（通信与信息系统专业论文）基于opnet的多址接入控制技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着网络通信业务的迅速增长，网络结构加速复杂化，所能使用的通信资源 也越来越紧缺且昂贵。为满足节点用户之间的通信需要，共享通信资源方式被广 泛采用。当通信资源提供给多个用户共同使用时，需要多址接入协议进行调度和 协调。 随机动态多址接入技术是一种采用竞争的接入方式，和固定分配多址接入的 目的一样，都是如何最大限度的减少信息冲突，提高信道利用率和系统吞吐量。 随机动态多址接入协议有a l o h a 、c s m a 、c s m n c d 和c s m a c a 等，本文首 先阐述基本的a l o h a 、c s m a 接入系统原理，分析信道利用率、网络延迟等性能， 然后基于o p n e t 平台建模仿真。在此基础上，针对总线型以太网使用的c s m a c d 协议，给出理论分析和相应的建模仿真分析。 目前流行的无线局域网采用c s m a c a 多址接入协议，本文在总结和分析其 技术原理的基础上，重点针对退避算法进行研究。利用c s m a c a 多址接入协议 的d c f 机制实施的无线局域网，采用二进制指数退避算法( b e b ) ，该算法有利于 提高网络吞吐量，但是会引起不同节点之间的不公平性。m i l d 算法以及m i m l d 算法从不同角度改善网络的性能，提高了接入的公平性，但在提高系统的吞吐量 上还有待改善。为此，提出一种新的改进算法，通过引入平均窗口e c w 的概念， 动态调整窗口大小，能进一步提高系统的吞吐量，同时改善网络的公平性。为验 证改进算法的有效性，在o p n e t 平台上模拟了系统中m a c 层的实现过程，研 究了退避算法的实现流程，分别对b e b 、m i l d 和改进的m i m l d 算法的性能进 行仿真测试和性能对比分析。 由于通信资源的紧缺，能有效利用频谱的认知无线电技术成为目前的热门研 究方向。本文分析了认知无线电网络中m a c 协议面临的主要技术问题，提出一种 基于全局控制信道的t d m a 接入方案，并利用o p n e t 平台建模仿真。 关键词：多址接入协议，c s m a c a ，退避算法，o p n e t ，认知无线电 重庆人学硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n e a s eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dc o m p l i c a t i o no fn e t w o r k c o n f i g u r a t i o n ，m o r ea n dm o r eh i g h e rr e q u i r e m e n to fs p e c t r u mr e s o u r c ei sp u tf o r w a r d t os a t i s f yt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e s ，s h a r i n gr e s o u r c e si sac o m m o nm e t h o d ， a n dt h em u l t i p l ea c c e s sp r o t o c o li st os o l v eh o wt h el i n k sc a ns e r v ea l lt h eu s e r sw i t h s h a r i n gr e s o u r c e se f f i c i e n t l ya n df a i r l y r a n d o ma c c e s st e c h n i q u e ，o n ek i n do fc o n t e n t i o n - t y p ea c c e s sp r o t o c o l s ，s o l v e s h o wt or e d u c ei n f o r m a t i o nc o l l i s i o n ，i n e a s ec h a n n e lu t i l i z a t i o na n ds y s t e mt h r o u g h p u t ， l i k ef i x e da c c e s st e c h n i q u e r a n d o ma c c e s st e c h n i q u ei n c l u d e sa l o h a ，c s m a ， c s m a c da n dc s m a c ap r o t o c o l s t h i st h e s i s f i r s t l yi n t r o d u c e st h e s ep r o t o c o l s s y s t e m s ，a n da n a l y s e su t i l i z a t i o no fl i n k s ，t h e nb u i l d sm o d e l so no p n e t b a s e do n t h e s e ，w ep r o v i d et h e o r e t i ca n dm o d e la n a l y s e so fc s m a c di ne t h e m e t t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nc s m a c ap r o t o c o li nw l a n ，e s p e c i a l l yo nb a c k o f f a l g o r i t h m t h eb e ba l g o r i t h mu s e di nc s m a c ah a sa na d v a n t a g ei ni n c r e a s i n gt h e n e t w o r kt h r o u g h p u t ，b u ti tc a nb r i n gu n f a i ra m o n gd i f f e r e n tn o d e s m i l da n dm i m l d i m p r o v et h en e t w o r ki nd i f f e r e n tp a r t s ，a n di m p r o v et h ef a i rc h a n n e la c c e s s b u tt h e t h r o u g h p u to ft h en e t w o r ks h o u l db ei m p r o v e d s oi nt h i sp a p e r , w eo f f e ran e w b a c k o f f a l g o r i t h m ，a n di m p o r ta l ln e wc o n c e p tn a m e de c w t h i sa l g o r i t h ma i m st oa c h i e v e f a i rc h a n n e la c c e s sw i t h o u tk n o w l e d g eo ft h en e t w o r kt o p o l o g y , b ys e l f - a d a p t i n gt o c h a n g e si nt h et r a f f i cl o a da sw e l la st o p o l o g i c a lc h a n g e si nt h en e t w o r k t ov a l i d a t et h e a l g o r i t h m ，w ea n a l y z et h ei m p l e m e n t a t i o no fm a cl a y e ri no p n e t s i m u l a t i o ns y s t e m ， s p e c i a l l yt h ei m p l e m e n t a t i o no fb e ba l g o r i t h m w ec h a n g eb e ba l g o r i t h mw i t hm i l d a l g o r i t h ma n di m p r o v e da l g o r i t h m ，t h e ns i m u l a t et h et h r e ea l g o r i t h m sr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec o m p a r et h r e en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h ea n a l y s i s p r e s e n t st h a ti m p r o v e da l g o r i t h mi m p r o v e st h et h r o u g h p u ta n df a i r n e s s f o rt h el a c ko fs p e c t r u mr e s o u r c e ，t h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yo f f e r san e w m o d e lf o rs p e c t r u ma l l o c a t i o nt oi m p r o v es p e c t r u mu t i l i z a t i o n t h i sp a p e ra n a l y s e st h e p r o b l e mf a c e db yc o g n i t i v er a d i on e t w o r k sm a c ，o f f e r sat d m a a c c e s ss c h e m eb a s e d o nu n i v e r s a lc o n t r o lc h a n n e l a n db u i l d sm o d e lo no p n e t k e y w o r d s ：m u l t i p l e a c c e s s p r o t o c o l ，c s m a c a ，b a c k o f fa l g o r i t h m ，o p n e t ， c o g n i t i v er a d i o n 学位论文独创性声明 本人声明所 呈变 的址 士 学位论文 啊 墓要q 趔墨i 绳兰垡堡则亟苤绥刻 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砸塌 导师签名： _ 多也【么 签字日期：细罗，彭够 签字日期：砷石髟 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的盈士学位论文麴q 塑鲤绳垒丝蚴蜘釉 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：导师签名 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 鲤装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 网络发展早期，通信基本上是点到点或者网状的方式进行，以物理方式把每 一个设备通过专门线路连接到其他设备上。然而，当今网络业务迅速增长，网络 结构加速复杂化。网络所能使用的通信资源越来越紧缺且昂贵，其次节点用户之 间需要通信交换信息，因此，共享通信资源的方式被广泛应用到网络架构中。共 享方式有利于提高资源使用的效率，同时在用户之间保持高度的可连接性。 多个设备之间共享传输媒体，一旦采用共享，就需要有某种接入方式来确保 正常通信，多址接入技术应用而生。当两个或多个用户共享信道传输数据时，信 息会叠加，目的端就不能接收到正确的数据，发送端必须重新传输，直到被成功 接收。数据的再次传输造成了时间和信道资源的严重浪费，所以需要不断的发展 和完善多址接入技术，提高网络性能。 通常使用的信道多址技术主要有下面三类固定分配多址接入、随机分配多址 接入、和基于预约的多址接入。固定分配信道中用户能够不受干扰的独享所分配 的信道资源，可以保证用户之间的公平性和平均时延；基于预约的系统最大限度 的减少和消除随机因素，避免发送竞争所带来的对信道资源的无秩序竞争，使系 统各站点的业务需求合理的分配信道资源。固定分配多址协议要求每个节点都配 备定位系统，或者采用分布式算法实现全网的同步，且不能有效处理用户数量的 可变性和通信业务的突发性；预约多址接入采用专门的预约区间，增加减少节点 比较麻烦，而且随着节点的增加预约将耗费更多的资源；这两类多址协议具有一 定的局限性。 实际应用中，根据网络的具体情况选择合适的接入技术。多址技术无论是在 总线局域网中、还是无线通信网络中，在提高网络性能的问题上，都起到了关键 的作用。参与用户何时发送数据，怎样减小碰撞的概率、以及碰撞后选择怎样的 退避算法等等问题都与接入息息相关。在网络规模逐渐扩大，系统实现越来越复 杂的今天，用户双方要实现高效、公平的通信，还需要不断改进和完善多址接入 协议。 设计开发通信领域的新协议或对已有协议进行改进，最终需要对其进行性能 测试和评价。评价一般有两种方法：一种是构建测试床，在实际网络环境中进行 测试；另一种是在仿真环境下测试。在实际环境下测试能够得到相对真实的数据， 但往往由于测试床的构造过于复杂或造价过高，并且对大规模的测试几乎是不可 能的，而且其测试结果也往往难于重现，因而一般将其作为辅助手段。对网络的 重庆人学硕十学位论文1 绪论 软件仿真是通过建立网络的逻辑虚拟模型来仿真实际网络的运行，从而获取感兴 趣的网络特性参数。软件仿真由于其可控制性、可重现性、可扩展性等优点而在 网络技术研究中得到了广泛的应用。网络仿真技术以其独有的方法能够为网络的 规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策 的科学性，降低网络建设的投资风险。利用比较成熟的网络模拟软件，可以近乎 真实地模拟网络环境，可以在各个层次上模拟网络的运行效果。 因此，在网络仿真软件的帮助下，我们可以很好的模拟各种接入控制协议， 并分析其性能。在此基础上，针对不足提出理论改进，然后在仿真平台上实现改 进理论，并通过性能比较分析来验证其优越性。这种低成本的网络仿真方式势必 成为研究接入控制技术的首选。 1 2 国内外技术现状 不同的网络选择不同的接入控制技术，现有的国内外研究主要集中在有线局域 网络和无线局域网络两大领域的接入技术应用。 以太网是当今有线局域网采用的最成熟的通信协议标准，它定义了在局域网 l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 中采用的电缆类型和信号处理方法，它所采用的接入 控制仍然是数据交换重要基础之一。以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问 c s m a j c d ( c a r r i c rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 】机制。在介质共享的 局域网中，用户终端需要通过共享信道检测其他用户终端在干什么，从而相应的 调整自己的动作。网络站点监听载波是否存在( 即有传输) 并相应动作的协议， 这就是载波监听协议，主要用来避免用户问的冲突，确保一个时间内只有一个用 户终端在收发数据。如何提高传统c s m a c d 协议算法的性能，国内外学者分别 提出了不同的改进方法，归纳起来有四种：c s m a c d d c r t 2 1 、c s m a c d m d c r 【2 j 、 基于交换机的解决方法【3 】、增加发送的阻塞信号长剧4 1 。c s m a c d 。d c r 方案和 c s m a c d m d c r 方案，当发生冲突时，冲突站点需要进入冲突处理模式，实现 比较复杂；基于交换机的解决方案，技术已经成熟并广泛应用；增加发送的阻塞 信号长度，需要改变以太网的帧结构。 对于无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，我们重点关注移动 a dh o e 网络。a dh o c 网络又简称为m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，是一种由 移动终端临时组建的、没有固定有线基础结构支持的、拓扑结构动态变化的无线 通信网络。在移动a dh o c 网络中，多个节点共享同一无线信道，因此需要 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 来协调各个节点对信道的使用，实现多节点随机接入 分组传输的控制。移动a dh o c 网络比有线网络复杂得多，因此不能将现有有线网 络的m a c 协议直接移植到移动a dh o c 网络中来。经过多年研究，己经提出了数 2 重庆人学硕士学位论文1 绪论 十种移动a d h o c 网络信道接入控制协议。这些协议具有各自不同的设计目标，使 用了各种不同的信道复用技术，相应的对应用环境也作了各种不同的假设。 根据移动a dh o c 网络信道接入协议使用的信道数目，m a c 协议可以分为单 信道、双信道和多信道协议。单信道协议中，所有的信号都在同一个信道上传递。 目前己有的许多m a c 协议都是基于单信道的，主要的有如下几类： m a c a ( m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) j 协议：采用r t s c t s 信 道握手机制；执行二进制指数退避算法( b e b ) 。 m a c a w ( m a c a f o rw i r e l e s s ) 一】协议：采用r t s c t s 加a c k 的控制机制； 执行乘法增加线性减少退避算法( m i l d ) 。 m a c a b i ( m a c ab yi n v i t a t i o n ) 7 1 协议：采用r t r ( r e a d yt or e c e i v e ) 信号， 由收放控制数据发送 i e e e 8 0 2 。11 m a c 阳协议 双信道m a c 协议的主要有d b t m a ( d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ) p 】协议 等。多信道m a c 协议的主要有多信道c s m a 协议。 另一方面，目前在计算机网络仿真软件中，较突出的是o p n e t ( o p t i m u m n e t w o r k ) 0 0 系列仿真平台。著名的仿真软件o p n e t 是美国公司的产品，目前是世 界上最先进的网络仿真开发和应用平台之一。o p n e t t l l 】【1 2 】采用基于离散事件驱动 的仿真机制，其中“事件”是指网络状态的变化。在建模方面，o p n e t 采用基于 包的建模机制，模型分为网络、节点和进程三个层次，用户可以在这三个层次的 任何地方切入编程，建立所需模型。作为网络规划、仿真及分析工具的高端产品， o p n e t 在通信、国防及数据网络领域已经被广泛认可和采用，具有很大的研究和 应用价值。 o p n e t 采用基于离散事件驱动的仿真机制，事件是网络模型状态的变化或者 某种决策。只有模型状态变化，模拟机才进行仿真，状态不发生变化的时间段， 不进行仿真。仿真的时间是离散的，每当有一个事件出现后时间往前推进，也就 是时间是跳跃前进的。一个仿真时间点上可以同时出现多个事件，事件的发生可 以有疏密的区别。仿真中的各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。每当 出现一个事件中断时都会触发一个描述通信网络系统行为或者系统处理的进程模 型的运行。通过离散事件驱动的仿真机制实现了在进程级描述通信的并发性和顺 序性，再加上事件发生时刻的任意性，决定了可以仿真计算机和通信网络中的任 何情况下的网络状态和行为。在o p n e t 仿真软件中，大部分的模型都可以归结为 一个由若干相互通信的组成的分布式子系统。子系统之间主要依靠些特定的通 信方式来传递信息。这些方式包括数据包的通信机制、通信链路机制、应用接口 控制信息通信机制和统计线通信机制。 3 重庆大学硕十学位论文1 绪论 o p n e t 的建模工作主要在种不同的环境中完成，也称为3 个域。这种建模方 式与使用单一层次对系统中的所有层面进行建模的建模方法不同。通常在通信网 络和分布式系统中包含了从底层通信硬件到高层应用软件，涉及多种技术，特性 各不相同。为了对系统的性能和行为进行有效的模拟和预测，系统建模就需要能 够充分反映这些子系统的特性以及子系统之间的交互行为。子系统及每一层都有 很大的差别，针对通信网络中这种不同特性子系统的差别，o p n e t 将建模的工作 划分为个层次。如表1 1 示： 表1 1o p n e t 建模域的功能 t a b l e1 1f u n c t i o no fo p n e tm o d e l e r 建模域功能 网络域从高层设备( 即节点和通信链路) 对系统进行规范 节点域从应用、进程、队列和通信接口对节点的功能进行规范 进程域对系统内节点所含进程的行为进行规范，包括决策进程和算法 网络域用来确定网络的拓扑结构、协议、应用、流量以及其他一些系统设置， 主要由节点和通信链路组成。节点通常被看作设备或资源，由支持相应处理能力 的硬件和软件共同组成，数据在其中生成、传输、接收并被处理，在o p n e t 中有 三种节点，固定节点、移动节点和卫星节点。节点一般由模块和数据包流以及统 计线组成。处理机是节点模型常用的模块，它的行为完全由用户进行设置。进程 域描述了实际进程中的逻辑，例如通信协议和算法、共享资源管理、排队原则、 专有的业务发生器、统计量搜集机制以及操作系统等，可以实现节点域中的模块 的功能，使用了状态转移图( s t a t et r a n s i t i o nd i a g r a m ) 来描绘进程模型的总体逻 辑构成，连线表示状态之间的转移。进程模型中所执行的操作采用了内嵌c c 抖 语言来描述，提高了仿真的逼真度。 1 3 研究内容和章节安排 本文主要针对多址接入协议的动态分配接入方式及其应用开展研究。从最基本 的随机接入方式a l o h a 和载波侦听接入c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 入 手，总结分析其基本原理、信道利用率和系统吞吐量等基本性能。基于o p n e t m o d e l e r 仿真测试平台，分别对a l o h a 、c s m a 系统建模仿真，以此为基础，对 应用于以太网i e e e 8 0 2 3 标准的c s m a c d 协议进行建模仿真分析；对应用于无线 局域网i e e e s 0 2 1 1 标准的c s m a c a ( c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 接入方式进行理论分析和建模仿真，针对b e b 标准算法存在的不足， 以提高网络吞吐量和接入公平性为目标，提出一种改进算法，并对改进算法进行 4 重庆人学硕士学位论文1 绪论 仿真比较分析。针对认知无线电网络的接入控制，提出一种t d m a 接入控制方案。 全文的章节安排如下： 第一章：绪论，介绍论文的研究背景和技术现状，以及本文主要研究内容。 第二章：介绍多址接入技术的功能和原理以及分类，然后重点阐述其中动态分 配接入技术原理，最后介绍针对多址接入技术的系统分析模型。 第三章：基于前面的理论分析，利用o p n e t 对a l o h a 和c s m a 建模仿真， 比较分析吞吐量等仿真结果。然后，对应用于以太网的c s m a c d 接入技术建模 仿真。 第四章：阐述无线局域网m a c 协议机制，对c s m a c a 建模分析。针对其 b e b 退避算法在公平性方面的缺点，提出一种改进算法，并建模仿真比较分析， 验证新算法的优越性。 第五章：根据认知无线电技术对多址接入技术的新需求，提出一种应用于认知 无线电频谱共享的接入技术，并进行相应的建模仿真分析。 第六章：总结全文，展望后继工作方向。 5 重庆大学硕士学位论文2 网络多址接入技术 2 网络多址接入技术 2 1 概述 网络多址接入技术通常是指网络中多个节点( 或者用户终端) 共享通信信道 资源以实现连接访问的技术。为了实现网络互联，不同的用户节点必须通过公用 信道相互联系。由于这种接入或访问网络的过程实际上表现为占用网络传输信道 的过程，且传输信道可能是电缆、光纤等有线链路或无线链路等媒体，因此多址 接入技术也被称为媒体接入技术。 2 1 1 多址接入技术的功能与评估 多址通信接入技术是网络传输技术的部分，它的实现机制将直接影响到网 络的吞吐性能、时延特点、业务能力、用户支持数量以及资源利用率等，它以信 息的数字传输和处理理论为基础，旨在最大程度提高通信资源的利用率。多址接 入技术主要受到三方面因素的约束和影响： 网络通信业务的要求。多址接入协议和算法应满足网络业务特点对传输的 特殊要求； 系统所拥有的通信资源。通信资源主要指信息传输所能使用的时间所占用 的频率带宽以及信息传输功率等。多址接入技术需要根据不同的通信业务要求设 计不同的通信资源使用策略，实现有限通信资源条件下尽可能高效、优化的资源 分配或共享，同时保证一定的通信质量； 网络工作信道和环境。典型的信道环境有卫星信道、地面信道和局域网信 道等，针对不同信号传输环境的特点，应有不同的接入协议。 对多址接入协议的性能估计主要集中在： 1 ) 网络是否具有更高的信息吞吐速率和更低的信息传输延迟性能； 2 ) 网络能否同时支持不同的业务类型、不同优先级以及可变的消息长度； 3 ) 在不同的延迟约束下，可否通过静态或动态复用达到更高的带宽利用率； 4 ) 是否有合适的操作控制方案和良好的稳定性。 2 1 2 多址接入技术原理与实现 多址接入协议可以从通信资源的分配机制、实施分配算法的控制方式以及算 法协议对变化需求的适应程度等方面描述。资源分配机制可以是静态的，即资源 在使用过程中保持固定大小的占用；也可以是动态的，即资源在使用过程中可以 根据需要动态调整。控制方式可以是集中式的，由控制点实施调度；也可以是分 布式的，由各节点独自执行一个分布式算法实施控制。 多址接入设计按照逻辑信道划分，通过t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 6 重庆大学硕士学位论文2 网络多址接入技术 f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等方式，使众多节点可以固定的或者动态的共享通信资源。具体哪个用户使用哪 个逻辑信道，如何分配调度每个用户信号所使用的通信资源，这就是分配调度算 法需要解决的问题。分配调度算法可以分为集中式控制和分布式控制两种，前者 主要运行在控制中心，分配调度结果通过信令传至用户终端；后者则运行在各终 端节点，通过各终端节点自主执行算法，实现资源分配，获取接入机会。 2 1 3 多址接入的分类 通常将多址接入方式分为固定分配接入和动态分配接入两大类 1 3 】，如图2 1 所示。 多址接入对通信资源的划分由f d m a 、t d m a 、c d m a 三种方式实现。如果 这些逻辑信道划分结果在一次通信过程中保持不变，即逻辑信道的分配不随信息 流传输时间或状态的变化而改变，则称为固定分配接入方式。如果划分结果在一 次通信过程中可能发生变化，即逻辑信道的分配随依据信息流的即时传输要求而 变化，则称为动态分配接入方式。固定分配接入适合于支持确定服务质量的业务， 而动态分配方式更适合支持用统计特性描述的业务。固定接入方式分为f d m a 、 t d m a 、c d m a 三种。动态接入方式分为随机多址接入、按需分配接入和基于预 约的接入等。 多址揍入协议 鬟t 配d 姒m a 篙c d m a l | 一配献撇 f d m a 、 图2 1 多址接入协议分类 f i g 2 1c l a s so fm u l t i p l ea c c e s sp r o t o c o l 2 2 随机动态接入 在随机动态接入技术中，所有用户都可以随时发送信息，它以竞争方式接入 信道，只有竞争的胜利者才可以获得信道的使用权。目前主要有基本随机多址协 议a l o h a 、载波监听多址接入协议c s m a 、带有冲突检测的载波侦听多址接入协 议c s m a c d 和冲突避免的载波侦听多址接入协议c s m a c a 。用于无线局域网的 c s m a c a 将在第五章单独阐述，本节主要总结其它几种随机接入协议。 7 重庆火学硕士学位论文2 网络多址接入技术 2 2 1 基本随机接入a l o h a 协议 a l o h a 协议是2 0 世纪7 0 年代在夏威夷大学由n o r m a na b r a m s o n 及其同事发 明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。在地理位置上分散的用 户通过无线电使用中心计算机，由于无线电信道是公用信道，一个站发送的信息 可同时被多个站收到，每个站都是随机发送的。它的基本思想是：只要有分组到 达，就立即转发，并期望不会和其他站点发生碰撞，当有碰撞发生时( 接收到一 个n a c k ( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t ) ) ，终端就等待一段随机的时间后再重新发 送，当用户增加时，因为碰撞概率的增加会导致较长的延迟。这种系统概念比较 简单，主要包括下面几个模式【1 4 1 ： 传输模式：用户可以在需要传输的任何时候进行传输，使用纠错编码。 监听模式：信息传输后，用户监听从接收端发来的确认信息，不同用户的 传输有时候是重叠的，会引起信息冲突，这种错误一旦被检测出，用户会收到一 个否认信息。 重发模式：当收到一个否认信息后，信息会等待一段随机时间后重新发送， 以免再次发生冲突。 超时模式：传输后，如果在一个给定的时间内没有收到确认信息或否认信 息，用户重发该信息。 a l o h a 协议分为纯a l o h a 和时隙a l o h a 两种。 1 ) 纯a l o h a a l o h a 协议的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让其发送。 当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性， 因此发送方可以在发送数据过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数 据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同理，其他用户也按照此过程工 作。如果发送方知道数据帧遭到破坏( 即检测到冲突) ，就等待一段随机长的时间 后重发该帧，图2 2 所示对应其工作原理【1 5 1 。 重庆大学硕十学位论文2 网络多址接入技术 站1 站2 臣王三兰竺三盐卫- r 1 t 站n 4 帧到达i iiiili ： 帧到气i 一土土一l 上土l 一一一- 图2 2 纯a l o h a 协议工作原理 f i g 2 2p r o c e d u r eo f p u r ea l o h a 图2 2 中帧的长度用时间t o 来表示。站1 发送帧1 时，其他站没有发送数据， 所以能够成功发送；站2 因为和站n 一1 在发送数据上时间有重叠，必须重传。因 为立即重传可能会再次发生冲突，所以要等一个随机时间，如果再次冲突，就再 等待一个随机时间，直到成功发送。 为了简单起见，本文在分析多址接入协议时，基于以下假设： a 所有用户按照泊松过程独立产生数据，且数据的重传足够随机，即也是按 照泊松过程发送； b 无线网络中站点之间的有效通信距离由发端的发送功率、站点之间的距离 以及接收灵敏度等条件决定，信道内的站点可以与对方实施有效通信； c 用户可在任意时刻接入信道，也可以以时隙为基础接入信道。在基于时隙 的系统中，用户只在时隙的起点才接入信道； d 站点可以得到信道的反馈信息，即信道是空闲、碰撞还是成功传输。 纯a l o h a 协议性能一般使用吞吐量s 和网络负载g 两个归一化参数来评价。 吞吐量s 等于在帧的发送时间t o 内成功发送的平均帧数；网络负载g 等于在t 0 内总共发送的平均帧数( 包括发送成功的帧和因冲突未发送成功的帧) 。若p 发送 成功 是一个帧发送成功的概率，则： s = g 幸研发送成功】( 2 1 ) p 发送成功】= j p 连续两个到达时间间隔 r o = ( 研到达时间间隔 兀】) 2 ( 2 2 ) 假设按照泊松分布发包，到达时间间隔的概率密度应为： a ( t ) = 2 e m( 2 3 ) 其中旯是帧的平均到达率，而兄= g t o 。 9 重庆大学硕七学位论文 2 网络多址接入技术 何到达时间间隔 瓦】= p ( f ) 西= , j ( - j - g t t o 出= e g ( 2 4 ) t ot o0 将( 2 4 ) 带入( 2 2 ) 求得： 尸 发送成功 一e 之g( 2 5 ) 将( 2 5 ) 带回( 2 1 ) 得：吞吐量s = g e 舶。当g = 0 5 时，s o 1 8 4 达到吞吐量的 极限。 2 ) 时隙a l o h a ( s a l o h a ) 时隙a l o h a 协议的基本思想是，把信道时间分成离散的时间槽，时间槽长 为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时间槽开始时才允许发送，其他过程 与纯a l o h a 协议相同。这种方式避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产 生冲突的可能性，提高了信道的利用率。由于冲突的危险区平均减少为纯a l o h a 的一半，因此时隙a l o h a 的信道利用率可以达到3 6 8 ( 1 e ) ，是纯a l o h a 协 议的两倍。但对于时隙a l o h a ，用户数据的平均传输时间要高于纯a l o h a 系统。 时隙a l o h a 原理如图2 3 所示。 站1 站2 图2 3 时隙a l o h a 工作原理 f i g 2 3p r o c e d u r eo fs l o t - a l o h a 时隙a l o h a 的吞吐量为：s = g e ，当g = i 0 时，s = 0 3 6 8 取最值。纯a l o h a 与时隙a l o h a 性能比较如图2 4 所示。对于时隙a l o h a 系统，当g i 0 时碰撞较多，从而导致系统的性能下降。因此， 为了达到最佳的性能，应当维持值在1 0 附近变化。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 网络多址接入技术 e o 5i 图2 4 时隙a l o h a 协议与纯a l o h a 的吞吐量曲线( g - s 图) f i g 2 4t h r o u g h p u tc o m p a r i s o nb e t w e e np u r e - a l o h aa n ds l o t - a l o h a 2 2 2 载波侦听随机接入c s m a 协议 在a l o h a 协议中，当用户试图发送分组时，并不考虑当前信道的忙闲状态， 一旦产生了分组就独自决定将分组发送至信道，这种发送控制策略显然是很盲目 的。改进的时隙a l o h a 能够在一定程度上改善系统性能，但吞吐量也只有0 。3 6 8 ， 要进一步提高系统的吞吐量，应该进一步减少站点发送分组的冲突概率。如果在 发送数据之前先观察信道是否有数据在传输，然后决定是否发送分组，这样就会 在一定程度上减少冲突。这种先监听信道在发送的协议系统就是载波监听多址接 入协议( c s m a ) 。c s m a 的基本原理是：任何一个网络节点在它的分组发送之前， 首先侦听信道中是否存在别的节点正在发送数据分组，如果检测到数据分组的载 波信号，说明信道正忙；否则信道处于空闲状态。然后根据预定的控制策略在以 下两方面做出决定： 若信道空闲，是立即发送分组还是稍后再发； 若信道忙，应该继续坚持侦听载波还是暂时退避一段时间再侦听。 c s m a 协议根据采用的控制处理策略不同，可细分为时隙的和非时隙的，其 中每一种又可再分为非坚持、1 坚持和p 一坚持。非坚持是指当分组到达时，若信 道空闲，则立即发送分组，若信道忙，则延迟发送分组，延迟结束后站点再次检 测信道状态，如此循环，直到信道空闲为止。1 坚持是指当分组到达时，若信道空 闲，就立即发送分组；若信道忙，则该站点就一直检测信道，直到检测到信道空 闲。p 坚持是指当分组到达时，若信道空闲，立即发送分组，若信道忙，则该站点 一直检测信道的状态，在检测到信道空闲后，以概率p 发送该分组。 重庆人学硕士学位论文2 网络多址接入技术 表2 1 三种c s m a 策略控制比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no ft h r e ec s m ap r o t o c o l s c s m a优点缺点 非坚持算若信道处于忙状态，分组就若多个站点都有数据要发送，由下都在延迟， 法延迟发送，减少网络冲突所以媒体仍可能处予空闲状态，媒体利用率低 1 坚持算只要媒体空闲，站点就立即 若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲 法发送，避免媒体利用率损失突就不可避免 既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1 坚持算法那样减少媒体空闲时间。 p 坚持算考虑到在重负载下系统稳定性，所以这种算法的关键就是p 值的选择，如p 法值过大，冲突就不可避免，最坏的情况是，随着冲突概率增大，吞吐量会降 低到零；当然若p 值选得过小，媒体利用率会1 常的低 非时隙c s m a 协议 非时隙c s m a 中当分组到达时，如果信道空闲，则立即发送分组；如果信道 忙，则经过一个随机延迟后，重新检测信道。如果信道忙或发送时与其他分组碰 撞，则该分组变成等待重传的分组，每个等待重传的分组反复尝试重传，重传间 隔相互独立并服从指数分布。具体的控制算法如下： 1 ) 若有分组等待发送，则转到2 ) ，否则处于空闲状态，等待分组到达； 2 ) 检测信道，若信道空闲，启动发送分组，发完返回1 ) ；若信道忙，放弃检 测信道，选择一个随机时延t 开始等待，进入退避状态； 3 ) 延时结束，转到1 ) 。 时隙c s m a 多址协议 时隙c s m a 多址协议是把时间轴分成宽度为口的时隙，不同于a l o h a 中的 时隙为一个分组的长度，这里指的是载波检测时间，约为2 f 。如果在空闲时隙到 达，则在下一个时隙开始传输，如果到达时刻系统正忙，则该站点转换到等待状 态，直到当前分组传输结束后的空闲时隙进行传输。 c s m a c d 协议 c s m a 协议在发送之前进行载波监听，减少了冲突的机会，提高了系统的利 用率，但由于传播时延的存在，冲突还是不可避免的。载波监听多址接入碰撞检 测( c s m a c d ) 是在c s m a 的基础上增加了一个冲突检测设置，能够边发送边监 听，只要监听到信道上发生冲突，就立即停止发送。为了减少冲突，实际应用中， 发送站点在检测到碰撞后，还会产生一个阻塞信号来阻塞信道，以防其他站点没 有检测到碰撞而继续传输。总的看来，该接入协议比多址接入协议增加了三点控 制规则： 1 2 重庆人学硕士学位论文 2 网络多址接入技术 1 ) 边听边说，发送站点在发送数据帧期间要保持侦听信道的碰撞情况，一旦 检测到碰撞发生，应立即中止发送，而不管数据帧是否发送完毕； 2 ) 强化干扰，发送站点在检测到碰撞并停止发送后，立即发送强化干扰信号， 以增强碰撞检测效果； 3 ) 碰撞监测窗口，发送站点在数据发出之后继续监听信道，在此期间如果没 有发生碰撞，则认为该数据帧已发送成功。 实现冲突检测的方法有多种。最简单的方法是比较接收到信号的电压大小。 在基带传输系统中，当两个帧的信号迭加在信道上时，电压波动值要比正常值大 一倍。因此只要接收信号的电压波动值超过某一门限值，就可认为是发生了冲突。 当采用曼彻斯特编码时，电压的过零点是在每一比特的正中央，当发生冲突时， 迭加的过零点将在其他地方出现，根据过零点位置的变化，也可以判断是否发生 了冲突。另一种可行的方法是在发送帧时也同时进行接收，将收到的信号逐比特 与发送比特比较，若有不符合的，就说明有冲突存在。 以太网采用截断的二进制指数退避