【正文】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)隙ALOHA協(xié)議仿真潘鵬飛（陜西理工學(xué)院 物理與電信學(xué)院 電子1103班， 陜西 漢中 723000）指導(dǎo)教師：吳燕摘 要：時(shí)隙ALOHA是應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中的一種協(xié)議，時(shí)隙AL0HA使用了各種控制算法以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在比較三種常用網(wǎng)絡(luò)仿真模型的基礎(chǔ)上，分析了時(shí)隙ALOHA仿真結(jié)果及應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的性能優(yōu)點(diǎn)。給出了MATLAB仿真平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)時(shí)隙ALOHA 控制算法的流程圖，編寫了MATLAB代碼對(duì)時(shí)隙AL0HA的偽貝葉控制算法性能進(jìn)行協(xié)議性能測(cè)試及仿真結(jié)果表示。關(guān)鍵字：時(shí)隙；ALOHA；仿真；MATLABSimulation of slotted ALOHA protocolPanPengfei“(Grade11,Class03,Major Electronic Information Engineering,Institute of physics and Telemunications Dept.,Shaanxi University of Technology Hanzhong 723000,Shaanxi)”。Tutor:WuYanAbstract:Slotted ALOHA is used in a wireless munication system,slot ALOHA use various control algorithm to ensure the system stability,in the parison of three kinds of monly used network simulation model based on,analyzes the slotted ALOHA simulation results and application in munication system performance the MATLAB simulation platform to achieve slotted ALOHA control algorithm flow the matlab code for the time slot ALOHA pseudo Bei leaf control algorithm performance protocol performance testing and simulation results.Key words:Slot。 ALOHA。Simulation。MATLAB1引言 42 多地址接入?yún)f(xié)議發(fā)展?fàn)顩r 4 多地址接入?yún)f(xié)議概述 5 多址接入?yún)f(xié)議分類 5 非競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議 7 競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議 7 多址接入?yún)f(xié)議仿真模型 7 仿真系統(tǒng)模型 7 業(yè)務(wù)源模型 10 協(xié)議評(píng)價(jià)指標(biāo) 103 ALOHA協(xié)議的基本原理 10 時(shí)隙ALOHA的基本原理 12 時(shí)隙ALOHA的程序流程圖 13 時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)模型 13 時(shí)隙ALOHA馬爾科夫鏈系統(tǒng)模型 14 離散時(shí)間系統(tǒng)模型 14 蒙特卡羅法 154 MATLAB仿真軟件的介紹 15 時(shí)隙ALOHA協(xié)議在MATLAB中的實(shí)現(xiàn) 16 隨機(jī)數(shù)的生成 16 信道狀態(tài)的判斷 16 為貝葉斯調(diào)整算法實(shí)現(xiàn) 16 17結(jié)論 19參考文獻(xiàn) 20附錄A: 22附錄B: 331引言隨著無線通信的不斷普及，無線移動(dòng)環(huán)境中的多址接入?yún)f(xié)議正在引起人們更多地關(guān)注。在此條件下，更應(yīng)當(dāng)關(guān)注協(xié)議的穩(wěn)定性和魯棒性。在無線移動(dòng)環(huán)境中，多址接入?yún)f(xié)議面臨如下四點(diǎn)挑戰(zhàn)：隱終端問題，即兩個(gè)或多個(gè)終端由于高山、建筑物等的遮擋而不在彼此的通信范圍內(nèi)，但卻在同一基站的通信范圍內(nèi)；遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，遠(yuǎn)端的用戶要比近端的用戶信號(hào)有更大的衰落；無線信道中的多徑效應(yīng)和陰影衰落問題；由于相鄰小區(qū)共用同一頻率而導(dǎo)致的共道干擾問題。對(duì)于一種協(xié)議來說，同時(shí)處理好上述問題是比較困難的，甚至是相互沖突的，因此，只能在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行折中處理，折中的程度取決于使用環(huán)境，以及特定的需求。設(shè)計(jì)開發(fā)新的協(xié)議或?qū)σ延袇f(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，都需要對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。測(cè)試的方法一般有兩種：一種是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，即實(shí)驗(yàn)；另一種是在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下測(cè)試。在實(shí)際環(huán)境下測(cè)試能夠得到相對(duì)真實(shí)的數(shù)據(jù)，但由于現(xiàn)代通信與信息系統(tǒng)往往規(guī)模很大，系統(tǒng)很復(fù)雜，構(gòu)造高度相似的物理模型經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)成本都很高，因而進(jìn)行對(duì)大規(guī)模的測(cè)試幾乎是不可能的，而且其測(cè)試結(jié)果也往往難于重現(xiàn)。目前，計(jì)算機(jī)仿真的方法在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究中得到了廣的應(yīng)用，因?yàn)槠渚哂泻芎玫目煽刂菩?、可重現(xiàn)性、可擴(kuò)展性。利用比較成熟的計(jì)算機(jī)仿真軟件，可以近乎真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以在各個(gè)層次上模擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效果。因此，在仿真軟件的幫助下，我們可以很好的模擬各種接入控制協(xié)議，并分析其性能。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出理論改進(jìn)，然后在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)理論，并通過性能比較分析來驗(yàn)證改進(jìn)效果。這種低成本、高效率的計(jì)算機(jī)仿真的方式勢(shì)必成為研究接入控制技術(shù)的首選。ALOHA作為一種通用的MAC協(xié)議廣泛應(yīng)用于多個(gè)用戶終端競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)媒質(zhì)的情況?，F(xiàn)今，GSM系統(tǒng)，衛(wèi)星通信，無線局域網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)及基于無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中均采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議作為媒體接入控制協(xié)議以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的共享接入方式。但時(shí)隙ALOHA本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，當(dāng)輸入流從0開始增加時(shí)，信道吞吐量隨著負(fù)載流的增加而增加，當(dāng)輸入流到達(dá)某一門限值時(shí)，系統(tǒng)吞吐量到達(dá)最大值。當(dāng)輸入的載荷超過信道容量后，隨輸入流量的增加沖突也隨之增加，重復(fù)發(fā)生的碰撞將浪費(fèi)部分系統(tǒng)的寬帶，從而使系統(tǒng)吞吐量隨著生成載荷流的增加而迅速下降。為解決時(shí)隙ALOHA的穩(wěn)定性問題，各種控制算法被提出。為對(duì)算法性能進(jìn)行評(píng)估，將所有這些算法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的，必須通過軟件仿真方式對(duì)算法性能進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。由于仿真不是基于數(shù)學(xué)計(jì)算，而是基于統(tǒng)計(jì)模型，因此統(tǒng)計(jì)復(fù)用的隨機(jī)性被精確地再現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）全新的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)理使其具有在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到高可信度結(jié)果的特點(diǎn)；（2）網(wǎng)絡(luò)仿真的預(yù)測(cè)功能是其他任何方法都無法比擬的；（3）適用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和擴(kuò)容，也可以用于新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，而且特別適用于中大型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；（4）初期應(yīng)用成本不高，而且建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，后期投資還會(huì)不斷下降。現(xiàn)今對(duì)MAC協(xié)議算法的仿真主要使用OPNET和NS2來完成，但NS2安裝調(diào)試非常麻煩，而OPNET是一種商業(yè)軟件，價(jià)格昂貴，而MATLAB是一種被廣泛應(yīng)用與通信領(lǐng)域的仿真及數(shù)學(xué)工具，而且其作圖功能強(qiáng)大易于調(diào)試跟蹤。通過MATLAB的離散時(shí)間仿真原理實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙ALOHA的仿真，并通過仿真程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)偽貝葉算法控制算法性能進(jìn)行測(cè)試。2 多地址接入?yún)f(xié)議發(fā)展?fàn)顩r多址接入技術(shù)通常是指網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)（或用戶終端）共享通信信道資源實(shí)現(xiàn)連接訪問的技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)的迅速增長，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，所能使用的通信資源也越來越緊缺。因此，共享通信資源方式被廣泛采用。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，不同的用戶節(jié)點(diǎn)只能通過公用信道相互聯(lián)系。當(dāng)通信資源提供給多個(gè)用戶共同使用時(shí)，需要使用多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)。多址接入技術(shù)也被稱為媒體接入技術(shù)或信道接入技術(shù)，這是因?yàn)榻尤牖蛟L問網(wǎng)絡(luò)的過程實(shí)際上表現(xiàn)為占用網(wǎng)絡(luò)中的傳輸信道的過程。多址接入技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一部分，它的實(shí)現(xiàn)方法將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、時(shí)延特點(diǎn)、業(yè)務(wù)能力、用戶支持?jǐn)?shù)量、資源利用效率等多方面的性能，其研究基礎(chǔ)是信息的數(shù)字傳輸和處理，其目標(biāo)則是在網(wǎng)絡(luò)中提高通信資源的使用效率。具體的多址接入技術(shù)通常用相應(yīng)的協(xié)議來描述。從通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)來看，多址接入?yún)f(xié)議主要是數(shù)據(jù)鏈路層需要研究的問題，多址協(xié)議的優(yōu)劣對(duì)各種通信業(yè)務(wù)的支持，以及物理信道的使用效率都有重要的影響?，F(xiàn)在多址接入?yún)f(xié)議已經(jīng)成為局域網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、無線通信網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛、最重要的協(xié)議之一。隨著網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)的迅速增長，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加速復(fù)雜化，所能使用的通信資源也越來越緊缺和昂貴。為滿足節(jié)點(diǎn)用戶之間的通信需要，共享通信資源方式被廣泛采用。當(dāng)通信資源提供給多個(gè)用戶共同使用時(shí)，需要多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)。隨機(jī)多址接入技術(shù)是一種采用競(jìng)爭(zhēng)的接入方式，和固定分配多址接入的目的一樣，都是如何最大限度的減少數(shù)據(jù)的沖突，提高系統(tǒng)吞吐量和信道的利用率。隨機(jī)多址接入的主要思想是多個(gè)用戶共用通信信道，他們隨機(jī)占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生碰撞，則等待一段時(shí)間后重發(fā)，直至發(fā)送成功或超時(shí)丟棄。本文多地址接入ALOHA協(xié)議主要研究的純ALOHA 協(xié)議、時(shí)隙ALOHA 協(xié)議、非堅(jiān)持型CSMA 協(xié)議。 多地址接入?yún)f(xié)議概述在多地址接入?yún)f(xié)議中，多個(gè)用戶共享同一物理信道，例如，在蜂窩無線通信系統(tǒng)中，信道被所有入網(wǎng)的用戶共享。對(duì)無線通信來說，一個(gè)重要的目標(biāo)就是有效的利用信道資源，多址接入?yún)f(xié)議性能對(duì)此有很大影響。協(xié)議通常都是為了滿足一定的目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。任何一種較好的協(xié)議都應(yīng)該具有一下特點(diǎn)：（1） 能夠使多個(gè)用戶共享同一傳輸信道。為此，協(xié)議必須要求用戶按照一定規(guī)則來發(fā)出請(qǐng)求，協(xié)議控制分配給用戶的信道容量。（2） 協(xié)議能夠以高效的方式分配傳輸信道。效率通常以信道吞吐量和傳輸延遲來衡量。（3） 對(duì)每個(gè)用戶來說，分配應(yīng)該是公平的，即對(duì)不考慮具有優(yōu)先權(quán)的用戶來說，每個(gè)用戶從平均意義上來說應(yīng)該分配到相同的容量。（4） 協(xié)議在處理不同的業(yè)務(wù)（如語音和數(shù)據(jù)）時(shí)應(yīng)該具有一定靈活性。（5） 協(xié)議應(yīng)該是穩(wěn)定的。這意味著當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到均衡時(shí)，一個(gè)新增的負(fù)荷應(yīng)該使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的均衡點(diǎn)。對(duì)不穩(wěn)定的協(xié)議來說，新增的負(fù)荷將迫使系統(tǒng)遷移到更高的負(fù)荷狀態(tài)，并且降低吞吐量。（6） 協(xié)議應(yīng)該具有魯棒性（Robust）。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)設(shè)備故障或條件改變時(shí)，不會(huì)引起協(xié)議的崩潰。當(dāng)用戶操作不當(dāng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中其他用戶的影響應(yīng)當(dāng)盡可能的少。隨著無線通信的不斷普及，無線移動(dòng)環(huán)境下的多址接入?yún)f(xié)議引起人們更多的關(guān)注。在此條件下，應(yīng)當(dāng)更關(guān)注協(xié)議的穩(wěn)定性和魯棒性。在無線移動(dòng)環(huán)境中，多址接入?yún)f(xié)議面臨如下挑戰(zhàn)：（1） 隱終端問題。即兩個(gè)或多個(gè)終端由于高山、高大的建筑物或其他物理遮擋而不再彼此的通信范圍內(nèi)，但卻都在同一基站的通信范圍內(nèi)。（2） 遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。遠(yuǎn)端的用戶要比近端的用戶信號(hào)有更大的衰減。（3） 無線信道中的多經(jīng)衰弱和陰影衰落效應(yīng)。（4） 由于相鄰小區(qū)公用同一頻率而導(dǎo)致的共道干擾問題。對(duì)協(xié)議來說，同時(shí)處理好上述問題是比較困難的，甚至是相互沖突的。為此，只能在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行折中處理。折中的程度取決于使用環(huán)境，以及特定的需求。 多址接入?yún)f(xié)議分類自從1970年ALOHA協(xié)議誕生以來，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的多址接入?yún)f(xié)議。對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行分類的方法也是多種多樣的，在此把多址接入?yún)f(xié)議分為三類：非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）協(xié)議、競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)接入）協(xié)議，以及CDMA協(xié)議。如圖11所示。多址接入?yún)f(xié)議競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)接入）協(xié)議非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）協(xié)議 重復(fù)隨機(jī)接入 帶保留隨機(jī)接入按需分配固定分配CDMA混合CDMA DS/FH、TDMA/CDMA純CDMADS、FH、TH隱式顯式 ALOHASALOHA令牌環(huán) 傳遞FDMATDMA非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）協(xié)議通過調(diào)度要傳輸數(shù)據(jù)的用戶來避免兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶同時(shí)接入信道。調(diào)度可分為固定分配方式和按需分配方式。在固定分配方式下，每個(gè)用戶都會(huì)被分配給一定的傳輸容量，而按需分配則只有在用戶有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)才分配信道。在競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)接入）協(xié)議中，一個(gè)用戶并不能保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與其他的用戶不發(fā)生碰撞，因?yàn)橛锌赡苡袃蓚€(gè)或兩個(gè)以上的用戶同時(shí)請(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，協(xié)議需要對(duì)它們進(jìn)行處理。競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議可以進(jìn)一步分為重復(fù)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議和帶保留的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。對(duì)帶保留的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議來說，用戶初始接入到信道時(shí)采用隨機(jī)接入方式，而用戶一旦接入到信道后，該用戶的數(shù)據(jù)傳輸采用調(diào)度方式，直到該用戶的數(shù)據(jù)傳輸完畢為止。帶保留的隨機(jī)接入又可分為隱式保留和顯式保留。顯示保留協(xié)議在調(diào)度時(shí)使用短的保留數(shù)據(jù)包來請(qǐng)求傳輸，而隱式保留協(xié)議則不需要任何保留數(shù)據(jù)包。CDMA協(xié)議即不屬于非競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議也不屬于競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議。實(shí)際上，它屬于多個(gè)用戶可以無沖突的同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的非競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議。但是，當(dāng)同時(shí)傳輸?shù)挠脩魯?shù)增加到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。CDMA協(xié)議又可以分為純ALOHA協(xié)議和混合CDMA協(xié)議。 非競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）多址接入?yún)f(xié)議通過調(diào)度要傳輸?shù)挠脩魜肀苊舛鄠€(gè)用戶同時(shí)嘗試訪問同一物理信道。用戶按照調(diào)度的先后順序一次傳輸數(shù)據(jù)，這樣就確保了每次傳輸都會(huì)成功。調(diào)度可以分為兩種類型：（1） 固定分配調(diào)度：采用這種方式的協(xié)議把信道容量在所有的用戶之間進(jìn)行平分，而不管用戶是否要有數(shù)據(jù)傳輸。分配可以按照時(shí)間或頻率來進(jìn)行。在時(shí)分多址的情況下，傳輸時(shí)間分成多個(gè)幀，每個(gè)用戶分配每幀中的固定時(shí)間片，并與其他用戶分配的時(shí)間片之間互補(bǔ)重疊。頻分多址則把信道帶寬分成互補(bǔ)重疊的頻帶，每個(gè)用戶分配給一個(gè)固定的頻帶。（2） 按需調(diào)度：只有當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)要傳輸（激活）時(shí)才分配資源。激活的用戶按調(diào)度的順序依次進(jìn)行傳輸。它又可以分為集中調(diào)度或分布式調(diào)度。集中調(diào)度方式是由一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體對(duì)傳輸進(jìn)行調(diào)度。而分布式調(diào)度協(xié)議中，所有的用戶都參與調(diào)度過程，如今牌環(huán)協(xié)議就是分布式的。 競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)）多址接入?yún)f(xié)議不存在傳輸?shù)恼{(diào)度。當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，并不知道是否會(huì)同其他用戶發(fā)生沖突。用戶通過監(jiān)聽信道可能知道也可能不知道即將發(fā)生的傳輸，因?yàn)闆]有關(guān)于其他用戶是否要傳