【正文】 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。隨著無(wú)線通信的不斷普及，無(wú)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。（2） 遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題。對(duì)協(xié)議來(lái)說(shuō)，同時(shí)處理好上述問(wèn)題是比較困難的，甚至是相互沖突的。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。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。對(duì)帶保留的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議來(lái)說(shuō)，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。實(shí)際上，它屬于多個(gè)用戶可以無(wú)沖突的同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的非競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議。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。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。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。用戶通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信道可能知道也可能不知道即將發(fā)生的傳輸，因?yàn)闆](méi)有關(guān)于其他用戶是否要傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確信息。對(duì)第1類協(xié)議來(lái)說(shuō)，傳輸就如前面的敘述，每次傳輸時(shí)可能會(huì)發(fā)生沖突。而ISMA協(xié)議通過(guò)中央基站控制移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)包傳輸，降低了數(shù)據(jù)包之間發(fā)生碰撞的概率，以及“隱終端”問(wèn)題。在仿真系統(tǒng)模型中，終端具有相同的性能，帶有緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生后，首先存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，并按照先進(jìn)先出（FIFO)的原則進(jìn)行傳輸。傳送失敗是指緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包沒(méi)有成功傳送到接入點(diǎn)。在有線通信系統(tǒng)中，信道是時(shí)不變的，假設(shè)不會(huì)發(fā)生傳輸差錯(cuò)，并且接入點(diǎn)接收到的各個(gè)終端的信號(hào)功率是相同的。基于理論與實(shí)際測(cè)量的傳播模型都表明，室外或室內(nèi)無(wú)線信道中，平均接收功率（dBm)與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離的對(duì)數(shù)成反比，即 式中，n為路徑衰落指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速度，它的值一般在2至5之間；d0為近地參考距離，由測(cè)試決定；d為發(fā)射天線與接收天線距離。(2)包產(chǎn)生 每個(gè)終端都假設(shè)相互獨(dú)立的隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并且包產(chǎn)生過(guò)程服從Possion分布，即滿足如下特點(diǎn)： 獨(dú)立性：在互不交疊的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)是相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。(3) 碰撞 當(dāng)幾個(gè)數(shù)據(jù)包在信道時(shí)同時(shí)傳輸時(shí)，便會(huì)發(fā)生碰撞，如圖13所示。因此，即使個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，具有最大接收功率的數(shù)據(jù)包也可能被正確接收。在數(shù)據(jù)包傳輸發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔后，將會(huì)被再次傳送到接入點(diǎn)。用數(shù)據(jù)傳輸速率歸一化的吞吐量記為S。平均傳輸時(shí)延依賴于包的長(zhǎng)度。 平穩(wěn)性：在一段時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)僅與該段時(shí)間間隔有關(guān)，而與該段時(shí)間間隔的起始時(shí)間無(wú)關(guān)。 協(xié)議評(píng)價(jià)指標(biāo) 評(píng)價(jià)協(xié)議性能的最基本的指標(biāo)一般是產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量G，吞吐量S及平均傳輸時(shí)延D。理想特性1實(shí)際特性吞吐量1 業(yè)務(wù)量 吞吐量與業(yè)務(wù)量之間的關(guān)系3 ALOHA協(xié)議的基本原理 ALOHA 系統(tǒng)的協(xié)議非常簡(jiǎn)單，其工作模式有以下四種： 發(fā)送模式（transmission mode）：用戶在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以隨時(shí)發(fā)送。這種現(xiàn)象稱為碰撞（collision）。純ALOHA 協(xié)議的思想是：只要用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就立即讓其發(fā)送。如果發(fā)送方知道數(shù)據(jù)幀遭到破壞，即檢測(cè)到?jīng)_突，就等待一段隨機(jī)長(zhǎng)的時(shí)間后重發(fā)該幀?？倶I(yè)務(wù)量取決于用戶的需求，它可能很大，所以歸一化總業(yè)務(wù)量G 可以大于1。 t 前一分組 后一分組 本分組t 2t圖3 避免碰撞的最小時(shí)間間隔 時(shí)隙ALOHA的基本原理 在時(shí)隙ALOHA 系統(tǒng)中，信道時(shí)間分成許多時(shí)隙。主時(shí)鐘的同步信息要向所有用戶廣播，以使網(wǎng)內(nèi)所有用戶都與主時(shí)鐘同步。以三個(gè)用戶為例說(shuō)明時(shí)隙ALOHA 協(xié)議的工作過(guò)程。這時(shí)的歸一化吞吐量S 和歸一化總業(yè)務(wù)量G 的關(guān)系式變?yōu)? 分析可知，當(dāng)G= 時(shí)，S 的最大值等于1/e=。定義信道參數(shù)、接入點(diǎn)信息、終端信息、初始化相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包隨機(jī)延遲N個(gè)時(shí)隙在下一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)包否否是沒(méi)有發(fā)生碰撞考慮捕獲效應(yīng)否否是接收的信號(hào)功率大于捕獲門限是否發(fā)送成功，更新數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包達(dá)到要求數(shù)目統(tǒng)計(jì)吞吐量和平均傳輸時(shí)延是 時(shí)隙ALOHA協(xié)議仿真的程序流程圖 時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)模型 時(shí)隙ALOHA馬爾科夫鏈系統(tǒng)模型假設(shè)系統(tǒng)由一個(gè)中心基站和N個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)共享一個(gè)信道，各終端節(jié)點(diǎn)通基站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，信道訪問(wèn)采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議。一個(gè)時(shí)隙的分組包括新到節(jié)點(diǎn)和重傳節(jié)點(diǎn)分組兩部分，再假定重傳的時(shí)延等待足夠隨機(jī)化。離散時(shí)間仿真算法分為周期驅(qū)動(dòng)法和事件驅(qū)動(dòng)法兩種，周期驅(qū)動(dòng)法是用周期性方式觸發(fā)仿真對(duì)象。完成一次輪詢后的運(yùn)行效果是所有實(shí)體并發(fā)地執(zhí)行了一步操作，其中事件S（t）={s1(nT),s2(nT)、}。周期越短，單位時(shí)間內(nèi)輪詢的次數(shù)越多，所需的運(yùn)算量越大，要求計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度越高。從周期驅(qū)動(dòng)法的仿真算法可以看出，實(shí)體有大量的觸發(fā)沒(méi)有執(zhí)行任何動(dòng)作，這是可節(jié)約運(yùn)算資源的來(lái)源。在信道仿真中，信道的速率、MAC算法等基本上確定了信道上單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)氖录?shù)目的量級(jí)。蒙特卡羅方法求解一個(gè)實(shí)際問(wèn)題的基本環(huán)節(jié)包括：（1） 根據(jù)問(wèn)題內(nèi)容和特點(diǎn)確定一個(gè)隨機(jī)變量或過(guò)程，使其數(shù)學(xué)期望正好等于所要求的值G，其中為的概率密度函數(shù)，這一步常稱為構(gòu)造模擬的概率模型，模擬的概率模型不是唯一的，不同的概率模型將有不同的效果，應(yīng)該選擇具有高計(jì)算效率的模型；（2） )給出概率模型中隨機(jī)變量的抽樣方法。OPNET產(chǎn)品主要面向?qū)I(yè)人士，幫助客戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計(jì)、建設(shè)、分析和管理。三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性；采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理(discrete event driven)，與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相比，計(jì)算效率得到很大提高。該軟件的開(kāi)發(fā)最初是針對(duì)基于UNIX系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和仿真而進(jìn)行的。但它最適用于TCP層以上的模擬。MTALAB具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z(yǔ)言特性。MATLAB仿真的優(yōu)勢(shì)是調(diào)試方便，且作圖功能強(qiáng)大，數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)豐富，容易實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間的處理，對(duì)修改算法提供很大的便利。為保證信道最大利用率，1/N，其中N 為系統(tǒng)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。這樣的偽隨機(jī)數(shù)從數(shù)學(xué)意義上講已經(jīng)一點(diǎn)不是隨機(jī)的了。不定性現(xiàn)象在大量重復(fù)觀察或試驗(yàn)下，它的結(jié)果卻呈現(xiàn)出固有規(guī)律性。 為貝葉斯調(diào)整算法實(shí)現(xiàn)設(shè)第t個(gè)時(shí)隙N 個(gè)終端中有i個(gè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)終端以概率P，1／N進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，時(shí)隙空閑的概率exp(1)。若發(fā)生沖突，N?可近似為一個(gè)均值為N + +1／(e2)的泊松分布隨機(jī)變量。MATLAB可以很好實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙ALO—HA控制算法的仿真測(cè)試。 時(shí)隙ALOHA協(xié)議信道吞吐量與業(yè)務(wù)量的關(guān)系 時(shí)隙ALOHA協(xié)議延遲與業(yè)務(wù)量的關(guān)系 可以看出，時(shí)隙ALOHA 協(xié)議的吞吐量和延遲性能都要優(yōu)于純ALOHA 協(xié)議。從圖中可以看出在產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量相同的情況下有捕獲效應(yīng)的仿真曲線明顯高于無(wú)捕獲效應(yīng)的仿真曲線即有捕獲效應(yīng)下的吞吐量高于無(wú)捕獲效應(yīng)下的吞吐量，這一點(diǎn)也是符合理論結(jié)果的。而無(wú)捕獲效應(yīng)的情況下所有發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包都會(huì)被丟棄等待重傳從而全部都延遲。延遲數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)是由于碰撞而沒(méi)有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)包。因此隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的復(fù)雜與增多，研究信道接入技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征有效地分配信道資源，提高資源的利用率，改善網(wǎng)絡(luò)性能，仍然是通信網(wǎng)絡(luò)研究的重要內(nèi)容。CSMA 協(xié)議在性能上雖然優(yōu)于ALOHA，但是在服務(wù)質(zhì)量保證（尤其是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)支持）方面仍然難以滿足要求，基于CSMA 的協(xié)議主要應(yīng)用于短距離數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多址接入，比如計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的互聯(lián)接入等。從論文的選題到最后的定稿，吳老師都給予了我悉心的指導(dǎo)，并給了我一個(gè)學(xué)習(xí)與提高的機(jī)會(huì)，使我的畢業(yè)論文能順利的完成。在大學(xué)四年中，我學(xué)到了很多知識(shí)，開(kāi)闊了視野，感到受益匪淺。在此，本人對(duì)導(dǎo)師表示深深的敬意和最誠(chéng)摯的感謝。為適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)接入需要，接下來(lái)仍需要對(duì)多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行深入的研究。ALOHA 和CSMA 協(xié)議作為基礎(chǔ)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議，目前仍廣泛應(yīng)用。結(jié)論現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜和頻譜資源的緊缺，使如何分配信道的接入權(quán)成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。我們的仿真結(jié)果也證實(shí)是這一點(diǎn)。所以從仿真圖中也剛好的證明了這一點(diǎn)。可以看出，在這種通信方式下，因?yàn)榕鲎驳膸茁蕼p小，所以信道的利用率有所提高。（2） t+1時(shí)隙需發(fā)送數(shù)據(jù)包的終端數(shù)用下式進(jìn)行估計(jì)： ，Sucess or idle , collision (3) t+1時(shí)隙隙各終端以的概率發(fā)送請(qǐng)求分組。當(dāng)在時(shí)隙t中成功傳輸一個(gè)請(qǐng)求分組時(shí)，系統(tǒng)中等待傳輸?shù)姆纸M數(shù)i是一個(gè)均值為N1的泊松分布隨機(jī)變量。 信道狀態(tài)的判斷在時(shí)隙ALOHA協(xié)議中，終端需要在每個(gè)時(shí)隙結(jié)束時(shí)通過(guò)應(yīng)答方式來(lái)獲得信道的狀態(tài)(成功，沖突還是空閑)，并確定自己是否進(jìn)行了成功傳輸，若發(fā)生沖突，則需要重傳發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)包直到成功。在時(shí)隙ALOHA協(xié)議的仿真中需要使用到兩個(gè)隨機(jī)數(shù)：一個(gè)是節(jié)點(diǎn)的新包到達(dá)率為指數(shù)分布的隨機(jī)數(shù)，在MATLAB中可以使用exprnd函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是[0，1)均勻分布隨機(jī)數(shù)，在MATLAB中提供了unifrnd函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻分布隨機(jī)數(shù)。真正的隨機(jī)數(shù)只能用某些隨機(jī)物理過(guò)程來(lái)產(chǎn)生。 時(shí)隙ALOHA協(xié)議在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙ALoHA 進(jìn)行仿真中，其主要包括：(1)隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生；(2)信道狀態(tài)的判斷；(3)控制算法的應(yīng)用。MATLAB還提供了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，其集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開(kāi)發(fā)為一體的環(huán)境。與0lP 相比，NS一2是自由軟件，免費(fèi)，這是與0PM相比最大的優(yōu)勢(shì)，因此它的普及度較高，是OPNET強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。此外，NS還集成了組播業(yè)務(wù)和應(yīng)用于局域網(wǎng)仿真有關(guān)的部分、MAC層協(xié)議。OPNET的缺點(diǎn)是價(jià)錢昂貴以及學(xué)習(xí)的進(jìn)入障礙很高，通過(guò)專門培訓(xùn)而達(dá)到較為熟練程度至少需一個(gè)多月的時(shí)間?？梢詭椭麄?cè)O(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信協(xié)議。 （4）依據(jù)離散時(shí)間仿真算法原理，由仿真軟件平臺(tái)對(duì)預(yù)先生成概率模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。事件驅(qū)動(dòng)法由事件產(chǎn)生、事件管理、事件處理三部分組成。每個(gè)實(shí)體的動(dòng)作都由事件來(lái)觸發(fā)它，沒(méi)有事件觸發(fā)的實(shí)體不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作。運(yùn)算量與實(shí)體數(shù)成正比，與每秒周期數(shù)成正比。因此，如果周期越短，越能凸顯出各個(gè)實(shí)體在時(shí)間上的差別(即仿真的時(shí)間精度越高)。通過(guò)周期性觸發(fā)，完成自己的操作序列。剩余N一矗個(gè)終端數(shù)能夠生成新分組，各終端有新分組到達(dá)并傳輸?shù)母怕蕿樵诮o定n的條件下，令為k個(gè)等待重傳的終端中有i個(gè)終端在當(dāng)前時(shí)隙傳輸?shù)母怕?，為有N—k終端中有i個(gè)終端在當(dāng)前時(shí)隙傳輸?shù)母怕?，則 為計(jì)算方便，令，則系統(tǒng)的吞吐量 對(duì)上式求導(dǎo)并令其等于0可得到G=1系統(tǒng)獲得最大吞吐量。再假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求分組的長(zhǎng)度小于一個(gè)時(shí)隙能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長(zhǎng)度。系統(tǒng)性能的這種提高，是源于對(duì)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的隨機(jī)性作出了一定的限制，并引入了網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制，以至少許增加了分組時(shí)延和用戶控制機(jī)制的復(fù)雜性。結(jié)果用戶3 重發(fā)成功，而用戶1 又和用戶2 新發(fā)送的數(shù)據(jù)包重疊，用戶1 第二次重發(fā)成功，用戶2 一次重發(fā)成功。這是一種降低碰撞的有效措施。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)包必須是定長(zhǎng)的，且不得大于時(shí)隙多址接入?yún)f(xié)議17寬度。因?yàn)槿粼诒痉纸M發(fā)送前t 秒內(nèi)有另一個(gè)用戶在發(fā)送，則會(huì)和前一分組的后部發(fā)生碰撞；若在本分組開(kāi)始發(fā)送的t 秒內(nèi)有另一分組發(fā)送，則會(huì)和后一分組的前部發(fā)生碰撞。重發(fā)用戶1 5 1再重發(fā)重發(fā)t 3 2 6用戶2t重發(fā) 4用戶3 7t信道成功成功成功碰撞碰撞t圖3 純ALOHA協(xié)議的工作原理 下面我們對(duì)純ALOHA 系統(tǒng)的性能作一簡(jiǎn)單分析。但是，由于廣播信道具有反饋性，因此發(fā)送方可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中進(jìn)行沖突檢測(cè)，將接收到的數(shù)據(jù)與緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以知道數(shù)據(jù)幀是否遭到破壞。重發(fā)模式（retransmission mode）當(dāng)發(fā)送端收到一個(gè)“否認(rèn)”消息后，將會(huì)等待一段隨機(jī)時(shí)間后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，以免再次發(fā)生沖突。收聽(tīng)模式（listening mode）：在發(fā)送后，該用戶收聽(tīng)來(lái)自接收端的“確認(rèn)”（ACK）消息。 S=1,G=1，在業(yè)務(wù)量較小的情況下，吞吐量隨著業(yè)務(wù)量的增加而增加，而當(dāng)業(yè)務(wù)量大于一定的門限值后，吞吐量隨著業(yè)務(wù)量的增加而下降。而且，如果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)服從泊松分布，兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布。 業(yè)務(wù)源模型也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，假設(shè)所有終端具有相同的業(yè)務(wù)強(qiáng)度，以具有某一參數(shù)的泊松過(guò)程產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小為一常數(shù)。此外，在所有的單位時(shí)間內(nèi)，如果所有的包都被正確傳輸，吞吐量為1。如果數(shù)據(jù)傳輸速率為R（bps），需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特?cái)?shù)為Tr，則有 如果數(shù)據(jù)包為0，則G為0。另外，即使沒(méi)有發(fā)生碰撞，傳輸?shù)陌部赡馨l(fā)生錯(cuò)誤，因?yàn)榻尤朦c(diǎn)接收到的信號(hào)功率有可能小于解調(diào)所要求的最小功率，這在信道條件較差的情況下經(jīng)常發(fā)生。如果沒(méi)有發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包依次傳送