移动计算技术无线网络协议原理PPT课件.ppt

移动计算技术 无线网络MAC协议原理 1 无线网络MAC协议原理 多路复用与多址接入 两点之间的两个用户之间进行双向通信可以用双工的方式实现两点之间多用户进行通信需要多路复用 多址接入 技术不需要使用复用器和集中器 而是通过共享一个物理链路 信道 将所有用户都连接起来多址信道可见看成有多个排队的队列 共享信道相当于服务员 为多个队列服务 2 无线网络MAC协议原理 多址接入核心问题采用媒体 信道 访问控制MAC MediumAccessControl 技术实现 对于一个共享信道 当信道的使用产生竞争时 如何采用有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权 3 无线网络MAC协议原理 多址接入的共同点 避免不同用户同时使用同一物理链路 信道 否则或产生干扰 主要为碰撞问题 各用户之间的通信必须要有一个彼此都遵循的协议 即多址接入协议或多址访问协议理想的多址协议应能够使所有排队队列成为一个总队列 由信道来服务 从而使信道的利用率高 4 无线网络MAC协议原理 MAC层协议的功能有两种极端的协调协议 定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问媒体 信道 的规则 完全自由 FreeforAll 式完全排序 PerfectlyScheduled 式 只要有新数据立即传送 要解决碰撞重传问题 各个用户按照某种规则使用预定的区间在信道上传输确定传输顺序 时间长短 分配策略和方式 5 无线网络MAC协议原理 MAC协议的指标与要求 延迟吞吐率公平性稳定性 6 无线网络MAC协议原理 无线MAC协议面临的问题 资源有限信道为时变信号 信道有限带宽有限 无线信道特性随时间变化 从而引起传输质量 传输容量和连接性变化握手机制是缓解由信道衰落而引起信号时有时无的有效手段一次成功握手标志两站点之间的通信连接成功 7 无线网络MAC协议原理 依赖位置的载波侦听 隐藏终端 HiddenTerminal 暴露终端 ExposedTerminal 8 无线网络MAC协议原理 隐藏终端 9 无线网络MAC协议原理 暴露终端 10 无线网络MAC协议原理 低功耗 电池发射功率大影响频率复用 11 无线网络MAC协议原理 无线MAC协议的分类 分配策略应用拓扑结构 固定分配 随机竞争和按需分配 面向语音 面向数据和面向综合语音与数据 有中心无中心分布控制 12 无线网络MAC协议原理 将一条信道分割成若干相互独立的子信道 每个信道分配给一个或多个用户使用频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 和空分多址 SDMA 面向信道 可以提供可靠的服务 信道利用率高比较适用于实时性要求高或连续的流业务 语音业务 视频业务等 以及通信量稳定的网络用户不发送信息时 分配给他的信道浪费 固定分配 FixedAssignment 13 无线网络MAC协议原理 随机分配 RandomAssignment 或竞争 Contention 面向广播式信道连接到信道上的终端都可以向信道发送广播信息所有终端都能接收到发自任意终端的信息 如果检测试是发给自己的就接收 否则丢弃代表协议有Aloha系列和CSMA系列通过冲突分解算法 CRA 定义的规则解决冲突适用于间歇性工作 非时延敏感的业务 如 业务 文件传送业务 14 无线网络MAC协议原理 按需分配 DemandAssignment 也称预约类或无竞争类网络按某种循环顺序询问每个终端受否有数据发送 如果有立即发送 否则询问下一个终端根据询问方式 又可分为集中控制和分布式控制典型协议TokenRing PRMA DAMA等按需分配 带宽浪费少 没有由于竞争而浪费的带宽以及由此产生的时延 15 无线网络MAC协议原理 面向语音的固定分配MAC协议频分多址FDMA 将总的频带分成若干个子信道 每个子信道再分配给每个用户一个子信道在某一个时刻只能有一个用户 FDMATDMACDMA 16 无线网络MAC协议原理 1 频分多址FDMA FDMA信道带宽非常窄 在移动通中只有30kHz或更小相对于TDMA 系统简单为减小临信道干扰 对射频滤波器要求较高主要在模拟蜂窝系统采用 无绳电话 数据连续传送 17 无线网络MAC协议原理 2 时分多址TDMA 用户按预先分配好的顺序占用信道从而达到共享同一频带数据分组传送切换处理简单 可以利用空闲监听其他基站用不同时隙进行发送和接收 不需要双工器GSM等系统采用 18 无线网络MAC协议原理 3 码分多址CDMA 使用同一载频 每个用户有自己的伪随机码接收机用相关检测得到需要的码字 其他码字作为噪声处理即不存在FDMA的固有的互调干扰 也不存在TDMA精确的定时同步系统容量大自干扰问题 19 无线网络MAC协议原理 面向数据的随机竞争MAC协议 基于ALOHA的无线随机MAC协议 各用户终端不必经过协调可各自发送自己的分组基于载波监听 CSMA 的无线随机协议 终端用户发送自己的分组之前需要侦听信道 20 无线网络MAC协议原理 1 基于ALOHA的无线随机MAC协议 1 ALOHA协议 纯ALOHA协议 站点发送分组时 并不需要知道信道是否空闲 直接发送由于多用户随机发送 发送时间重叠 发生碰撞 冲突 发送端发送后一段时间内没有接收到确认 就认为分组发生了冲突 经过一个随机延迟后重发 21 无线网络MAC协议原理 22 无线网络MAC协议原理 协议简单分组随到随发 传输时碰撞比较严重负载较重时 性能不稳定 吞吐率低如果退避时间采用指数分布 新的分组和重传分组进入系统用泊松分布 ALOHA的最大吞吐率只有0 184 23 无线网络MAC协议原理 2 时隙ALOHA S ALOHA 将时间轴分成许多时隙 每个时隙长度为一个分组用户仅在时隙开始时发送分组碰撞窗口仅为一个完整的分组长度纯ALOHA可能达到两个分组的长度吞吐率比纯ALOHA高一倍 达0 368需要建立同步 24 无线网络MAC协议原理 25 无线网络MAC协议原理 2 基于CSMA的无线MAC协议 基于ALOHA的竞争协议效率低的原因是碰撞和重发CSMA协议采用先听后说 ListenBeforeTalks 的思想 26 无线网络MAC协议原理 27 无线网络MAC协议原理 1 坚持CSMA非坚持 CSMAp 坚持CSMA 28 无线网络MAC协议原理 1 1 坚持CSMA CSMA技术的最简单方式每个站点在发送前监测信道信道空闲发送信息如信道忙则一直坚持 一旦监测到信道空闲则发送 29 无线网络MAC协议原理 如果两个或以上的站点一监测到信道空闲就发送信号 容易引起冲突 30 无线网络MAC协议原理 2 非坚持 CSMA 消除了大量的碰撞 性能比 CSMA有所提高负载较轻时 延迟时间长 31 无线网络MAC协议原理 P 坚持CSMA 介于上述两种方式之间监听信道 如果信道空闲 以概率p发送数据延时到另一个时隙的概率为1 p协议的性能取决于p的优化程度 32 无线网络MAC协议原理 CSMA CD 站点发送的同时检测信道检测到冲突发送干扰组迫使发送节点停止发送 33 无线网络MAC协议原理 无线节点很难做到收发同时进行即使可以同时收发 CSMA CD也很难解决在发送站点实现CD即使可以在发送方实现CD 由于隐藏节点和暴露节点 即使发送方检测到信道空闲 在接收端仍可能存在冲突无线通信中一般采用带有冲突避免的CSMA CA方式 34 无线网络MAC协议原理 基于冲突避免CA的无线MAC协议 在CA机制中 节点在等待信道保持预定的一段静默时间后才能发送静默允许最差情况下的传输时延和处理时延为了解决隐藏终端问题 CA机制通过阻止碰撞来提高协议性能 带带外信令的CA协议 忙音多址带带内控制信息的CA协议 控制握手信息 35 无线网络MAC协议原理 BTMA BusyToneMultipleAccess 方式 采用一条单独的信道来传输忙音 解决隐藏终端问题当节点接收分组或检测到信道上有载波时就在忙音信道发送忙音 以阻止相邻节点发送节点比没有隐藏终端的CSMA略差 但可以克服隐藏终端问题 36 无线网络MAC协议原理 RIBTMA ReceiverInitiated BTMA 协议 信息中带有识别码接收节点只有解码并识别出自己是预定的接收者后才发送忙音距离接收节点发送半径 内的节点被抑制解码需要时间 并不能完全消除隐藏终端 37 无线网络MAC协议原理 带带内控制信息的CA协议 在同一无线信道上传输控制握手 ControlHandshaking 信息两次握手三次握手四次握手 38 无线网络MAC协议原理 研究带内控制信息的CA协议时 一般假设信道没有衰落 不存在捕获效应 分组错误仅是由碰撞引起的数据分组和控制分组在同一信道内传送 39 无线网络MAC协议原理 两次 TwoWay 握手机制 又称ACK机制 是一种最基本的握手机制如802 11DFC DistributedCoordinationFunction 分布协调 中的基本访问机制 BAM BasicAccessMechanism 只发送DATA和ACK 当正确接收后 立即发送确认帧 发送方收到该确认后 知道该确认帧已成功发送 40 无线网络MAC协议原理 MACA BI MultipleAccessCollisionAvoidance ByInvitation 协议 发送驱动协议接收节点主动发送RTP ReadyReceive 分组发送端根据RTP分组要求 发送速率 包长度 发送数据分组 41 无线网络MAC协议原理 三次 Three way 握手机制 第一次在无线网络中采用握手信息的协议是SRMA Split channelReservationMultipleAccess 发送方使用ALOHA或CAMA决定何时向接收者发送 请求发送 RTS分组 CTS通知发送者何时发送数据分组 42 无线网络MAC协议原理 带碰撞避免的多址接入协议 MACA 可以用三次握手机制解决隐藏终端问题 43 无线网络MAC协议原理 任何一个接收到RTS的工作站 将会等待一个足够长的时间去让发送这个RTS的工作站接收返回的CTS任何一个接收到CTS的工作站将会避免与即将由 发送到 的数据碰撞因区域有别的传输存在 导致有的站点接收不到CTS能接收到RTS而接不到CTS