移动通信---第八课 多址技术与系统容量分析 以及数据链路层技术 目录 ?多址技术 ?系统容量分析 ? DLC 层技术 ?MAC协议 ?链路控制技术 ?动态信道分配 无线媒介 ?所有用户共享无线资源； ?信道接入成为中心问题，它决 定了网络的基本容量，并且对 系统复杂度和/或成本有极大 的影响。 双工方式 ?收发如何复接在一起 ?频分双工-FDD：上下行信流在不同的频段同时传送。 ?没有同步问题； ?上下行链路信道衰落相互独立； ?需用双工器来分离上下行信号。 ?时分双工-TDD：上下行信流在不同的时隙交替传送。 ?双工装置简单； ?一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量； ?上下行链路之间的带宽分配灵活； ?需要同步，并要考虑收发无线切换的时间； ?需保护时隙来防止上下行时隙混叠； ?引起额外的延时和缓冲器的开销； ?码分双工-CDD：用正交和半正交码来分离上下行链路。 ?半正交码不能克服“远近效应”； ?正交码的正交性在多径信道中被恶化； ?在任何现有系统中没被采用过。 接入技术设计 ? FD、TD、CD、或混合 ?小区内的效率 ?对其它小区的干扰 ?蜂窝系统“容量” ?其它考虑的问题 ?频率规划 ?同步需求 ?软切换 ?功率控制需求 ?频率复用需求 频分（FD） ?所有的带宽被划分成正交的频道再分配给 不同的用户使用。 ?优点： ?窄带信道(没有ISI)； ?复杂度低； ?允许连续时间传送信号和进行信道估计。 ?缺点： ?基站需采用多个无线电设备； ?由于连续时间传送信号而导致越区切换复杂； ?信道专用(空闲的用户也占有信道造成浪费)； ?很难为一个用户分配多个信道。 ? FD 没有在现有数字系统中单独使用。 时分（TD） ?时间被划分为正交的时隙，不同的时隙被分配 给不同的用户使用。 ?优点： ?在基站所有的用户公用无线电设备； ?不连续传输信号使越区切换简单，并且功耗减小； ?容易为一个用户分配多个信道； ?无需双工器。 ?缺点： ?需同步； ?多径恶化了时隙的正交性； ?通常需采取措施减轻ISI 的影响； ?空闲信道可能被浪费； ?短时传送信号使均衡和动态资源分配困难。 码分（CD） ?通常用正交或半正交码来调制每个用户的信 号，接收机则根据用户的专用码分离用户。 ?优点： ?在系统中没有用户数的硬性限制(软容量——系统是 干扰受限的)； ?使用干扰减小技术增加容量； ?无需同步； ?采用多码道或多速率技术可为一个用户分配多个“信 道”。 ?缺点： ?复杂； ?存在“远近效应”问题。 多址接入简介 ?基本概念：实现不同地点、不同用户接入网络 的技术 ?多址接入与信道 ?信道：传输信息的通道 ?无线信道：(f，t，C，S) ?分类 ?频分多址(FDMA)：频道划分，频带独享，时间共享 ?时分多址(TDMA)：时隙划分，时隙独占，频率共享 ?码分多址(CDMA)：码型划分，时隙/频率共享 ?空分多址(SDMA)：空间角度划分，频率/时隙/码共 享 频分多址(FDMA) ?基本概念：总带宽被分隔成多个正交的频道，每个用户占用一个 频道。 ?用户地址：频道号。 ? FDMA的特点： ?比较简单，容易实现，适用于模拟和数字； ?是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区； ?需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统； ?以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟/数字话路； ?对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置； ?基站是多部不同载波频率发射机同时工作； ?频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。 FDMA 中的干扰问题 ?互调干扰 ?概念：指系统内由于非线性器件(功率放大器)产生的 各种组合频率成分落入本频道接收机通带内，造成对 有用信号的干扰 ?解决办法：减小产生互调干扰的条件，尽可能提高系 统的线性程度，并选用无互调的频率集(频率规划) ?邻信道干扰 ?概念：指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道 带内，造成对有用信号的干扰 ?原因：带外抑制不够，非线性器件产生寄生辐射 ?解决方法：规定收发信机的技术指标，即规定发射机 的寄生辐射和接收机的中频选择性，还可采用加大频 道间的隔离度 时分多址(TDMA) ?基本概念：信道是基于时间分割并组成帧的时隙。 ?用户地址：时隙。 ?引入的概念：时隙、帧、复帧、Burst等。 ?特点： ?以频率复用为基础的蜂窝结构，小区内以时隙分离用户； ?每个时隙传输一路数字信号，时隙可以按需动态分配； ?系统需要严格的系统定时同步，但对功控要求不严格； ?系统是时隙受限和干扰受限的； ? TDD模式下，上下行信道信息可以共享。 TDMA 的系统定时 ? TDMA系统突发定时关系 ?移动台的移动性导致各移动台到基站的距离不同因此发送信号 的延时也不相同导致基站接收的信号相互交叠干扰； ?解决办法用户提前发送； ?重要问题系统定时保护时间和定时提前量。 ?系统定时 ?全网同步切换； ?位/时隙/帧/复帧同步。 ?定时保护时间 ? Guard Periods； ?根据基站覆盖小区的半径 和电波传播时延确定。 码分多址(CDMA) ?基本概念：基于码型结构分隔信道，频率、时间共享。 ?特点： ?每个基站只需一个射频系统； ?小区内以CDMA建立信道 连接； ?每个码传输一路数字信号； ?各用户共享频率和时间； ?是一个多址干扰受限系统； ?需要相当严格的功率控制， 使系统复杂； ?需要定时同步； ?具有软容量； ?具有软切换能力； ?语音激活技术可扩大系统 容量； ?抗衰落、抗多径能力强。 三种多址技术的比较 举例 ? AMPS FDMA/FDD ? GSM (EDGE) TDMA/FDD ? IS-54 和IS-136 TDMA/FDD ? JDC TDMA/FDD ? IS-95 CDMA/FDD ? IMT-2000 CDMA/FDD GSM 接入 ?上下行链路用FDD分隔。 ?接入方式结合了FD、TD 和慢FH ?总BW 分割成200Khz 信道； ?小区信道复用基于对信号和干扰的测量结果； ?所有信号用一个FH 扩频码调制 ?同一小区的FH 扩频码正交； ?不同小区的FH 扩频码半正交。 ? FH 减轻了频率选择性衰落的影响； ? FH 通过伪随机调频图案平均了干扰。 IS-95 (CDMA) 接入 ?每个用户单独分配一个DS 扩频码 ?扩频码在每个小区中复用 ?无须频率规划 ?若扩频码未被邻小区分配出去时，允许进行 软切换。 ?为克服“远近效应”需采用功率控制 ?小区边界的移动台增大了对邻小区的干扰功 率。 空分多址技术(SDMA) x-DMA Time slot s 4 s 3 s 2 s 1 s N-1 s N Fr equency f 1 f 2 f 3 f 4 f 16 f 15 Code c 1 c 2 c 16 目录 ?多址技术 ?系统容量分析 ? DLC 层技术 ?MAC 协议 ?链路控制技术 ?动态信道分配 蜂窝系统的容量 ?系统的容量包括两方面的概念： ?用户容量，即系统可以同时接纳的用户 数目。 ?业务容量，即系统允许同时传输的数据 量(满足一定的QoS要求)。 ?对于单小区系统，在加性白高斯噪声 下，FDMA/TDMA/CDMA具有相同 容量，CDMA容量大的原因是从多小 区的角度。 容量比较 ?香农容量： ?香农容量没有计入复用距离的作用。 ?有些结果得自具有联合基站处理的TDMA 系统。 ?用户容量： ?可支持的具有规定性能要求的用户数量。 ?结果与业务流量、话音激活因子和传播模型密切相 关。 ?可通过减小干扰技术提高用户容量。 ?区域频谱效率。 FDMA 和TDMA 系统的容量 ?蜂窝系统容量的限制因素——同信道干扰。 ? FDMA与TDMA系统中： ?信道正交，同一时间的小区内只允许一个用户占用一 个信道(频带或时隙)，小区内无同信道干扰； ?同信道干扰来自相邻同频小区，频率复用因子； ?邻信道干扰：FDMA(带外辐射)，TDMA(信号时 延)。 ? FDMA/TDMA的系统容量：每小区的信道数(m) CDMA 的系统容量 ?蜂窝系统采用CDMA的目的：增大系统容量 ?同信道干扰：本小区的用户多址干扰，邻小区 的用户干扰→多址干扰或多用户干扰 ? CDMA的系统容量 ?信道数：频带+时隙+扩频码 ?有效用户数(m) ?考虑语音激活因子---α(~35%) ?考虑扇区化因子---G ?考虑频率复用效率---F 扇区化 ?基站的全向天线被分为G 个扇区。 ?假设在其它扇区内的用户不对本扇区产生干 扰。 ?每个扇区的用户数N s =N/G (干扰减小G 倍)。 ?基站需处理扇区之间的越区切换。 语音激活 ?当用户不讲话时就不发射信 号。 ?语音激活因子α=0.35～0.4 (减少60～65%的干扰)。 ?每次话音突发需进行再同步。 ?造成用户掉话率更高。 爱尔兰（Erlan）B公式 ? ErLan B描述系统的阻塞率，源于有线电话的话 务量分析。 ?假设电话呼叫的发起过程符合泊松分布，服务 时间符合负指数分布， ? CDMA具有软容量的概念 ? CDMA是一个干扰受限系统，任何降低干扰的方法将 增加容量，同时降低QoS要求也将增加容量 前向链路还是反向链路容量 ?反向链路： ?非相干接收； ?每个用户经历的衰落相互独立； ?需功率控制。 ?前向链路： ?导频辅助的相干解调； ?多径同步合并。 ?结论：反向链路是容量限制因素。 ?其它小区的干扰均衡了各个方向的性能。 CDMA前向链路容量 CDMA反向链路容量 CDMA 容量降低 ?话音激活因子从0.375 变为0.5，容量 降低30%； ?路径损耗指数从4 变成3，容量降低 20%； ?多径衰落造成容量降低45%； ?越区切换门限从0 变成6 dB，容量降 低40%； ?功率控制误差从0 变成1 dB，容量降 低35%。 比较三种多址方式的容量 8C32810.70-Cimini-7/98 区域频谱效率 ?定义为单位区域的总吞吐量。 ?搜寻复用距离及其它参数之间的设计折中。 ?可用作对任何系统的一般性能度量。 ?基于分析模型或仿真可计算此比率。 ? ASE 用于等数据速率用户系统。 K R b (S/I) (.25 D 2 π) A e = bps/Hz/km 2 ? -K为每个小区的用户数； -S/I 为接入方法、复用距离、和传播特性的时变函数； -R b 为每个用户的数据速率； - D为复用距离。 ASE vs. 小区半径 小区半径R [Km] 10 1 10 0 平均区域频谱效率 [Bps/H z/Km 2 ] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 D=4R D=6R D=8R f c =2 GHz 目录 ?多址技术 ?系统容量分析 ? DLC 层技术 ?MAC 协议 ?链路控制技术 ?动态信道分配 一般概念 ?无线网络节点通过无线电波交换 信息（例如数据包）； ?在MAC 层，数据包可以是： ?单播（Unicast）数据包——寻址 特定的节点； ?组播（Multicast）数据包(或在特 殊情况下的广播)——寻址一组节 点。 MAC 层的位置 ? MAC 层在简单协议栈内的位置： MAC 的功能 ?在多址接入信道上决定“Who does next”； ?根据系统需求和应用（例如QoS 需求）可能发生改变； ?很多无线MAC 协议源于有线系 统； ?很多MAC 协议主要为满足网络 的ad hoc 需求而变得复杂。 AMPS ?基于FDMA 的蜂窝系统。 ?共划分成832 全双工信道(组成控制信道 和业务信道)。 ?每个小区有1个全双工控制信道和45-50 个全双工业务信道。 ?采用基于CSMA (可能发生碰撞) 的协议 接入控制信道。 ?由基站分配业务信道。 D-AMPS ?频谱使用同AMPS系统。 ?业务信道被分成每帧6个时隙。 ?每个频道可为多个用户使用。 ?信道的数据速率为8.1kbps，但信道 可集中起来使用，以支持更高速业 务。 ?信道接入近似AMPS。 IS-95 和cdma2000 ?基于CDMA 的系统，使用DSSS 技 术。 ?当移动台决定要越区切换到另一个小 区时，需严格进行功率控制。 ?移动台可同时与多个基站进行通信。 ? CDMA-2000 是IS-95 的3G 版 本。 GSM 和DCS ? TDMA 与FDMA 联合方案. ?每个小区最多有200 个全双 工信道。 ?每个载波被分为一个帧长中有 8个时隙。 ?基站为移动台分配信道。 无线ATM ?面向连接。 ?将ATM协议扩展到无线用户(固定包长)。 ?移动台向基站发出具有QoS要求的申请，基站 负责上下行链路的信道。 ?申请通常用Aloha 协议。 ?适用于时延敏感的数据业务。 ?最著名的MAC 协议有: ([PRMA/DA, DSA++,] – FDD 和[MASCARA, DTDMA] – TDD) 信道分配问题 ?静态信道分配或基于分配的 MAC 协议。(同步) ?动态信道分配或基于竞争的 MAC 协议。(异步) ?混合MAC 协议(合并静态和 动态信道分配)。 基于分配的协议 ?在同步传输媒介中使用排序算法。 ?发送schedule 决定了某时隙中允许哪个节点 发送数据。 ?大多数情况下不会发生碰撞(但有例外情况!) ?在负载重时进行预测，但在负载轻时不做预 测，数据包时延明显比基于竞争的协议大。 ?在各种负载条件下都浪费带宽资源。 ?基于分配的协议举例： ? TDMA、FDMA、CDMA（如前面的介绍） ?预约协议 ? 5相预约协议(FPRP) ?时间扩展多址(TSMA) 预约协议 ?按需分配： ?使用一个公共预约信道来按需分配带宽 ?预约信道需用额外带宽 ?若开销的流量是消息流量的百分之几时就非常有效 ?从数据信道到控制信道Offloads 接入机制。 ?控制信道通常使用ALOHA ?对短信息则效率极低。 ?对于CDMA，预约过程必须为发射机和接收机 分配单独的扩频码。 ?话音和数据技术： ? PRMA ?可变速率CDMA 分组预约多址（PRMA） ?时间轴被组成时隙和帧。 ?所有未预约的时隙开放用于竞争。 ?在未预约的时隙以概率发送信息P。 ?数据用户在每个时隙竞争发送(Aloha)。 ?对话音用户，在一个未预约时隙的成功发送即 为候选的发送预约了该时隙。延时超时的数据 包则被丢弃。 ?得到话音激活的优点(预约的时隙在讲话spurt 结束后退出)。 11 2 2 3,4 PRMA 分析 ?系统状态用马尔可夫链建模。 ?稳态概率用于判决阻塞概率。 ?分析的复杂度极高。 ?可换用平衡点分析(EPA) 技术进行 分析 ?任何状态的到达和离开概率相等； ?用于推导掉话率闭式解； ?与仿真结果非常吻合。 PRMA 性能 ?比Aloha 减小1-2 个数量级的掉话概 率。 ?用户移动性： ?当移动节点切换小区时，其原来的预约就被 放弃； ?话音的延时限制可能在重新竞争期间超期； ?性能降低可以被忽略。 ?错误比特： ?收到的话音比特差错被丢弃； ?收到的头比特出错时会导致失去预约； ?不能忽略其对性能的影响。 5相预约协议（FPRP） ?网络size 独立且(scalable) ?复杂的帧类型应用两种子帧： ?预约帧； ?信息帧。 ?在一系列信息帧之前是一个预 约帧。 5相预约协议（FPRP）---续 RS = 预约时隙IF = 信息帧 RC = 预约周期IS = 信息时隙 预约帧信息帧 5相预约协议（FPRP）---续2 ? RCs的预约步骤有5 步： ?用p 持续Aloha 发送申请； ?由相邻节点反馈； ?握手成功后允许节点预约时隙(发送出申请)； ?所有节点2 跳之内被通知到； ?为了性能最佳，不成功的预约尝试由下一次的随机尝试（伪- Bayesian）来解决。 ? FPRP 产生无碰撞schedules。 ?预约周期需进行大量的无线切换(和传播时间)。 ? m*L 个预约时隙(!) ? K、L、和m 是经启发式地确定，而非自适应于信道变 化。 动态TDMA ?帧被分成申请、话音、和数据时隙。 ?话音时隙由话音用户通过另外的控制 信道预约使用。 ?数据时隙基于在申请时隙的纯 ALOHA 竞争来动态地分配。 ?在中等到高话音业务流量情况下比 PRMA 性能好。 自适应CDMA ?每个用户的SIR 需求： ?容量限制： ? W 是总扩频带宽； ? R v 和R d 分别是语音和数据的符号速率； ? γ v 和γ d 分别是语音和数据的SIR 需求； ? M v 和M d 分别是语音和数据业务用户数； ? P 0 为噪声和小区外部干扰信号功率； ? P t =M v P v +M d P d 是基站接收总功率，其中P v 是语音用户接 收信号功率，Pd 是数字用户接收信号功率。 0 0 1 11 PP P R W M R W M t dd d vv v + ?≤ + + + γγ dvu WPPWP RP u ut uu ,, /)(/ / 0 =≥ ?+ γ 自适应CDMA 的预约策略 ?话音非自适应：P v 、R v 、和γ v 全都固 定。 ?预约固定数量K v 的话音信道：最大数由 容量方程确定： ?自适应的M d 、R d、 和γ d 使数据吞吐量最 大，但容量受到通信话音用户的限制。 vvv v P P R W K 0 max 1?+≤ γ 自适应CDMA 自适应策略 ?可变比特率： ?数据用户数固定； ?每个用户分配一个单独的扩频码； ?每个话音用户以最大数据率发送。 ?多扩频码： ?给数据用户分配多个扩频码； ?每个码发送固定的数据流； ?数据率由容量确定。 ?可变星座size ?每个用户由一个扩频码； ?星座size 随数据率可变。 自适应CDMA 的性能 ?话音性能取决于话音的统计特 性和K v ?多码传输的性能最差(自干扰) ?可变比特率的性能最好 ?当改变星座size 时，需更大的 功率 时间扩展多址（TSMA） ?分时隙协议，以准静态的方式分配时隙。 ?放松了TDMA 的严格限制使性能更好，但接入 时延仍然大。 ?对一个有N 个节点的网络，协议使用的帧长为 N。 ? TSMA 可为每个节点分配多个时隙，因此允许 发生一定量的碰撞。 ? TSMA 保证在一个帧内具有无碰撞时隙。 ?此“法术”通过使用限定域(Galois 域(GF)) 实 现。 时间扩展多址（TSMA）---续 ?令p 初始值，而m 为一个整数。设q= p m ， 并设选取整数k 使q k+1 >= N 且q>+ kD max +1，D max 为最大相邻节点数量。每个节 点可从GF(q) 分配一个单独的多项式f。 ?用此多项式可计算一个单独的TSMA schedule。 ? schedule 中的帧长限制由下式确定： 时间扩展多址（TSMA）---续2 ?对于不太ad hoc 的大网络，发送schedules 可大大减少(见下表中N=1000 的情况)。 ?违反D max 时可能导致严重后果。 基于竞争的协议 ?简单协议: ? Aloha ? CSMA ?碰撞避免协议: ?忙音多址(BTMA) ?接收机发起的BTMA (RI-BTMA) ?无线碰撞检测(WCD) ?碰撞避免多址(MACA) ? MACAW, MACA-BI, MACA/PR ALOHA ?数据分组化。 ?数据包占用给定的时间间隔(TD 技术)。 ?纯ALOHA： ?主要特征是缺少信道接入控制； ?无论何时产生数据即发送数据包； ?数据包的任何部分交叠都发生一次碰撞（非正交时隙），碰撞 非常普遍； ?接收出错后等待一个随机长度时间后重发（避免连续碰撞）。 ?分时隙ALOHA： ?与ALOHA 类似，但数据包分时隙发送； ?数据包在预定的时隙发送； ?当数据包重叠时发生碰撞，但不存在包的部分重叠，减少了碰 撞的发生； ?当收到的数据包出错时在一段随机长度延时之后重发。 Aloha 效率 ?假设： ?归一化时间为1； ?任何包重叠都要重传； ?节点数无限； ?数据包为速率λ的泊松到达； ?分时隙ALOHA ?对随机重发，新的和重发的数据包以速率G> λ泊 松到达： ?纯ALOHA G GeThroughput ? = 纯Aloha 吞吐量图 S ( 每个包期间的吞吐量 ) G(λ) (每个包期间的试探次数) .40 .30 .20 .10 0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 纯Aloha G Ge 2? λ ?吞吐量：采用分数时间信道 ?没有功率限制 ?没有测量纯速率 纯Aloha 效率图 Aloha 效率： -假设功率占空比为1/G； -低流量和低P/N 时效率高； -联合信息论与排队论。 ( ) ()NPB GNPBGe C C r G u /1log )/(1log 2 + + == ? P/N=-20 dB -10 dB 0 dB 20 dB .4 .8 G 效率 纯Aloha vs. 分时隙Aloha 注：——两个平衡点 ——负载重时效率低 ——捕获效应提高了效率 ——采用分时隙ALOHA 可减少碰撞 S ( 每个数据包期间的吞吐量 ) .40 .30 .20 .10 0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 G (每个数据包期间的试探次数) 分时隙的ALOHA 纯ALOHA 平衡点 平衡点 p-持续Aloha ?是分时隙Aloha 的一种变 形，其中p 持续参数决定节点 在一个时隙发送数据包的概率 (0>p>1) 。 ?减小持续参数也就减小了碰撞 次数，但同时增加了传输时 延。 扩频Aloha ?一个CDMA 码code 分配给所有的用户。 ?用户由到达时间分隔 ?当两个以上同时到达时发生碰撞。 ?优点： ?简化了收发信机； ?没有扩频码字分配； ?对充分宽带的信号用户数也没有限制。 ?缺点： ?多径明显增大了碰撞概率； ? RAKE 更难实现。 t 载波侦听技术 ?在发送前先侦听信道来决定是否发射 ?比ALOHA 效率高?重传较少 ?在有线网中，载波侦听常与碰撞检测相结 合(如以太网) ?不可在无线环境应用 ?当前的无线LAN中采用的是碰撞避免 (WaveLAN和IEEE802.11等) 有线网 忙音 无线网 载波侦听多址(CSMA) ?在试图发送之前，节点先侦听 信道，检查正在进行的传输。 ? CSMA 协议可具有不同的持续 程度。 1-持续CSMA ?只要站有数据要发，且信道空 闲，站就可以发送数据包。 ?在发生碰撞后，站在等待一个 随机时间后重发。 ?若信道空闲，站就依概率1发 送，协议因此而得名。 非持续CSMA ?每次信道忙，站就需要“休息” 一会，然后在等待一段随机时 间后重新检测信道状态。 ?发生碰后，站就像CSMA 重 发数据包。 p-持续CSMA ?信道被分时隙(时隙长度等于最大允 许的传播时延)，但时间不同步。 ?站在每个时隙起始时刻进行载波侦 听，若信道空闲，则站或依概率p 发 送数据或依概率1-p 等待下个时 隙。 ?信道忙时则强迫节点在做重新尝试之 前等待一段随机时间。 举例 ? ARDIS ? ——分时隙的CSMA ? RAM 移动数据 ? ——分时隙的CSMA ? CDPD ? ——DSMA/CD ?数字感觉多址 ?在接收机和发射后进行碰撞检测 ? WaveLAN ? —— CSMA/CA 忙音多址(BTMA) ?两个频率分隔的信道： ?数据信道 ?控制信道(窄带) ?在控制信道中引入忙音来只是数据信道是否被 占用。(此为非常简单的信号，因而只需窄带) ?工作： ?源节点侦听控制信道中的忙音。若没有忙音就可以开 始发送。 ?若有忙音，则节点为稍后一点的时间重新制定数据包 的发送schedule。 ?若节点正在数据信道上发送信息，它可直接开始发送 忙音信号，直到数据信道再次变成空闲。 忙音多址(BTMA)---续 ? BTMA 防止所有节点远离源两跳以上接入 数据信道，因此解决了隐身终端问题。 ?但是，更多的节点离发射点过远（不是全 部两跳的邻居都需保持静默），结果：信 道严重地未被充分利用。 ?并且，因为存在传播时延，即使在静态环 境也可能发生碰撞。 接收机发起的BTMA(RI-BTMA) ?只有目的节点发出忙音。 ?节点必须监视数据传输。 ?目的节点的决定花费了较多时 间，导致碰撞概率增大。 ?短数据包传输时效率低。 无线碰撞检测(WCD) ? BTMA 与RI-BTMA 通过在控制信道上采 用两个不同的忙信号联合应用。 ?当节点检测出一个非空闲数据信道时就发 出“碰撞检测”信号(BTMA)。当目的节 点指示信道可用时，本节点就立即停止发 送此忙音信号。 ?由目的节点发出“反馈音”信号。 ?在减小碰撞概率的同时仅浪费了一点点带 宽资源。 BTMA、RI-BTMA、WCD ?忙音协议： ?硬件设计简单； ?对交换超时不敏感； ?易受碰撞影响； ?有时不可行：RF 频谱可能太少而限制使用两 个控制信道(需设计随路信令)。 ?性能顺序：WCD、RI-BTMA、BTMA 碰撞避免多址(MACA) ?采用握手对话(随路信令): ?发送端发出发送请求(RTS)； ?接收端回应以清除发送(CTS)。 ?发送端接收到其目的节点回应的CTS 消 息后就立即发送数据。 ?解决了隐形终端问题。 ?只能用于单播发送。 ?需要快速无线切换。 RTS-CTS 握手---RTS RTS-CTS 握手---CTS RTS-CTS 握手---DATA MACAW ?通过载波侦听增强了MACA (减小了RTS 包的碰撞概率)。 ?在发送结束时引入确认(ACK) 以帮助快速恢复丢弃的包。 ?改善了碰撞解决算法。 具有拖尾预约的MACA (MACA/PR) ?引入信道预约以提供不同的QoS需求。 ?每个节点都维持一个预约表(RT)。 ?源在完成握手后即进行预约。第一个数据 包的头上将包括下一个包发送的时间间 隔，目的节点回应的ACK 中包括相同的 时间间隔。 ?其它节点依此更新其RTs。 ?节点之间周期性地交换其RTs。 通过邀请的MACA (MACA-BI) ?把握手过程反过来执行： ?目的节点先发送接收请求RTR 。 ?源节点回应此轮询。 ?每个节点必须预测其邻居何时有数据包要 发给它，因此每个节点必须维持一个具有 邻居相应业务特征的表。 ?并且节点必须与轮询同步防止碰撞。 MACA 类型协议 ?通过握手使碰撞最少。 ?很多mini 数据包的交换大大 增加了信号传播时间。 ? MACA/PR 和MACA-Bi 减轻 了这些问题，但必须维持状态 信息。 高速无线数据的实现 ?重传降低了功率和频谱效率； ? ALOHA效率低，不能满足高 速数据吞吐量的需求； ?对短信息来说，预约协议效率 也低，长数据突发时预约协议 效率高； ?延时限制更使吞吐量受限。 混合协议 ?两种以上协议的结合。 ?可结合基于分配和基于竞争两类协议的最佳特 性。 ?通常很复杂(但是是很好的解决方案)。 ?一个好的混合协议喜欢在低负载时采用基于竞 争的协议，而在高负载采用基于分配的协议。 ?混合协议举例： ?混合TDMA/CSMA ? ADAPT ? ABROAD ? AGENT ? Meta-协议 混合TDMA/CSMA ?没被使用的TDMA 时隙可回收用 于CSMA 类型的竞争。 ?在已分配的时隙内，移动台可发 送最多2 个数据包。 ?因为要防止两跳以上的移动台参 与竞争时隙，只能用于固定无线 系统。 ADAPT ?用MACA (CSMA/CA) 类握手解决隐形终端问题。 ?在先前的时间间隔，移动台用握手来通告其要使用分配给它们的时 隙的意图。 ?如果在先前的时间间隔内没有人宣称要使用此时隙，则该时间间隔 就被用于竞争。 ?发送时期用于发送数据包。 ?分析和仿真结果证明，在各种用户稀少的网络中信道利用率高，而 且保证TDMA 类型协议的接入时延界限。 ?但： ?必须计算几次切换的超时时间 ?不支持组播传输。 优先时期竞争时期传输时期 ADAPT---续 ADAPT---续3 TDMA 子协议CSMA/CA 子协议 ABROAD ?改进的ADAPT 协议，能支持组播发送。 ?除非所有目的移动台都必须发出一个CTS 响 应，否则先前时间间隔保持相同。 ?在竞争时间间隔内，CTS 被负-CTS消息 (NCTS)取代。 ?若在RTS 竞争期间检测出碰撞，移动台将发出 一个NCTS 作为回答。 ?已经发送出RTS 消息的源移动台将在NCTS 回 应期内期待而抑制不发任何信息。 ABROAD---续 ?负-握手组播方案不保证在所有情况下都不发生 接入碰撞(B 和C 同时发送出RTS)。 ?近似分析和仿真结果证明，既便在最差的覆盖 情况下，失败概率也相对较低。 ABROAD---续2 AGENT ?把ADAPT 的单播能力与ABROAD 的组播能力 综合起来，成为一个极度自适应的MAC 协议， 以提高全范围的业务传输。 ?协议倚赖数据包的寻址数。 AGENT---续 ?若发送单播数据包，AGENT 的行为 就像ADAPT；而在发组播数据包 时，AGENT的行为就像ABROAD （有一些小变化，如在竞争期内时隙 被分配使用，则该移动台就发出 JAM 信号）。 ?所有具有TDMA 性质的混合协议都 不易scalable，因而不被大型网络 采用。 Meta-MAC 协议 ? Meta（在其中，在后）方案允许合 并大多数现有的MAC 协议。 ?发送判决通过计算每个协议的加权和 得到(即发送概率) 并映射成 {0,1}。 ?在每个时间标志或时隙后基于作出的 各组成协议的判决来调节各自权重。 Meta-MAC 协议运作 判决描述 ?η为控制权重变化速度的参数。 Meta-MAC 协议的可证明性质 ? meta-MAC 协议作出的判决可以公 式化而且可证明，性能不比其中的最 佳成员协议差。并且用其它任何办法 联合应用相同的协议组成都不能达到 更好的判决或性能。 ?更多的现有协议联合应用技术。 ?协议参数最优。 Aloha 与TDMA 联合 静态多跳网络中的 TDMA Schedules Meta-MAC 总结 ?是系统地并且自动地联合应用现 有MAC 协议的方法。 ? Meta-MAC 协议的性能与在给定 情况下可使用的最佳成员协议相 符。 ?无需用来选择最佳协议的网络先 验知识。 链路控制设计问题 ?向网络层提供的业务。 ?帧处理： ?组帧 ?帧的识别与同步 ?网络类型： ?点对点链路 ?多址网络 ?帧的差错控制。 ?帧的流控。 向网络层提供的业务 ?无确认非连接业务： ?不去试图回复丢失的帧。 ?有确认的非连接业务： ?每次成功的发送之后发方都收到收方发回的 确认。 ?有确认的面向连接业务： ?在发送帧之前先建立连接； ?顺序发送帧。 拆帧、组帧 ?接收： ?从物理层接收帧； ?把接收的比特流分成帧； ?计算校验和来检错； ?把DLC头尾去掉后，将数据包传递给网络层。 ?发送： ?从网络层接受数据包； ?加上DLC头尾； ?根据需要分割成帧； ?计算并附加上校验和； ?把帧递交给物理层传送。 组帧方法 ?字符计数 ?由头中的域来定义帧中的字符数。 ?字符填充 ?为了帧同步需要，在帧的起始和末尾加上 DLE STX 和DLE ETX。 ?比特填充 ?类似于字符填充，但是在比特级操作。 ?物理层编码的危害 ?采用无效的物理层编码来标记帧的边界。 流控 ?避免快速发送给慢速接收机。 ?需要反馈机制——确认。 ?假设线路不会出差错，则有两种算法： ?停止等待流控协议 ?在发送出一个帧后，停止一段时间等待某种确 认； ?造成带宽资源浪费。 ?滑动窗协议 ?可发送固定数目的帧而无需确认； ?提高了吞吐量。 停止等待流控协议 ?非严格的单纯协议： ?网络层准备好收发； ?数据链路层具有无限大的缓冲器； ?通信信道不丢失帧。 ?单纯停止等待协议： ?接收缓冲器受限； ?发送出一帧后要等待确认。 ?噪声信道单纯停止等待协议： ?不再假设信道无差错； ?具有重传或ARQ 的正确认； ?发送层也维持一个定时器。 滑动窗协议 ?发送方可发送固定数目的帧而无需确认。 ?接收方也维持一个窗口，窗外的帧被拒绝接 收。 ?窗可以是固定长度，也可以收缩或增大其长 度。 ? 3 种versions： ?停止等待ARQ——一种比特滑动窗协议 ?回头n ARQ ?选择重复ARQ 拖尾（Piggybacking） ?在收到数据后并不立即发送ACK。 ? ACK 附加在下一个要发送的数据帧 的ack域中。 ?若接收方没有数据要发送，则也可在 控制帧中发送此ACK。 ?若无ACKs要发送，则可重发上次 的ACK。 高级数据链路控制（HDLC） ?通常用于X.25 网络。 ?从同步数据链路控制（SDLC）引申而得。 ?面向比特——比特填充。 ?数据包前后增加了特殊的比特patterns。 ?采用CRC-CCITT 生成多项式产生CRC 校验 和。 ? 3 类帧：信息、监督、未编号。 ?采用滑动窗协议，但有微小变动——采用预期 的下一个帧的帧号代替上一个接收帧的帧号。 HDLC 帧结构 Flag DataControlAddress CRC Flag 8 >= 0 16 888 ? I：信息 ? S：监督 ? U：未编号 0 0 NextP/FSeq Type1 Modifier1 1 Type Next P/F P/F 串联线路因特网协议（SLIP） ? RFC 1055、1144。 ?未加工的IP 包在线路上发送时在帧尾加 上标记byte (0xC0) 。 ?用字符填充(0xDB)。 ?无检错和纠错。 ?只支持IP。 ?不能给IP 动态地分配地址。 ?无鉴权。 点对点（PPP）协议 ? RFC 1661、1662、1663。 ?也用于拨号和租赁线路。 ?克服了SLIP 所有的缺点。 ?更好的组帧方法； ?帧格式支持检测； ?提供链路控制协议(LCP)； ?对应于每种不同的网络协议有不同的网络控 制协议（NCP ）。 PPP 帧格式 ?不像面向比特的HDLC，PPP 是面向字符的， 因此所有的帧都由（整）数个bytes 组成： ?标记byte 是01111110。 ?地址byte 设成11111111，定义为所有节点 都能接收此帧。 ? PPP 支持检错、选项谈判、头压缩与选择、 可靠传输。 ?协议在有效载荷域内告诉数据包的类型。 Flag Payload CRCProtocolControlAddress Flag Bytes: 1 1 1 1 or 2 Variable 2 or 4 1 连通性 ?确定连通性 ? SNR 测量 ?比特/数据包差错率 ?连通性控制 ?链路可自适应维持连通性(自适应速率、功 率、…) ?与选路协议相互作用。 ?增大功率会影响其它节点 ?连接组网的节点数 选路 ? Table-driven： ?目的顺序距离矢量 ?多头路由器交换选路 ?无线选路协议 ?按需选路： ?按需距离矢量选路 ?动态源节点选路 ?时间顺序选路 ?基于协作性选路 ?信号稳定性选路 数据包前传 ?开销信息： ?选路信息 ?数据包标识 ?优先权/时延信息 ?开销长度折中 ?选路与数据包前传的协同配合。 目录 ?多址技术 ?系统容量分析 ? DLC 层技术 ?MAC 协议 ?链路控制技术 ?动态信道分配 动态信道分配与资源管理 ?信道分配：在一定的约束条件下，在一簇小区内优化分 配信道，有效利用有限信道资源，提高系统容量。 ?原因：为提高系统容量，小区制的移动通信系统采用信 道复用技术。 ?理解：约束条件下的优化问题。约束条件是电磁兼容性 限制（即同信道干扰邻信道干扰和交调等），以及业务 负载情况。 ?信道：频率、时隙、扩频码。 ?资源管理：信道、空间角度、功率。动态信道分配与自 动功率控制相结合可以进一步提高系统容量。 ?信道分配分类：FCA、DCA、HCA。 ?两类动态信道分配方法： ?业务自适应系统 ?干扰自适应系统 固定信道分配FCA ? FCA：根据预先估计的覆盖区域的业务载 荷，将所有可用信道分配给N个小区。 ?主要优点：简单，无须繁琐的信道选择， 只要有空余信道就可以建立呼叫。 ?主要缺点：较低的频带利用率，不能很好 地适应网络中负载的变化，以及对信道预 规划的要求。 动态信道分配(DCA) ?概念：在系统运行中，根据当前网络的状态， 动态的分配信道给某个小区。 ? DCA 的两个实施阶段： ?呼叫接入时的信道选择(慢速DCA) 。 ?呼叫接入后，为保证业务质量所进行的信道重选(快 速DCA) 。 ?优缺点： ?频带利用率高，无须信道规划，适合网络中的负荷变 化，特别适合互联网等非对称业务。 ?算法复杂，系统开销大。 ?实现方式：集中式和分布式。 DCA 方案的性能评估 ?呼叫阻塞概率 ?通信中断概率 ?通信分配延时 ?方案实施时的信令业务负荷 ?信道利用率 DCA 要解决的问题 ?各小区的业务量分布不均匀。 ?不同业务对传输质量和上下行信道的资源 要求不同。 ?不同小区的上下行容量需求不同，而且是 时变的。 ?信道分配原则： ?基于SINR ?基于BER ?基于优化函数 几种典型的DCA 例子 ?信道借用法 ?平衡双向性能法 ?信道分隔（Segregation）法 信道借用法 ?主要解决在固定分配系统中出现热点小区 （该小区的业务负载大大超过预先设计） 的问题。 ?热点小区可以从业务量较小的相邻小区借 用信道。借用方法有： ?扇区化信道借用法 ?动态共享式信道借用法 ?重叠小区结构中的信道借用法 平衡双向性能法 ? DECT系统 SIR d <Th？ 移动台在其表格中 选择最好的信道 移动台在选定的信 道上请求建立链路 SIR u <Th？ 基站同意建立请求 否 否 建立失败 基站不同意 建立请求 尝试次数<K？ 移动台在其表格中 选下一个最好信道 否 是 是 ?注： ? SIR d 为下行信干比 ? SIR u 为上行信干比 ? Th为信干比门限 信道分隔（Segregation）法 ?核心思想： 每个小区根 据信道使用 情况自动形 成一个信道 优先级表， 在呼叫到达 时首先尝试 使用优先级 最高的信 道。信道的 优先级则根 据其使用情 况动态地改 变。 有空闲的 链路吗？ 选择未使用的具有 优先级最高的信道 降低该信道 的优先级 该信道是不可 接入信道吗？ 使用该信道 否 否 增加该信道的优先级 选择下一个 优先级最高 的信道 该信道是否用 在其它小区？ 增加该信道 的优先级 否 是 是 是 最后一个 信道？ 是 否 结束 阻塞