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

Posted 2023-02-06 快乐江湖

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文章目录

• 一：媒体接入控制基本概念
• 二：静态划分信道
• • （1）信道复用和多点接入
  • • A：信道复用
    • B：多点接入
  • （2）常见信道复用技术
  • • A：频分复用FDM
    • B：时分复用TDM
    • C：波分复用WDM
    • D：码分复用CDM
    • • ①：码分复用
      • ②：码分多址

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MAC（Medium 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

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$S$表示站$S$的码片序列、向量$T$表示其他任何站的码片序列

①：两个不同站$S$和$T$的码片序列正交，也即向量$S$和$T$的规格化内积为0

$$S\cdot T\equiv \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i{T}_i=0$$

②：任何一个码片向量与自己的规格化内积为1
$$S\cdot S\equiv \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i{S}_i=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i^2=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m({\pm }_{}1{)}^2=1$$

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

$$S\cdot \stackrel{-}{T}\equiv 0$$

④：任何一个码片向量与自己反码的规格化内积为-1

$$S\cdot \stackrel{-}{S}\equiv -1$$

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$A$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$\stackrel{-}{B}$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$(A+\stackrel{-}{B})$

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：$(A+\stackrel{-}{B})\cdot A\equiv A\cdot A+\stackrel{-}{B}\cdot A=1+0=1$
• 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：$(A+\stackrel{-}{B})\cdot B\equiv A\cdot B+\stackrel{-}{B}\cdot B=0+(-1)=-1$
• 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：$(A+\stackrel{-}{B})\cdot C\equiv \mathcal{A}\cdot C+\stackrel{-}{B}\cdot C=0+0=0$

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