第04章_多路复用与信道共享技术..ppt

第4章多路复用与信道共享技术,计算机网络与通信(第2版),课件制作人：陈伟刘会衡,第4章多路复用与信道共享技术,4.1多路复用技术4.2信道共享技术,课件制作人：陈伟刘会衡,4.1多路复用技术,4.1.1频分多路复用(FDM)4.1.2时分多路复用(TDM)4.1.3波分复用(WDM)4.1.4码分复用(CDM)4.1.5空分复用(SDM),课件制作人：陈伟刘会衡,4.1多路复用技术,多路复用是一种将若干彼此无关的信号合并成一路复合信号并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的方法。多路复用技术包含信号复合、传输和分离三个方面的内容。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.1.1频分多路复用(FDM),频分多路复用是按照频率参量的差别来分割信号的。也就是说，分割信号的参量是频率，只要使各路信号的频谱互不重叠，接收端就可以用滤波器把它们分割开来。把信道的可用频带分割为若干条较窄的子频带，每条子频带都可以作为一个独立的传输信道用来传输一路信号。为了防止各路信号之间的相互干扰，相邻两个子频带之间需要留有一定的保护频带。由于通过媒质传输的复合信号一般是模拟信号，因此，当输入信号为数字信号时，应采用数模转换将数字信号转换为模拟信号，或者由数字信号直接键控载频形成幅度键控信号。,课件制作人：陈伟刘会衡,频分多路复用原理图,课件制作人：陈伟刘会衡,话音信号频分多路载波通信系统的原理框图,复合信号的总带宽满足：,话音信号频分多路复用系统需妥善处理好两个问题：防止串话、减少互调噪声。,课件制作人：陈伟刘会衡,不同的数据速率所需的子频带间隔,表4.1FDM的子频带间隔,课件制作人：陈伟刘会衡,频分多路复用(FDM)优缺点,主要优点在于实现相对简单，技术成熟，能较充分地利用信道频带，因而系统效率较高。主要缺点：保护频带的存在大大地降低了FDM技术的效率；信道的非线性失真改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰；所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化；频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。因此，在实际应用中，FDM正在被时分多路复用所替代。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.1.2时分多路复用(TDM),时分多路复用通信是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。具体地说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。目前常用的TDM有两种：同步时分多路复用和统计时分多路复用。,课件制作人：陈伟刘会衡,1同步时分多路复用,只要发送端和接收端的时分多路复用器能够按时间分配同步地切换所连接的设备，就能保证各路设备共用一条信道进行相互通信，而且彼此互不干扰。,课件制作人：陈伟刘会衡,1同步时分多路复用,n路通信设备连接到一条公用信道上，发送端的时分多路复用器按照一定的次序轮流地给各个设备分配一段使用公用信道的时间。当轮到某个设备使用的逻辑联系被暂时切断，待指定的通信设备占用信道的时间一到，则同步时分多路复用器就将信道切换给下一个被指定的设备。以此类推，一直轮流到最后一个设备，然后又重新继续开始。在接收端，时分多路复用器也是按照一定的次序轮流地接通各路输出，并且与输入端的时分多路复用器保持同步。,课件制作人：陈伟刘会衡,1同步时分多路复用,TDM的工作特点是：第一，通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的，而且这种时间关系是固定不变的；第二，就某一瞬时来看，公用信道上仅传输某一对设备的信号，而不是多路复合信号，但就一段时间而言，公用信道上传输着按时间分隔的多路复合信号。,课件制作人：陈伟刘会衡,1同步时分多路复用,TDM有两种：比特交错TDM、字符交错TDM,课件制作人：陈伟刘会衡,比特交错TDM和字符交错TDM,比特交错TDM通常用于同步终端系统，而字符交错TDM则用于异步终端系统。当以比特为基础进行交错时，复用器允许每路每次输入一比特，然后将各路输入的比特组合成帧进行传输。显然，如一帧中含有多个字符，由于减少了同步字符的个数，从而提高了传输效率。另外，如采用时隙大小与每个字符宽度成比例的技术，虽增加了技术的复杂性和成本，但其传输效率将能达到最大值。,课件制作人：陈伟刘会衡,比特交错TDM和字符交错TDM,因为字符交错TDM所需的缓冲区大，所以字符交错TDM的成本比比特交错TDM要略微高一些。如果能够考虑到字符交错TDM具有按顺序保存字符位的特点，那么可以取消字符中的控制位(如起始位、停止位)，而仅仅传输数据位和校验位，这样也有利于传输效率的提高。对于比特交错TDM来说，除了实现较为便宜外，它还能提供较快的同步和较短的传输延迟，这是因为复用器接收到每一比特数据就可传输的缘故。而字符交错TDM中，复用器则需将若干比特汇集成字符后方可传输。另外，字符交错TDM还具有较强的抗突发干扰的能力。,课件制作人：陈伟刘会衡,2统计时分多路复用,在传统的TDM系统中，以固定分配时隙的方式对来自多个设备的数据流进行组合，然后在单一的公用信道上传输。这种时分多路复用技术既便宜又可靠，并能降低通信费用。但是，把它用于高速通信时效率较低。为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配时隙的技术，即动态地分配所需时隙，以避免每帧中出现空闲时隙的现象。以这种动态分配时隙方式工作的TDM称为统计时分多路复用(STDM)。,课件制作人：陈伟刘会衡,传统TDM与STDM,图中有4个数据源，并在4个不同时刻(t0t3)出现数据。,课件制作人：陈伟刘会衡,2统计时分多路复用,STDM两种子帧的格式：每帧一源的格式：帧末尾标志与总帧末尾标志相同。每帧多源的格式：在一帧中包含多个数据源的数据，此时除了需要指明数据源的地址外，还要给出数据字长。,课件制作人：陈伟刘会衡,2统计时分多路复用,STDM存在的一些潜在的技术缺陷：时延问题。STDM常用的三种缓冲控制技术：同信道信号传输异信道信号传输降低时钟，减缓数据吞吐量。前两种技术可用于控制异步终端的数据流，而后一种技术适用于同步终端。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.1.3波分复用(WDM),波分复用就是光的频分复用。目前一根单模光纤的传输速率可达到2.5Gb/s。如采用色散补偿技术，则一根单模光纤的传输速率可达到10Gb/s。,图4.9波分复用的概念,课件制作人：陈伟刘会衡,4.1.3波分复用(WDM),图4.9示出了8路传输速率均为2.5Gb/s的光载波(其波长均为1310nm)，经光调制后，它们的波长变换到15501557nm，相邻两个光载波相隔1nm。这8个波长很接近的光载波经过光复用器后，在一根光纤中传输。但光信号传输一段距离后会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大后才能继续传输。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器(EDFA)，它是一种光放大器。EDFA不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大。两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km，而光复用器和光分用器之间的无光电转换的距离可达600km(只需放入4个光纤放大器)。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.1.4码分复用(CDM),码分复用(CDM)，更常称为码分多址(CDMA)。每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。CDMA系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声。最早应用于军事通信中，随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，现已广泛使用在民用的移动通信中。,课件制作人：陈伟刘会衡,CDMA工作原理,每个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。CDMA的每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。要发送比特1，则发送它自己的mbit码片序列；要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S站发送比特1时，就发送序列00011011，而当发送比特0时，就发送序列11100100。习惯上，S站的码片序列记为(-1-1-1+1+1-1+1+1)。,课件制作人：陈伟刘会衡,CDMA工作原理,S站数据率为bb/s。由于每个比特的信息要转成m个比特的码片，S站实际据率提高到mbb/s，同时S站所占用的频带也提高到原来的m倍。即扩频。扩频通信通常有两大类：一种是直接序列（DS-CDMA）；另一种是跳频(frequencyhopping)扩频方式（FH-CDMA）。CDMA系统的一个重要特点就是各站的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须互相正交。在实用的系统中使用的是伪随机码序列。,课件制作人：陈伟刘会衡,CDMA工作原理,用数学公式表示码片序列的正交关系：两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)为0。向量S和各站码片序列二进制反码的向量的规格化内积也是0。任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积为1。一个码片向量和该码片序列二进制反码的向量的规格化内积是-1。,课件制作人：陈伟刘会衡,CDMA工作原理的一个例子,S站发送数据110，码片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)T站发送数据110，码片序列为(-1-1+1-1+1+1+1-1),课件制作人：陈伟刘会衡,4.1.5空分复用(SDM),空分复用(SDM)是利用空间分割构成不同信道的一种多路复用方法。比如较常用的适用于100Mb/s的高速数据传输的5类线。,课件制作人：陈伟刘会衡,空分复用技术在无线传输领域的应用举例,课件制作人：陈伟刘会衡,MIMO技术,MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)是在空分复用技术上衍生来的的多输入-多输出的方式MIMO系统可将多径衰落作为一个有利因素加以利用。MIMO是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理技术。MIMO信道容量C：,B为信号带宽；为接收端平均信噪比；min(M,N)为M和N的较小者。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2信道共享技术,4.2.1受控多点接入4.2.2随机接入ALOHA4.2.3随机接入CSMA/CD4.2.4令牌传递接入,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2.1受控多点接入,1轮叫轮询的性能分析主机按顺序从站1开始逐个轮询。站1如有数据，即可发给主机。站1如无数据，则发送控制帧给主机，表示无数据可发。然后主机询问站2,，在询问完站N后，又重复询问站1。,轮叫轮询的网络拓扑结构,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2.1受控多点接入,2传递轮询的性能分析前面讨论的轮叫轮询存在一个较大的缺点，这就是轮询帧在多点线路上不停地循环往返，形成了相当大的开销，增加了帧的等待时延。为了克服这一缺点，可以采用传递轮询的办法。,传递轮询工作示意图,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2.1受控多点接入,传递轮询与轮叫轮询的比较：(1)传递轮询的帧时延总是小于同样条件下的轮叫轮询的时延。(2)站间的距离越大，传递轮询的效果就比轮叫轮询的越好。(3)站间距离较小且通信量较大时，传递轮询带来的好处就不太明显。传递轮询系统虽然具有较轮叫轮询系统更小的帧等待时延，但由于其实现起来技术上比较复杂，代价也较高，因此在目前实用的轮询系统中，主要还是使用轮叫轮询系统。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2.2随机接入ALOHA,轮询技术在网络的通信量较小时，系统的工作效率较低。当网络的通信量较小时，让用户自由地发送数据随机接入。最早在美国夏威夷大学计算中心的无线网络ALOHA系统中采用，称为“ALOHA”方法。,课件制作人：陈伟刘会衡,1非时隙ALOHA,非时隙ALOHA的工作原理,课件制作人：陈伟刘会衡,1非时隙ALOHA,为便于分析，我们做如下假设：(1)广播式信道本身是不产生差错的理想信道；(2)每个节点的帧到达为泊松过程，帧长度固定相等，每帧的发送时间为秒；(3)单位时间内进入信道的总业务量为G，其中成功传输的业务量为S，则有：G=S+(单位时间内的重传帧数),课件制作人：陈伟刘会衡,1非时隙ALOHA,在一个帧发送期间tf及之前共2（这里=tf）秒的时间区间，被称为“易损区间”。如能保证在这个区间内信道上只存在当前这个帧在传输，则这个帧必能成功传输。根据泊松分布公式，当单位时间内的帧到达率为G时，则在期间内出现k个帧的概率为：,课件制作人：陈伟刘会衡,1非时隙ALOHA,在易损区间内成功传输一个帧的概率应是“前一内不发送帧”和“后一个内只发送个帧”这两事件同时发生的概率，则成功概率为：成功概率也即系统吞吐率：,ALOHA系统的S-G特性曲线,课件制作人：陈伟刘会衡,1非时隙ALOHA,ALOHA系统的帧传输时延通常用时延吞吐特性来描述。定义帧传输时延D是从一个帧发送到被接收节点成功接收为止的一段时间间隔。归一化的帧传输时延D可表示为式中，第一项是成功传输的一次归一化时延；第二项是归一化的传播时延，第三项是由于碰撞而引起E次重传所引起的时延，其中是每次重传所需的平均时延。问题归结为求E和。,课件制作人：陈伟刘会衡,1非时隙ALOHA,不难得出一个帧的平均发送次数就等于G/S。抛去成功的一次，则平均重传次数为：实际中通常采用的一种简单重传策略是：当发送站检出自己发送的帧出错后，立即计算一个在1,K区间内均匀分布的随机数k，据此延迟ktf秒后再重传被碰撞的帧，则归一化后的平均一次重传时延为：最后有：,课件制作人：陈伟刘会衡,2时隙ALOHA,前述非时隙ALOHA系统只给出了约0.184的最大吞吐率。为了提高吞吐率，需要设法减少各节点发送帧时发生冲突的机会。时隙ALOHA系统(简记为S-ALOHA)的吞吐率比非时隙ALOHA系统的确实提高了一倍。S-ALOHA系统的帧传输时延D。,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2.3随机接入CSMA/CD,要进一步提高系统吞吐率，还应进一步设法减少节点间发送冲突的概率。为此，除了缩小易损区间(这也是有限度的)外，还可以从减少发送策略的盲目性着手，在发送之前进行“载波监测”来确定信道忙闲状态，然后再决定帧发送与否，即载波侦听多址接入(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)方式。,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA的基本原理,任一个网络节点在它有帧欲发送之前，先监测一下广播信道中是否存在别的节点正在发送帧的载波信号。如果监测到这种信号，说明信道正忙，否则信道是空闲的。然后，根据预定的控制策略来决定：(1)若测得信道是闲的，应该立即将自己的帧发送出去还是为慎重起见暂时不发送出去；(2)若测得信道是忙的，应该继续坚持监测载波还是暂时退避一段时间再监测。,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA技术分类,针对这两种情况的不同处理决策，CSMA可细分为不同的几种实现形式：(1)非坚持型CSMA；(2)1-坚持型CSMA；(3)p-坚持型CSMA。这里主要讨论的CSMA/CD的全称是“带冲突检测的载波侦听式多址接入方式”，它是1-坚持型CSMA方式的一种改进形式。,课件制作人：陈伟刘会衡,1-坚持型CSMA算法原理,第1步：新帧进入缓冲器，等待发送；第2步：监测信道。若信道空闲，启动发送帧，发完返回第1步；否则，若信道忙碌，继续；第3步：转至第2步。,课件制作人：陈伟刘会衡,不同a值的S-G特性曲线,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA/CD,CSMA/CD控制规则相对于1-坚持型CSMA增加了如下三点：(1)“边说边听”(LWT)。(2)“强化干扰”(jamming)(3)“基本等待时间”(BWT)。第1点保证尽快确知碰撞发生和尽早关闭碰撞发生后的无用发送，这有利于大大提高信道利用率；第2点可以提高网络上所有工作站对于碰撞检测的可信度，保证了分布控制的一致性；第3点能大大提高对一个发送帧的确认概率。,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA/CD,在发送与检测策略方面，实用的CSMA/CD协议选择了1-坚持型方式。应用中的CSMA/CD协议在传输时，采用了附加检测窗口的确认式控制操作。在退避策略方面，CSMA/CD协议采用一种“截断二进制指数退避”(TruncatedBinaryExponentialBackoff)算法。,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA/CD确认式数据传输过程,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA/CD确认方式的工作流程,课件制作人：陈伟刘会衡,CSMA/CD与其他方式的吞吐性能比较,课件制作人：陈伟刘会衡,最大吞吐量Smax与a的关系曲线,课件制作人：陈伟刘会衡,4.2.4令牌传递接入,在环形拓扑的局域网上，基本上都采用令牌传递(Token-Passing)方式的媒质接入技术。“令牌”(Token)，也称为“通行证”或“标记”，它是用于分配和调度共享信道资源的一种控制码型，是一个网络工作站接入并占用媒质资源的权力象征。令牌的忙或闲状态代表信道是否空闲以供节点站接入使用。Token-Passing接入方式，理论上