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计算机网络（12）介质访问控制

🕗 发布于 2024-11-19 20:56 网络  

ok通过前面的学习我们已经知道数据链路层提供的服务有帧封装，物理地址，流量控制，错误控制，访问控制。今天就来记录最后的访问控制。

介质访问控制 (MAC)详解

介质访问控制（Media Access Control，简称 MAC）是计算机网络中的一种机制，用于控制多个设备如何在共享的通信介质上进行数据传输，避免冲突和资源冲突。MAC 协议是数据链路层的一部分，通常和逻辑链路控制（LLC）协议一起工作，确保数据在网络中的可靠传输。

MAC 的核心目的是为共享传输介质（例如无线电频谱、以太网电缆等）上的多个设备提供协调机制，使它们能够按照规则访问介质并交换信息。

1. MAC 协议的功能

MAC 协议的主要功能包括：

  • 介质访问控制：确保多台设备在共享介质（例如以太网、Wi-Fi 无线电频谱）上不发生冲突。
  • 数据帧的封装和解封装：MAC 协议负责将数据封装成帧格式，处理数据帧的标头（如源地址、目标地址等），并对接收到的数据帧进行解封装。
  • 冲突避免与检测：MAC 协议设计了多种机制来避免冲突的发生，或者在冲突发生时进行检测和重传。

在计算机网络中，**多路访问协议（Multiple Access Protocols）**的存在是为了有效地管理和协调多个设备在共享通信介质（如有线或无线信道）上的数据传输。以下从技术需求和实际应用两个方面详细阐述为什么需要多路访问协议。

1. 共享通信介质的特性

在许多网络环境中，多个设备（节点）需要通过同一个通信介质发送和接收数据，例如：

  • 有线网络：多台计算机通过以太网共享同一条电缆。
  • 无线网络：多个设备共享同一无线频段进行通信（如 Wi-Fi 或蓝牙）。
  • 卫星通信：多个地面站共享一个卫星链路。

由于通信介质是共享的，设备必须有序地访问介质，否则会发生冲突，导致数据传输失败。因此，需要多路访问协议来协调这些设备的访问行为。

2. 冲突避免与资源分配

如果多个设备同时尝试使用共享介质发送数据，可能会发生以下问题：

  • 数据冲突（Collision）：多个设备同时发送数据，信号互相干扰，导致接收方无法正确解码数据。
  • 带宽浪费：由于冲突导致的重传，会浪费网络带宽资源。
  • 延迟增加：冲突需要重传，从而增加传输延迟。

多路访问协议的作用是在多个设备之间公平分配通信介质资源，减少冲突，提高数据传输效率。

3. 网络性能优化的需求

多路访问协议帮助优化网络性能，包括以下几个方面：

(1) 高效利用带宽

共享介质通常有固定的带宽，而未经协调的访问会浪费宝贵的资源。通过协议合理分配访问权，可以确保设备有效利用带宽。

(2) 减少延迟

多路访问协议能够避免设备长时间等待介质空闲，提高传输效率，减少数据包在传输过程中的延迟。

(3) 确保数据传输的公平性

没有协议时，某些设备可能占用更多的资源，其他设备无法正常通信。协议可以确保多个设备的公平访问，防止资源被“独占”。

4. 支持不同的通信场景

根据不同的应用场景和通信需求，必须设计合适的多路访问协议。例如：

  • 高流量场景：在网络流量密集的环境中（如企业局域网），需要更复杂的协议来减少冲突。
  • 无线通信：无线信道的特性（如信号干扰、范围限制）需要专门的协议来解决冲突避免和接入控制问题。
  • 实时通信：在对延迟敏感的应用（如语音通话或视频会议）中，协议需要保证低延迟和高可靠性。

5. 常见多路访问协议的工作原理

多路访问协议根据应用场景和需求，采用不同的方法来解决介质共享问题。以下是常见协议的特点：

(1) 随机访问（Random Access）
  • 特点：设备以竞争方式接入通信介质。
  • 代表协议：ALOHA、CSMA/CD（以太网）、CSMA/CA（Wi-Fi）。
  • 优点：简单、高效，适合轻载网络。
  • 缺点：负载高时容易发生冲突。
(2) 受控访问（Controlled Access）
  • 特点：通信介质的访问权由集中控制或令牌机制管理。
  • 代表协议：令牌环、轮询机制。
  • 优点：避免冲突，确保公平性。
  • 缺点：系统复杂性较高。
(3) 信道划分（Channelization）
  • 特点：将介质划分为多个子信道，设备固定使用某些子信道。
  • 代表协议：TDMA（时分多址）、FDMA（频分多址）、CDMA（码分多址）。
  • 优点：适合无线环境，减少冲突。
  • 缺点：信道分配不灵活，需高精度同步。

6. 没有多路访问协议的问题

如果没有多路访问协议，网络可能出现以下问题：

  1. 冲突频繁：多个设备会同时发送数据，导致传输失败。
  2. 通信中断：部分设备可能因频繁冲突无法成功发送数据。
  3. 不公平竞争：部分设备可能占用资源过多，其他设备无法正常通信。
  4. 低效和高延迟：大量数据包需要重传，浪费资源，增加延迟。

多路访问协议的三大主要分类

在计算机网络中，多路访问协议根据设备访问共享通信介质的方式，通常分为以下三大类：

1. 随机访问协议（Random Access Protocols）

特点：
  • 设备在没有任何协调的情况下随机访问通信介质。
  • 如果多个设备同时发送数据，则可能发生冲突（Collision）。
  • 通过冲突检测或重传机制解决冲突问题。
常见协议：
  1. ALOHA：
    • 纯ALOHA：设备在任意时间发送数据，冲突概率较高。
    • 时隙ALOHA：将时间划分为固定时隙，设备只能在时隙开始时发送数据，冲突概率较低。
  2. CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）：
    • CSMA/CD（Collision Detection，冲突检测）：
      • 常用于有线网络（如以太网）。
      • 设备在发送数据前监听通信介质，如果检测到冲突则停止发送并重新尝试。
    • CSMA/CA（Collision Avoidance，冲突避免）：
      • 常用于无线网络（如Wi-Fi）。
      • 在发送前通过预约信道（RTS/CTS）来避免冲突。
优缺点：
  • 优点：实现简单，适合低负载环境。
  • 缺点：在高负载情况下，冲突和重传可能导致效率下降。

2. 受控访问协议（Controlled Access Protocols）

特点：
  • 设备之间通过协调或轮流的方式访问通信介质。
  • 避免了冲突，适合高负载环境。
常见协议：

  1. 轮询协议（Polling Protocol）：

    • 一个主设备（Primary）轮询所有从设备（Secondary），询问它们是否有数据要发送。
    • 主设备分配传输时间，从设备按顺序发送数据。

  2. 令牌传递协议（Token Passing Protocol）：

    • 一个特殊的数据包（令牌）在网络中循环传递。
    • 只有持有令牌的设备才能发送数据。
    • 常用于令牌环网和令牌总线网。
优缺点：
  • 优点：避免冲突，效率高。
  • 缺点：实现复杂；当主设备或令牌出现问题时，可能影响整个网络。

3. 信道划分协议（Channelization Protocols）

特点：
  • 将通信介质分成多个信道，设备通过划分后的信道访问介质。
  • 常用于无线网络。
常见协议：

  1. FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）：

    • 将频带划分为多个子频段，每个设备使用不同的频段传输数据。

  2. TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）：

    • 将时间划分为多个时隙，每个设备在自己的时隙中发送数据。

  3. CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）：

    • 每个设备使用唯一的伪随机码，在同一频段同时发送数据。
    • 接收方通过匹配对应的码来解码数据。
优缺点：
  • 优点：高效利用信道资源，适合无线通信。
  • 缺点：需要复杂的调度和解码机制。

总结

类别特点常见协议适用场景
随机访问协议无协调，可能冲突ALOHA、CSMA低负载网络
受控访问协议协调访问，避免冲突轮询、令牌传递高负载、有序网络
信道划分协议划分信道资源，设备按划分后信道访问FDMA、TDMA、CDMA无线通信，多用户环境

这三类协议各有优缺点，选择时需根据网络类型（如有线或无线）、负载情况和通信需求等因素综合考虑。

纯ALOHA协议详解

1. 什么是纯ALOHA协议？

纯ALOHA（Pure ALOHA） 是一种早期的随机访问协议，最初由夏威夷大学开发，用于计算机网络通信。它是一种简单的无冲突检测的通信协议，用于多个节点共享单一通信信道。

基本思想：
  • 任何节点可以在任意时间发送数据。
  • 如果两个或多个节点同时发送数据，就会发生冲突（Collision），导致数据丢失。
  • 当发生冲突时，发送方会等待随机时间后重新发送数据。

2. 工作过程

  1. 数据发送：

    • 设备在需要发送数据时立即发送。
    • 数据帧没有时隙的限制，随时可以发送。

  2. 冲突检测：

    • 设备发送数据后，需等待确认。
    • 如果没有收到确认（ACK），则说明发送的数据可能发生了冲突。

  3. 冲突处理：

    • 设备等待一个随机时间（退避时间），然后重新尝试发送数据。

3. 纯ALOHA的关键特性

  1. 无时隙限制：

    • 数据可以在任何时间发送，帧的开始和结束时间没有对齐。

  2. 效率低：

    • 因为数据发送不受控制，容易发生冲突。

  3. 适用于低流量环境：

    • 在流量负载较低时，冲突概率较小，可以正常工作。

4. 网络吞吐量和效率

吞吐量（Throughput）：
  • 吞吐量表示网络在单位时间内成功发送的帧数。
  • 假设每帧持续时间为 Tf，在纯ALOHA中，冲突可能发生在：
    • 帧开始前的 Tf时间内。
    • 帧发送后的 Tf时间内。

因此，帧的冲突窗口为 2Tf。

成功发送的概率：

对于纯ALOHA，成功发送的概率为：

P(成功)=G⋅e^-2G

其中 G 是网络的平均帧发送速率（流量强度）。

最大吞吐量：
  • 当 G=0.5G = 0.5G=0.5 时，吞吐量最大：

Smax=G⋅e−2G=0.5⋅e−1≈0.184

即纯ALOHA的最大效率为 18.4%。

5. 纯ALOHA的优缺点

优点：

  1. 简单易实现：

    • 无需复杂的控制和同步机制。

  2. 适合低流量环境：

    • 在网络负载较低时，协议效率较高。

  3. 去中心化设计：

    • 每个节点自主决定发送时间，适合分布式网络。
缺点：

  1. 冲突率高：

    • 网络负载增加时，冲突概率急剧上升。

  2. 效率低：

    • 最大效率仅为 18.4%。

  3. 不适合高流量网络：

    • 当多个节点频繁发送数据时，几乎所有数据都会冲突，导致系统性能下降。

6. 纯ALOHA的典型应用

尽管纯ALOHA效率低下，但其简单性使其适合某些低负载或资源受限的应用场景：

  1. 卫星通信：

    • 卫星网络中，信道分配复杂，但通信流量较低。

  2. 无线传感器网络：

    • 传感器节点不频繁发送数据，适合简单的通信协议。

  3. 早期的无线电通信：

    • 如无线寻呼系统（Pager）。

7. 示例

假设在一个纯ALOHA网络中：

  • 平均每秒发送 G=0.5G = 0.5G=0.5 个帧。
  • 求成功发送的概率和吞吐量。
解：

P(成功)=G⋅e−2G=0.5⋅e−1≈0.184

吞吐量：

S=P(成功)×帧发送速率=0.184×0.5≈0.092S 

8. 纯ALOHA和时隙ALOHA的对比

特性纯ALOHA时隙ALOHA
发送时间任意时间仅在时隙开始时发送
冲突窗口2Tf2T_f2Tf​TfT_fTf​
最大效率18.4%36.8%
实现复杂度简单较复杂

时隙 ALOHA（Slotted ALOHA）详解

时隙 ALOHA 是纯 ALOHA 的改进版本，主要通过引入时隙（Slot）的概念来减少冲突发生的概率，从而提高信道利用率。以下是时隙 ALOHA 的具体内容：

1. 基本原理

  1. 时间划分为离散的时隙：

    • 将时间划分为固定大小的时隙，每个时隙的长度等于发送一个数据帧所需的时间。
    • 设备只能在时隙的起始点发送数据，不能随时发送。

  2. 同步发送：

    • 网络中的所有设备都使用一个全局时钟同步。
    • 设备等待时隙的开始点才能发送数据，避免了纯 ALOHA 中数据随时发送的随机性。

  3. 碰撞处理：

    • 如果两个或更多设备在同一时隙内发送数据，就会发生冲突（Collision）。
    • 发送失败的设备会在下一个随机时隙重新尝试发送。

2. 特点

  1. 优势：

    • 相较于纯 ALOHA，时隙 ALOHA 通过同步发送减少了冲突发生的概率。
    • 更高的信道利用率，理想条件下可达到 36.8%（1/e），高于纯 ALOHA 的 18.4%。

  2. 限制：

    • 需要全网设备同步时钟。
    • 时隙的引入可能导致额外的延迟。

3. 工作流程

以下是时隙 ALOHA 的典型工作流程：

  1. 设备准备发送数据：
    • 数据生成后，等待时隙的开始。
  2. 发送数据：
    • 在最近的时隙起始点发送数据。
  3. 确认成功或冲突：
    • 如果发送成功，接收方会发送一个确认（ACK）。
    • 如果发送失败（没有 ACK），发送方随机选择下一个时隙重新尝试。
  4. 重复：
    • 重复以上过程，直到数据成功发送。

4. 时隙 ALOHA 的信道利用率

  1. 理论计算：

    • 假设每个时隙内的发送概率为 G（单位时间内发送的数据帧数），成功概率为： Psuccess=G⋅e^−GP
    • 当 G=1G = 1G=1 时，成功概率达到最大值 1/e1/e1/e，即 36.8%。

  2. 对比纯 ALOHA：

    • 纯 ALOHA 的成功概率为 Psuccess=G⋅e^−2G=0.184最大值为 18.4%。
    • 时隙 ALOHA 的性能是纯 ALOHA 的两倍。

5. 应用场景

时隙 ALOHA 的典型应用场景包括：

  • 卫星通信：时隙 ALOHA 在早期卫星通信系统中被广泛使用。
  • RFID 系统：RFID 标签读取系统使用时隙机制来避免标签发送数据时的冲突。

6. 优缺点总结

优点缺点
减少冲突概率，提高信道利用率需要全网设备时钟同步
比纯 ALOHA 更高效空闲时隙可能导致信道资源浪费
实现相对简单对高流量通信环境仍可能发生大量冲突

示例

假设三个设备 A、B、C 在一个采用时隙 ALOHA 的网络中发送数据：

  1. 时隙 1：A、B 同时发送数据，发生冲突。
  2. 时隙 2：A 随机重传，成功；B 再次尝试，发生冲突。
  3. 时隙 3：B 成功发送数据；C 随机发送，成功。

时隙机制确保了设备在固定时间点发送数据，减少了冲突，提高了成功发送的概率。

CSMA 协议详解

载波监听多路访问协议（CSMA, Carrier Sense Multiple Access） 是一种用于共享通信介质的协议。它的核心思想是：设备在发送数据之前，先监听通信介质（例如有线或无线信道）是否空闲，只有当信道空闲时，设备才发送数据，从而减少冲突的发生。

1. CSMA 的基本原理

  1. 监听信道：

    • 在发送数据之前，设备先检查信道是否空闲。
    • 如果信道被占用，设备会推迟发送。

  2. 冲突仍可能发生：

    • 即使设备监听到信道空闲，但由于传播延迟，两个设备可能同时发送数据，导致冲突。

  3. 冲突处理：

    • CSMA 本身不处理冲突，只是尽量减少冲突的发生。
    • 冲突处理需要结合其他机制，如 冲突检测（Collision Detection, CD） 或 冲突避免（Collision Avoidance, CA）。

2. CSMA 的变体

根据设备在监听到信道被占用时的行为，CSMA 有以下三种主要变体：

(1) 1-持续 CSMA
  • 如果信道忙，设备持续监听，直到信道变为空闲，立即发送数据。
  • 特点：
    • 适用于低延迟网络。
    • 易发生冲突，因为多个设备可能在信道变为空闲时同时发送。
(2) 非持续 CSMA
  • 如果信道忙，设备等待一段随机时间后再重新监听。
  • 特点：
    • 减少了冲突概率。
    • 增加了等待时间，延迟较高。
(3) p-持续 CSMA
  • 适用于时隙环境。
  • 如果信道空闲，设备以概率 ppp 发送数据，以 1−p1-p1−p 推迟到下一个时隙重新监听。
  • 特点：
    • 提高了信道利用率。
    • 在高流量环境下表现较好。

3. CSMA/CD（冲突检测）

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection） 是以太网中常用的协议：

  1. 工作原理：

    • 设备在发送数据时，同时监听信道是否发生冲突。
    • 如果检测到冲突，设备立即停止发送，并广播一个干扰信号（Jamming Signal）。
    • 之后，设备等待一段随机时间后重新尝试发送。

  2. 特点：

    • 常用于有线以太网（如 IEEE 802.3）。
    • 无法在无线网络中使用（无线设备不能同时发送和接收信号）。

4. CSMA/CA（冲突避免）

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance） 是无线网络（如 IEEE 802.11）的标准：

  1. 工作原理：

    • 设备在发送数据之前，通过随机退避（Backoff）算法减少冲突。
    • 可选地，设备先发送 RTS（Request to Send）/CTS（Clear to Send）帧进行预约，以确保信道空闲。

  2. 特点：

    • 避免冲突而非检测冲突。
    • 常用于无线局域网（WLAN）。

5. CSMA 的优缺点

优点缺点
简单高效，适合低流量环境高流量环境下容易发生冲突
不需要复杂的硬件支持无法完全避免冲突
易于实现，与各种介质访问控制协议兼容传播延迟较大的网络中性能下降

6. 应用场景

  • CSMA/CD：
    • 常用于有线局域网，例如传统的以太网。
  • CSMA/CA：
    • 常用于无线网络，如 Wi-Fi。
  • 非持续 CSMA 和 p-持续 CSMA：
    • 常用于卫星通信等共享信道的环境。

7. 示例：CSMA/CD 工作流程

  1. 监听信道： 设备 A 准备发送数据，先监听信道是否空闲。
  2. 信道空闲： 设备 A 开始发送数据。
  3. 冲突检测： 如果设备 B 同时监听到信道空闲并开始发送数据，冲突发生。
  4. 广播干扰信号： A 和 B 检测到冲突后，立即停止发送并广播冲突信号。
  5. 随机退避： A 和 B 各自等待一段随机时间后重新尝试发送。

8. 总结

CSMA 协议是早期通信网络中共享信道的核心机制，通过载波监听和冲突管理提高了信道利用效率。尽管现代网络技术（如交换式以太网、WLAN）逐渐减少了对 CSMA 的依赖，但其基本思想仍然是多路访问协议的重要基础。

受控访问协议详解

受控访问协议（Controlled Access Protocols） 是一种多路访问机制，与竞争访问协议（如 CSMA）不同，它通过集中式或分布式的控制方式，确保网络中的设备按照有序规则访问通信信道。这样可以有效避免冲突的发生，适用于高流量或实时通信的场景。

1. 为什么需要受控访问协议？

在竞争访问协议中，多个设备可能同时尝试访问信道，导致冲突，从而降低了信道利用率。为了解决这一问题，受控访问协议通过对信道访问进行集中管理或分布协调，使设备按顺序使用信道，从根本上避免冲突。

2. 受控访问协议的主要类型

(1) 轮询（Polling）

  • 原理：

    • 一个主节点（Primary）控制通信过程，轮询从节点（Secondary）。
    • 主节点发送轮询信号，询问从节点是否有数据需要发送。
    • 从节点只有在接收到轮询后才能发送数据。

  • 优点：

    • 无冲突，信道利用率高。
    • 主节点控制通信，易于管理。

  • 缺点：

    • 主节点成为单点故障。
    • 对于空闲从节点的轮询会浪费时间，增加延迟。

  • 应用场景：

    • 多点连接环境，如主机与终端的通信。
(2) 令牌传递（Token Passing）

  • 原理：

    • 令牌是一种特殊的控制帧，只有持有令牌的节点才能发送数据。
    • 令牌在网络中节点间按固定顺序传递。
    • 节点在获得令牌时发送数据，完成后将令牌传递给下一个节点。

  • 优点：

    • 无冲突，适用于高流量网络。
    • 网络流量均衡，适合实时通信。

  • 缺点：

    • 如果令牌丢失，需额外机制生成新令牌。
    • 令牌的传递引入一定延迟。

  • 应用场景：

    • 令牌环网络（Token Ring），光纤分布式数据接口（FDDI）。
(3) 集中式访问控制（Centralized Access Control）

  • 原理：

    • 一个集中式控制设备负责分配信道访问权限。
    • 各节点向控制设备发送访问请求，控制设备根据一定规则决定哪个节点可以访问信道。

  • 优点：

    • 集中管理，避免冲突。
    • 支持复杂的优先级机制。

  • 缺点：

    • 控制设备成为单点故障。
    • 需要额外的信令开销。

  • 应用场景：

    • 蜂窝网络中的基站控制，卫星通信。

3. 受控访问协议的主要特点

特点描述
冲突避免通过集中控制或顺序调度，完全避免多个设备同时访问信道造成的冲突。
适合高流量环境在网络流量较高时，受控访问协议的信道利用率优于竞争访问协议（如 ALOHA 和 CSMA）。
延迟较大由于需要轮询或令牌传递，在网络空闲或流量较小时会引入额外延迟。
复杂度高协议实现需要集中控制设备或令牌管理机制，复杂度高于竞争访问协议。

4. 应用场景

  • 轮询协议： 主机和多个终端通信（如早期银行系统的终端访问）。
  • 令牌传递： 局域网（如 IEEE 802.4 和 IEEE 802.5 的令牌总线和令牌环网络）。
  • 集中式访问控制： 蜂窝网络基站分配信道，卫星通信中的时隙分配。

5. 对比竞争访问协议与受控访问协议

特点竞争访问协议受控访问协议
冲突存在冲突，通过重传解决无冲突，通过有序访问机制避免
效率在低流量环境下效率高在高流量环境下效率高
实现复杂度简单（如 ALOHA 和 CSMA）复杂（需集中管理或令牌传递）
适用场景流量低、节点多的场景（如无线传感网络）流量高、实时性要求高的场景（如工业控制网络）

6. 示例：令牌传递的工作流程

  1. 网络初始化时生成一个唯一的令牌。
  2. 令牌按照固定顺序在网络节点间传递。
  3. 某节点获取令牌后，可以发送一定长度的数据。
  4. 数据发送完成后，令牌被传递给下一个节点。
  5. 如果某节点不需要发送数据，直接将令牌传递。

信道化技术详解

信道化（Channelization）是计算机网络和通信中一种资源分配技术，用于将有限的通信信道分割成多个独立的子信道，使多个用户或设备可以同时共享信道资源。这种技术是多路复用的一种实现方式，通常应用于无线通信和蜂窝网络中。

1. 为什么需要信道化？

通信信道的带宽和频谱资源是有限的，而多用户共享这些资源时可能会产生冲突。信道化技术通过分割信道资源，确保每个用户在分配的信道范围内通信，从而避免干扰，提高资源利用率。

2. 信道化的主要方法

(1) 频分多址（FDMA）
  • 原理：
    将可用频谱划分为多个不重叠的频率带宽，每个用户占用一个固定的频率带宽进行通信。
  • 特点：
    • 用户同时通信，但占用不同频率。
    • 每个信道带宽固定，且带有保护带，防止相邻信道干扰。
  • 优点：
    • 实现简单，适合连续流数据传输。
  • 缺点：
    • 频谱利用率较低，保护带增加了浪费。
  • 应用场景：
    • 模拟蜂窝通信系统，如第一代移动通信（1G）。
(2) 时分多址（TDMA）
  • 原理：
    将时间划分为多个时隙（Time Slots），每个用户在特定时隙内占用整个信道资源进行通信。
  • 特点：
    • 用户在不同时间使用相同频率。
    • 时隙间需插入保护时间，避免切换时隙时的干扰。
  • 优点：
    • 多用户共享频谱，频谱效率高。
    • 适合突发性数据流。
  • 缺点：
    • 实现复杂，时延可能增加。
  • 应用场景：
    • 数字蜂窝通信系统，如 GSM（2G）。
(3) 码分多址（CDMA）
  • 原理：
    所有用户同时共享整个频谱资源，但使用不同的伪随机码（PN 码）进行编码，以区分彼此的通信数据。
  • 特点：
    • 用户在相同频率和时间上传输数据。
    • 每个用户使用唯一的码序列进行调制。
  • 优点：
    • 抗干扰能力强，频谱利用率高。
    • 支持更多用户接入。
  • 缺点：
    • 解码复杂，用户之间的干扰可能累积（称为多址干扰，MAI）。
  • 应用场景：
    • 第三代移动通信（3G）及部分无线局域网。
(4) 空分多址（SDMA）
  • 原理：
    根据用户所在的物理位置分配信道资源，每个用户在不同的空间方向上使用相同的频率和时间。
  • 特点：
    • 依赖于智能天线技术。
    • 同一频率和时间资源可以复用，但需要足够的空间隔离。
  • 优点：
    • 提高信道容量，节省频谱资源。
  • 缺点：
    • 天线技术复杂，定位精度要求高。
  • 应用场景：
    • 蜂窝网络中的小区分离、卫星通信。
(5) 正交频分多址（OFDMA）
  • 原理：
    将频谱分为许多正交的子载波，每个用户占用若干子载波进行通信。
  • 特点：
    • 频率复用效率高，减少干扰。
    • 每个用户动态分配子载波。
  • 优点：
    • 适合高速数据通信。
    • 抗多径衰落性能好。
  • 缺点：
    • 实现复杂，对同步要求高。
  • 应用场景：
    • 第四代移动通信（4G）和第五代移动通信（5G）。

3. 信道化技术的比较

信道化方法频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）码分多址（CDMA）空分多址（SDMA）正交频分多址（OFDMA）
资源分配方式频率时间码序列空间子载波
频谱效率低中高高非常高
实现复杂度低中高高高
抗干扰能力低中强强强
应用场景1G2G3G蜂窝网络、卫星通信4G、5G

4. 信道化技术的实际应用

  • 蜂窝网络：
    不同代移动通信网络使用不同的信道化技术。例如，1G 使用 FDMA，2G 使用 TDMA，3G 使用 CDMA，4G 和 5G 则广泛采用 OFDMA。

  • 无线局域网（WLAN）：
    如 IEEE 802.11 无线协议中也应用了 OFDMA 技术。

  • 卫星通信：
    SDMA 和 FDMA 技术被广泛应用于卫星信道资源分配。


原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_73012949/article/details/143854991

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