信道共享技术定义控制多个用户共用一条信道的协议38页PPT

22
国
民
航 学 院 计 算 机
– 一个帧如欲发送成功，必须在该帧发送时刻之前和之 后隔一段时间T0内（2个间隔），没有其他帧发送
– 一个帧发送成功的条件：该帧于该帧前后的两个帧的
到达时间间隔均大于T0
顾
• 假设：帧长固定，无限个用户，按泊松分布产生
兆
新帧；发生冲突重传，新旧帧共传k次，遵从泊
军
松分布；
中
10
国
民
航
学
院
计
算
机
系
顾 兆 军
计
无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；
算
– 分类：纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议
机
纯ALOHA协议
系
– 基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信
道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，
顾
则等待一段随机的时间重发(冲传策略），直到成功;
兆 军
Fig. 4-1,4-8
中
ALOHA (2)
兆
• 与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，
军
信道利用率最高为36.8%。
中
时隙ALOHA
17
国
民
航
学 S=Ge-G
院 计
NR=eG-1
算
机
系
顾 兆 军
中
ALOHA (8)
18
国
民
航 学
有限站数的吞吐量：
院
计 算
– S=G(1-G/N)N-1
机
系
顾 兆 军
中
4.2 随机接入： CSMA和CSMA/CD （1）
7
国 民

7.8.1选择型总线接入控制
这种接入方式出现的较早，总线上接有专门的设备， 称为总线控制器，由于控制功能集中在总线控制器上， 所以又称为集中控制方式。选择型总线接入控 制有3种：
中心询问总线接入； 轮转询问总线接入； 中断驱动总线接入。
1.中心询问总线接入控制
2.轮转询问
次站 A
B
N -1
N
in 总线控制器 out go-head go-head
（3）重发策略
随机策略 二进制指数退避算法(BEB-Binary Exponential Back off Algorithm)
t =R·A·2N
(R为随机数
, A为计时单位)
截断式二进制指数退避算法
重传次数 k = Min[重传次数, 10]
线性增量退避算法(LIB-Linear Increment Back of Algorithm)
7.1 信道共享技术的原理
信道多路复用的理论基础是信号分割原理。信号分割的依据 是信号之间的差别。对多路复合信号实现有效分割的充分必要 条件是各路信号应相互线性无关，既要求各路信号相互正交。
∫ x (t) x (t)dt =
a k j
b
1
0
j =k
j ≠k
7.2 信道共享技术的分类
1. 在电信与计算机中的信道共享技术； 2. 按信号分割技术分类； 3. 按接入共享信道的控制方式分类。
（1）. 通过集中器或复用器与主 机相连
每一个用户都有一条单独到集中器或复用器的接入线路。 集中器或复用器按顺序不断扫描各端口，或采用中断技术 来接收用户发来的信息以及把信息转发给用户。 复用器是成对使用的，而集中器可以单个使用。
（2）. 多点接入技术

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数 据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般 是不高的。
用户
Aa
a
Bb b
C
cc
D
d
时分复用 t
①
t②
ab
t③
#1
④
t
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
用户
Aa
a
B bb
C
cc
D
d
统计时分复用 t①
频带宽度。
时分复用
频率
A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
频率
B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
随机接入 受控接入,如多点线路探询(polling)，或轮询。
3.2 信道复用技术
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
A1 B1 C1
A1
B1
复用
C1
(a) 使用单独的信道
(+ + )
共享信道 (b) 使用共享信道
A2 B2 C2
A2
分用
B2
C2
频分复用 FDM
(Frequency Division Multiplexing)
• 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。
• 定义重传次数 k ，k 10，即

n个信道组成的系统所能容纳的用户总数 M为
结论
当共用信道数n一定 时，呼损率B越大，系 统的流入话务量A越大， 信道利用率越高，系统 容纳的用户数越多。但 服务质量越低。一般公 网 与 其 它 系 统 B 选 5%20%，专网可B选2%。
结论
采用信道共用技术，可提 高信道利用率，随n增加， η增加，但提高的速度越来 越少。如：N>30时，η提高 不明显。因此，共用信道数 不宜太多。
多信道共用技术
1.1 多信道共用的概念 1.2 话务量、呼损率和信道利用率 1.3 空闲信道的选取
1.3 信道的自动选择方式
信道（信道）自动选择的四种方式
专用呼叫信道方式 循环定位方式 循环不定位方式 循环分散定位方式 多信道技术的主要问题是怎样自动选择信道。
专用呼叫信道方式
这种方式是在网中设置专门的呼叫信道，专用于 处理用户的呼叫。移动用户只要不在通话时，就停在 这呼叫信道上守候。这种方式的优点是处理呼叫的速 度快；但是，若用户数和共用信道数不多时，专用呼 叫信道处理呼叫并不繁忙，它又不能用于通话，利用 率不高。因此，这种方式适用于大容量的移动通信网， 是公用移动电话网所用的主要方式。
单位：Erlang（Erl） 1Erl（1个呼叫/小时，占用1小时）
完成话务量
完成话务量
A0= 0S
0 ：单位时间内呼叫成功的次数 S：每次呼叫平均占用信道时间(小时/次)
呼损率
呼损率（B）：定义为损失话务量与流入 话务量之比。用来说明呼叫损失的概率。
服务等级QoS，用呼损率B表示 B=0.05,则全部呼叫中未被接通的概率仅占5％ B降低，A随之降低，网内容纳的用户数减小
1.3 话务量、呼损率和信道利用率
话务量 呼损率 信道利用率 系统用户数

智能天线
利用多个天线阵列形成定向波束，使 信号集中在特定方向上传输，实现在 同一频段上多个用户同时通信。
MIMO技术
通过在发射端和接收端使用多天线， 实现多路信号的同时传输和接收，提 高通信系统的容量和可靠性。
基于编码的信道共享技术应用案例
码分多址
利用不同的编码对信号进行区分，在同一频段上允许多个用户同时通信，通过解码器对接收到的信号 进行解码，实现多用户通信。
增强信号覆盖
通过信道共享，可以更有效地利用信 号能量，增强信号覆盖范围。
信道共享技术的挑战
同步问题
多个用户之间需要保持同步才 能实现有效的信道共享，这增
加了技术实现的难度。
干扰管理
由于多个用户共享信道，因此 需要有效的干扰管理机制来保 证通信质量。
安全问题
信道共享可能带来安全风险， 需要采取额外的安全措施来保 护用户数据。
频分复用（FDM）
将传输频带划分为多个不重叠的频段 ，每个频段传输一路信号，实现多路 信号的复用传输。
码分复用（CDM）
利用不同的码字对信号进行扩频调制 ，实现多路信号在相同频带内的复用 传输。
基于空间的信道共享技术
空分复用（SDM）
通过在空间上分离多个信号的传输路径，实现多路信号的复用传输。
无线多入多出技术（MIMO）
利用多天线技术，通过在发射端和接收端分别配置多个天线，实现多路信号的复 用传输。
基于编码的信道共享技术
要点一
正交频分复用（OFDM）
将高速数据流分割为多个低速子数据流，在多个正交子载 波上并行传输，实现多路信号的复用传输。
要点二
软频率复用（Soft Frequency Reuse,…
通过在频率域内引入保护带和重叠带，实现多小区间的信 道共享和干扰抑制。

5G网络：通过频谱搬移技术实现5G网络的高速传输 卫星通信：通过频谱搬移技术实现卫星通信的高效传输 军事通信：通过频谱搬移技术实现军事通信的安全传输 物联网：通过频谱搬移技术实现物联网设备的高效传输
5G技术的普及： 5G技术的高速 率和低延迟特 性将推动信道 共享技术的发
展
物联网技术的 发展：物联网 技术的普及将 增加对信道共 享技术的需求
频谱感知技术：检测空闲频谱， 提高频谱利用率
动态频谱接入技术：动态选择 空闲频谱，提高频谱接入效率
频谱共享技术：多个用户共享 同一频谱，提高频谱利用率
干扰协调技术：协调用户间的 干扰，提高频谱接入效率
频分复用：将频率资源划分为多个子频段，每个子频段对应一个信道 优点：可以实现多路信号的同时传输，提高频谱利用率 缺点：需要复杂的频率规划和管理，容易产生干扰 应用：适用于固定带宽、固定速率的信道共享场景，如广播电视、无线通信等。
物联网：时分复用技术在物联网中的应用，提高物联网的容量和效率
3GPP LTE网络：采用OFDMA技术，实现多路信号同时在同一频段传输 5G NR网络：采用OFDM技术，实现多路信号同时在同一频段传输 Wi-Fi网络：采用OFDM技术，实现多路信号同时在同一频段传输 卫星通信：采用CDMA技术，实现多路信号同时在同一频段传输
5G技术的普及和 应用
物联网技术的发展
云计算和大数据技 术的应用
网络安全和隐私保 护的加强
汇报人：
云计算技术的 发展：云计算 技术的普及将 推动信道共享
技术的发展
网络安全技术 的发展：网络 安全技术的发 展将推动信道 共享技术的发
展
频谱资源紧张：随着无线通信技术的发展，频谱资源越来越紧张，信道共享技术需要解决频谱资源分配问题。

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：
n
B ≥ b i
i1
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。
2021/2/12
-数据通信与计算机网络》－－
9信Biblioteka 共享技术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。
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。
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。
2021/2/12
-数据通信与计算机网络》－－
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。
2021/2/12
-数据通信与计算机网络》－－
7
信道共享技术
频分多路复用原理图
2021/2/12
-数据通信与计算机网络》－－
8
信道共享技术
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)。

议。
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信道共享举例
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1 受控接入
• 在受控接入中用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。这又分为集中式控 制和分散式控制。
• 分散式控制如令牌环形网。使用一个称为令牌（Token）的特殊帧，使其沿着环路 循环。只有获得令牌的站点才有权发送数据帧，完成发送后立即释放令牌供其它 站点使用。环路中只有一个令牌，因此任何时刻至多只有一个站点发送数据，不 会产生冲突。令牌环上各站点均有相同的机会公平地获取令牌。
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4.3 频分复用
• 频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽资源。 • 频分复用的优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它
成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应 用十分广泛。 • 频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信 道内存在非线性而产生路间干扰。
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第12页/共36页
时隙ALOHA性能分析
• 吞吐量S=G(1-G/N)N-1，当N→∞时，S=Ge-G 时隙ALOHA的最大吞吐量与站数的关系
• G=1，S≈0.368，G＞1时，进入不稳定区域
N • 重传次数N R= e G- 1
1
2
3
SMAX 1 0.5 0.44
4
5
0.41 0
轮叫轮询和传递轮询的比较
• 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，如果站间的距离越大，传递轮询的效果就比轮 叫轮询的越好。但当站间距离较小且通信量较大时，传递轮询带来的好处不明显。
• 传递轮询实现起来技术上比较复杂，代价也较高。
第6页/共36页

n! i0 i!
上式为电话工程中的Erl公式。如已知呼损率B，则可根 据上式计算出A和n的对应数量关系。详见表2-5。
⒊ 繁忙小时集中度(K)
K=忙时话务量/全日话务量 K一般为8%~14%
⒋ 每个用户忙时话务量（Aa）
☆公式：Aa =CTK/3600 其中C为每一用户每天平均呼叫次数，T为每次呼叫平均
1 话务量与呼损
⒈ 呼叫话务量
☆概念：指单位时间内（1小时）进行的平均电话 交换量。
☆公式表示： A=Ct0 • C——每小时平均呼叫次数（包括呼叫成功和呼叫
失败的次数）；
• t0——每次呼叫平均占用信道的时间（包括接续 时间和通话时间）。
• 如果t0以小时为单位，则话务量A的单位是爱尔兰 (Erl)。
例：某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫10次，每次 占用信道平均时间为80秒，呼损率要求10%，忙时集中 率为0.125。问给定8个信道能容纳多少用户？
解：⑴ 根据呼损的要求及信道数，求总话务量A； 可以利用公式，也可查表。 求得A=5.597 Erl. ⑵ 求每个用户的忙时话务量Aa； Aa =CTK/3600=0.0278Erl/用户 ⑶ 求每个信道能容纳的用户数m: A/n m = =205A.8a/8
例：设在100个信道上，平均每小时有2100次呼叫，平均每次呼叫时间为2分 钟，求这些信道上的呼叫话务量。
解：A=21002/60=70 Erl
⒉ 呼损率
☆概念：当多个用户共用时，会出现许多用户虽然发出呼 叫，但因无信道而不能通话 （即呼叫失败 ）。在一个通 信系统中，造成呼叫失败的概率称为呼叫失败概率，简 称为呼损率（B）。
• 呼损率和话务量是一对矛盾，即服叫相互独立，互不相关（呼叫具有随机性）； • 每次呼叫在时间上都有相同的概率；并假定移动电话通信

《现代网络技术》
第3章 信道共享技术
3.4 随机接入技术：CSMA和CSMA/CD
3.4.1 CSMA访问策略 所谓载波，可以理解为数字传输中在信道上检测到 其他站点发送的二进制代码（实际上不存在什么“载 波”），这里借用无线系统中检测站点发出的载波。
《现代网络技术》
第3章 信道共享技术
1. 1-坚持CSMA工作原理 2. 非坚持CSMA工作原理
似。
《现代网络技术》
第3章 信道共享技术
冲突重发 站1 T0 t
帧到 达
站2 T0 帧到 达
帧到 达
冲突重发 t 帧到 达
图3-7 时隙ALOHA系统工作原理 《现代网络技术》
第3章 信道共享技术
3.3.3 轮询与ALOHA的比较
当多点接入系统中的站数不断增多时，轮询系统不 会出现不稳定现象，而两种ALOHA系统都有一个不 稳定的工作区域（指吞吐量超过一定数值的情况）。 因此，在使用ALOHA系统时，一定要采取专门的措 施，否则随机发送的帧很容易使系统在一瞬间进入不 稳定区，从而导致整个系统的吞吐量急剧下降以至不 能工作。
《现代网络技术》
第3章 信道共享技术
否 有待发帧 是 载波侦听 延迟一个 随机时间
发送
是 冲突？ 否 放弃帧的发送 冲突检测 强化冲突
出口
图3-9 CSMA/CD的流程图 《现代网络技术》
第3章 信道共享技术
1. 争用期的概念
实现冲突检测的方法有多种。最简单的方法是比 较接收到的信号电压大小。在基带传输系统中，当两 个帧的信号迭加在信道上时，电压的摆动值要比正常 值大许多，因此只要接收到的信号电压摆动值超过某 一极限值，就认为时发送了冲突。
第3章 信道共享技术