不成功,或到一新的发成功,旧的未发),(到一新的,新旧齐发),37,38,39,在 时上式达到最小,最小值是旧包数k很大时,通过量 r 比纯ALOHA提高一倍,这是以全同 步的控制为代价的. 最有效的控制:k很大时,令b=0即不许新包进 入,直到k很小时才恢复接受新信包.,40,4. 载波监听多址接入系统(CSMA): 适用于延时较小的总线网.总线网上每个用户都设有载波监听装置,以接收到载波与否来判断线路上的忙闲状态.用户只能在总线空闲时启动发送一个信包.监听方式有两种: 坚持监听(CSMA-P),监听装置一直在监听,一发现信道空闲就发信包;
11、 另一种是非监持监听(CSMA-NP),监听装置听到忙状态后就停止监听,再过一个随机时间才再监听,直到信道有空再发出信包. Carrier Sense Multiple Access,Non-persistent,41,此外尚有以概率p发信包的监听方式(CSMA-p),听到空状态后以概率p发信包,所以可能信道有空也不发信包.还有一种除监听外再进行碰撞检测(CSMA-CD).Carrier Sense Multiple Access with collision Detection以上是一种完全分散控制方式.,42,在有碰撞的机制中，求通过量需要知道：1.一个操作周期（=忙期+闲期）的长度；2.
12、在一个操作周期中通过的信包数。,43,(1)非坚持监听方式(CSMA-NP):只有当用户要发送信包时才监听,若监听到信道忙,则不继续监听,而在隔了某一随机时间 t后再监听.碰撞是由传输时延引起的.当=0,同一时刻发出两个以上信包的概率为零.因此发出的信包必然成功,而且每个忙期内只有一个信包,忙期的时长为.设监听率也是a,即新旧包合起来的到达率为a,则平均空闲时长为 .,44,忙闲周期平均时长为 ,其中在忙期内(肯定)成功地发送一个信包,故信道利用(通过)率为注意:对于这种机制,在监听时延为0的情况下,在一个操作周期内,总能成功地传输一个信包。坚持监听方式却不然。,45,当 0,设内有n个用户有
13、信包待发并监听到信道空闲,相继的间隔分别为 第n+1个有信包待发的用户,已监听到信道被占而不再发送,它也就不参加碰撞.令,46,这里, n个用户由于时延而误认为信道空闲发了信 包,从而(当 时)导至碰撞( ).,有一个信包上了信道,按假设,它占了一个时间单位. 由于监听信号时延所致,忙期可以理解为信道上有信包的一段连续时间:,47,非坚持监听系统的碰撞,48,闲期的平均长度,令Y是最后碰撞的信包的发出时刻,Y的分布是分布密度为上式的第二项是n=0的情况(此时在 内无信包待发）。,49,对n求和的y的概率密度平均忙期为 ,平均周期是,50,为求最大通过量，需求r的最大值,为此 ,y=0相当于没有
14、碰撞在一个周期内有一包发 送成功的概率是 ,故通过量为,51,用迭代法求解： a rmax,52,非坚持载波监听的吞吐量曲线,53,(2)坚持监听方式(CSMA-P): 在期间,若有两个以上用户同时有信包待发,必发生碰撞.传输的时延愈大,碰撞的机会也就愈多. 当传输时延可忽略时,仍设用户呼叫是以a为到达率的普松流,信包长为1,空闲的平均时长仍是 对于忙期,一般地说可以有n个包,在前n-1个信包期间必有一个或一个以上的包待发,而在第n个包的期间,必无信包待发,它们的概率分别为1- 和,54,一个忙期内有n个包的概率是由于信包的长度为1,n个信包的长为n, 就是平均忙期:平均周期长为每个信包发送成
15、功的概率为 ,其中 是出现一个呼叫的概率,而 是出现呼叫的概率,排除了不出现呼叫的情况.,55,一个忙期内平均发送成功的包数是通过量为 上式在a=1.03时得最大通过量rmax=0.54.当新 包到达率大于0.54时,系统将不稳定,旧包积累 太多时也不稳定,56,用迭代法求解我们取 迭代6次便得,最大通过量（用(1)和(2)）,57,讨论 0 的情况.忙期分成两个阶段计算. 第一类是紧接在闲期后面的一个信包并包括碰撞和时延这一段.当一个信包发出后,内无其它信包待发,这信包就发送成功,其概率为 .若有其它包在内到达, 因尚未监听到已发的信包而也发出,就发生 碰撞,这种时段长度的计算与前面非坚持监
16、 听情况一样,平均时长为,58,第二类时段是紧接在第一类时段或第二类时段之后的忙期.当前一段忙期的后面1+期间内有包待发,将在前一忙期结束时立即发出,从而形成第二类时段.若1+期间无信包待发,就转入闲期.在第二类时段内首先发出的信包成功的概率是起始的内无信包,而前段中后面(1+)内有且只有一个信包,则概率为,59,第二类时段的平均长度与 一样,为这两类时段与闲期(表以0)之间的转移概率分别为,60,61,由此解得,62,为求最大通过量,令,分子=分母=,63,64,两边开三次方,然后迭代,可求出r取最大值时 的a.我们经计算得下表：,0.01 1.012 0.530 0.1 0.871 0.4
17、46 1 0.349 0.166 10 0.048 0.022,65,坚持监听系统的通过量曲线,66,(3)CSMA-NP/CD仍用以前记号,平均闲期长为 忙期有两类: 一为一个信包发出后时延内无其它用户发出信包,其概率为 ,这类时段的平均长度为另一类忙期是有碰撞的.也就是发送失败,其概率为 .这类时段的平均长度为其中 是两个信包之间的平均间隔时间.,67,第一个信包发出后,过了开始占用信道;第二个信包是过了t()后再发出,在t+开始占信道,后者在t+时已发现碰撞,立刻停止发送,但要到t+2时才不占用信道.以后还可在时间内,由于发现信道空闲而发送信包,但都将在t+时发现信道上的比特值与本站发出
18、的不同而停止继续发送,因此也会在t+2后不占信道.第一个信包也是在t+时发现碰撞而在t+2时停止占用信道.所以这一忙期平均时长为,68,因呼叫间隔指数分布,故CSMA-CD系统的碰撞与停止发送时间,69,于是平均周期长为通过量为,70,分子=分母=,求最大通过量,令,71,即求最大通过量,解之得a=0.479, .由此得下表0.01 47.9 0.950.1 4.79 0.641 0.479 0.1510 0.048 0.017,72,73,有一种碰撞检测坚持监听方式的局域网叫以太网。,74,从这张表可以看出: 1)各种方式具有基本上相同的通过量 ,只 有与 成比例的一些呼叫未能利用信道; 2
19、)那一部分未利用信道的呼叫或是因为碰撞 (ALOHA),在载波侦听系统中,除了碰撞之外,还由 于听到了信道被占用而放弃传送,在轮询机制中, 由于控制信令及时延占据了信道所致; 3)若提高精度而考察 ,CSMA-P和CSMA-NP-CD 最好,在时延较大时则以时隙(ALOHA)最好.,75,轮询 NP P NP-CD 0.01 0.943 0.820 0.530 0.95 0.1 0.870 0.515 0.446 0.64 1 0.488 0.144 0.166 0.15 10 0.091 0.018 0.022 0.017(E+P=0.05)9.45 1.012 47.92.55 0.871 4.79 0.46 0.349 0.4790.053 0.048 0.0479,76,最大通过量,Log(时延),Polling,CSMA_NP-CD,P-ALOHA,S-ALOHA,CSMA-P,CSMA-NP,书上的图4-38,77,再从等待时间的角度比较各种机制 1)论询:2)竞争型:记重发概率为次所需的处理时间为C,则重发K次所需 的处理时间为KC,概率为 ,于是,78,通过量,平均等待时间,P-ALOHA,S-ALOHA,CSMA-NP-CD,Polling,CSMA-NP,CSMA-P,书上的图4-39,
