（考研湖科大教书匠计算机网络）第三章数据链路层-第六节媒体接入控制1：基本概念和静态划分信道
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本节对应视频如下
- 【计算机网络微课堂有字幕无背景音乐版3.6.1 媒体接入控制的基本概念】对应“一媒体接入控制基本概念”
- 【计算机网络微课堂有字幕无背景音乐版3.6.2 媒体接入控制 — 静态划分信道】对应“二静态划分信道”
一媒体接入控制基本概念
- 注意 随着技术的发展交换技术的成熟和成本的降低具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了 共享式局域网但由于无线信道的广播天性无线局域网仍然使用的是共享媒体技术
媒体接入控制MACMedium Access Control共享信道需要着重考虑的一个问题就是如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用。分类如下
- 静态划分信道 预先固定分配好信道这类方法极度不灵活对于突发性数据传输信道利用率就会很低通常在无线网络的物理层中使用而不在数据链路层中使用
- 频分多址
- 时分多址
- 码分多址
- 动态接入控制
- 受控接入已经退出了历史舞台
- 集中控制有一个主站以循环方式轮询每个站点有无数据发送只有被轮询到的站点才能发送数据。其最大的缺点是单点故障问题
- 分散控制各站点是平等的连接形成一个环形网络。使用令牌一个特殊的控制帧沿环逐站传递接收到令牌的站点才有权发送数据并在发送完数据后将令牌传递给下一个站点。采用令牌传递协议的典型网络有IEEE802.5令牌环网、IEEE802.4令牌总线网、光纤分布式数据接口FDDI
- 随机接入所有站点通过竞争随机地在信道上发送数据。如果恰巧有两个或更多的站点在同一时刻发送数据。则信号在共享媒体上就要产生碰撞(即发生了冲突)。使得这些站点的发送都失败。因此这类协议要解决的关键问题是如何尽量避免冲突及在发生冲突后如何尽快恢复通信。著名的共享式以太网采用的就是随机接入
- 受控接入已经退出了历史舞台
二静态划分信道
1信道复用和多点接入
A信道复用
复用复用Multiplexing是通信技术中的一个重要概念它是指通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽
例如下图采用复用技术后三对用户就可以通过共享一条物理线路来传输数据了
常见信道复用技术有如下几种
- 频分复用FDM
- 时分复用TDM
- 波分复用WDM
- 码分复用CDM
B多点接入
多点接入多址处理的是动态分配信道给用户。这在用户仅仅暂时性占用信道的应用中是必须的而所有的移动通信系统基本上都属于这种情况相反在信道永久性分配给用户的应用中多址是不需要的例如无线广播或电视广播站
某种程度上FDMA频分多址、TDMA时分多址和CDMA码分多址可以看做是FDM、TDM和CDM的应用
2常见信道复用技术
A频分复用FDM
频分复用FDM将传输线路的频带资源划分为多个子频带形成多个子信道各子信道之间需要留出隔离频带以免造成信道间干扰。当多路信号输入一个多路复用器时这个复用器将每一路信号调制到不同频率的载波上接收端由相应的分用器通过滤波将各路信号分开于是合成的复用信号就会恢复为原始的多路信号。因此频分复用的所有用户同时占有不同的频带资源并行通信
B时分复用TDM
时分复用TDM如下图将时间划分为一个个时隙时分复用将传输线路的带宽资源按时隙轮流分配给不同的用户每对用户只在所分配的时隙里使用线路传输数据
时分复用将时间划分为了一段段等长的TDM帧时分复用帧每一个时分复用的用户在每一个时分复用帧中占用固定序号的时隙每一个用户所占用的时隙是周期性出现的其周期就是时分复用的长度
因此时分复用的不同用户在不同时间占用同样的频带宽度
C波分复用WDM
波分复用WDM本质就是光的频分复用。下图是8传输速率均为2.5Gbit/s的光载波其波长均为1310nm经光调制后分别将波长变换到1550~1561.2nm每个光载波相隔1.6nm这8个光载波经过光复用器合波器就在一根光纤中传输因此在一根光纤上的数据传输总速率就到达了8×2.5Gbit/s=20Gbit/s。光信号在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才能继续传输
D码分复用CDM
①码分复用
码分复用CDM与FDM和TDM不同CDM的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带来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
②码分多址
码分多址CDMA码分复用技术主要应用于多址接入因此人们更习惯用码分多址CDMA这个名词。在CDMA中每一个比特时间再划分为m个短的间隔称为码片clip通常m为64或128。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列
- 一个站如果要发送比特1则发送它自己的m bit码片序列
- 一个站如果要发送比特0则发送它自己的m bit码片序列的二进制反码
例如指派给CDMA系统中某站点的码片序列000110111
- 发送比特1发送自己的码片序列
00011011 - 发送比特0发送自己的码片序列二进制反码
11100100 - 为了方便我们按惯例将码片序列中的0写成-1、1写成+1则该站点的码片序列是-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1
码片序列挑选原则如下
- 分配给每个站的码片序列必须各不相同常采用伪随机码序列
- 分配给每个站的码片序列必须正交即规格化内积为0
如下令向量 S S S表示站 S S S的码片序列、向量 T T T表示其他任何站的码片序列
①两个不同站 S S S和 T T T的码片序列正交也即向量 S S S和 T T T的规格化内积为0
S ⋅ T ≡ 1 m ∑ i = 1 m S i T i = 0 S\cdot T \equiv \frac{1}{m} \mathop{}\sum_{i=1}^{m}S_{i}T_{i}=0 S⋅T≡m1i=1∑mSiTi=0
②任何一个码片向量与自己的规格化内积为1
S
⋅
S
≡
1
m
∑
i
=
1
m
S
i
S
i
=
1
m
∑
i
=
1
m
S
i
2
=
1
m
∑
i
=
1
m
(
±
1
)
2
=
1
S\cdot S \equiv \frac{1}{m}\mathop{}\sum_{i=1}^{m}S_{i}S_{i}=\frac{1}{m}\mathop{}\sum_{i=1}^{m}S_{i}^{2}=\frac{1}{m}\mathop{}\sum_{i=1}^{m}(\pm_{}1)^{2}=1
S⋅S≡m1i=1∑mSiSi=m1i=1∑mSi2=m1i=1∑m(±1)2=1
③任何一个码片向量与其他各站码片反码的规格化内积为0
S ⋅ T − ≡ 0 S\cdot \mathop{T}\limits^{-} \equiv 0 S⋅T−≡0
④任何一个码片向量与自己反码的规格化内积为-1
S ⋅ S − ≡ − 1 S\cdot \mathop{S}\limits^{-}\equiv -1 S⋅S−≡−1
码分多址应用举例如下图假设A、B、C、D是码分多址系统中的4个站点
- A站发送比特1也即发送自己所分配到的码片序列使用向量 A A A表示A站的码片序列
- B站发送比特0也即发送自己所分配到的码片序列的二进制反码使用向量 B − \mathop{B}\limits^{-} B−表示B站的码片序列的二进制反码
- C站没有发送数据
- 显然D站可以接收到A站和B站所发送信号的叠加信号 ( A + B − ) (A+\mathop{B}\limits^{-}) (A+B−)
假设所有站所发送的码片序列都是同步的接收站D知道其他各站所特有的码片序列会进行如下判断
- 判断A站将受到的叠加信号的码片向量与A站自身的码片向量进行规格化内积 ( A + B − ) ⋅ A ≡ A ⋅ A + B − ⋅ A = 1 + 0 = 1 (A+\mathop{B}\limits^{-})\cdot A\equiv A\cdot A+\mathop{B}\limits^{-}\cdot A=1+0=1 (A+B−)⋅A≡A⋅A+B−⋅A=1+0=1
- 判断B站将受到的叠加信号的码片向量与B站自身的码片向量进行规格化内积 ( A + B − ) ⋅ B ≡ A ⋅ B + B − ⋅ B = 0 + ( − 1 ) = − 1 (A+\mathop{B}\limits^{-})\cdot B\equiv A\cdot B+\mathop{B}\limits^{-}\cdot B=0+(-1)=-1 (A+B−)⋅B≡A⋅B+B−⋅B=0+(−1)=−1
- 判断C站将受到的叠加信号的码片向量与C站自身的码片向量进行规格化内积 ( A + B − ) ⋅ C ≡ A ⋅ C + B − ⋅ C = 0 + 0 = 0 (A+\mathop{B}\limits^{-})\cdot C\equiv \mathcal{A}\cdot C+\mathop{B}\limits^{-}\cdot C=0+0=0 (A+B−)⋅C≡A⋅C+B−⋅C=0+0=0
可以看出
- 计算结果为数值1被判断方发送了比特1
- 计算结果为数值-1被判断方发送了比特0
- 计算结果为数值0被判断方没有发送数据