【正文】 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 2 頁 共 39 頁 Simulation of slotted ALOHA protocol PanPengfei “(Grade11,Class03,Major Electronic Information Engineering,Institute of physics and Telemunications Dept.,Shaanxi University of Technology Hanzhong 723000,Shaanxi)”。給出了 MATLAB 仿真平臺下實現時隙 ALOHA 控制算法的流程圖，編寫了 MATLAB 代碼對時隙 AL0HA 的偽貝葉控制算法性能進行 協(xié)議性能 測試 及 仿真結果表示 。Simulation。 7 多址接入協(xié)議仿真模型 7 仿真系統(tǒng) 模型 10 3 ALOHA協(xié)議的基本原理 10 時隙 ALOHA的基本原理 14 離散時間系統(tǒng)模型 14 蒙特卡羅法 15 4 MATLAB 仿真軟件的介紹 21 附錄 A: 21 附錄 B:對于一種協(xié)議來說，同時處理好上述問題是比較困難的， 甚至是相互沖突的，因此，只能在設計時進行折中處理，折中的程度取決于使用環(huán)境，以及特定的需求。目前，計算機仿真的方法在通信網絡技術的研究中得到了廣 的應用，因為其具有很好的可控制性、可重現性、可擴展性。這種低成本、高效率的計算機仿真的方式勢必成為研究接入控制技術的首選。當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，重復發(fā)生的碰撞將浪費部分系統(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。由于仿真不是基于數學計算，而是基于統(tǒng)計模型，因此統(tǒng)計復用的隨機性被精確地再現。 2 多地址接入協(xié)議發(fā)展狀況 多址接入技術通常是指網絡中多個節(jié)點（或用戶 終端）共享通信信道資源實現連接訪問的技術。當通信資源提供給多個用戶共同使用時，需要使用多址接入協(xié)議進行調度和協(xié)調。從通信系統(tǒng)的體系結構來看，多址接入協(xié)議主要是數據鏈路層需要研究的問題，多址協(xié)議的優(yōu)劣對各種通信業(yè)務的支持，以及物理信道的使用效率都有重要的影響。當通信資源提供給多個用戶共同使用時，需要多址接入協(xié)議進行調度和協(xié)調。 多地址接入協(xié)議概述 在多地址接入協(xié)議中，多個用戶共享同一物 理信道，例如，在蜂窩無線通信系統(tǒng)中，信道被所有入網的用戶共享。為此，協(xié)議必須要求用戶按照一定規(guī)則來發(fā)出請求，協(xié)議控制分配給用戶的信道容量。 （ 4） 協(xié)議在處理不同的業(yè)務（如語音和數據）時應該具有一定靈活性。 （ 6） 協(xié)議應該具有魯棒性（ Robust）。在此條件下，應當更關注協(xié)議的穩(wěn)定性和魯棒 性。遠端的用戶要比近端的用戶信號有更大的衰減。為此，只能在設計時進行折中處理。如圖 11所示。 在競爭（隨機接入）協(xié)議中，一個用戶并不能保證傳輸的數據與其他的用戶不發(fā)生碰撞，因為有可能有兩個或兩個以上的用戶同時請求傳輸數據。帶保留的隨機接入又可分為隱式保留和顯式保留。但是，當同時傳輸的用戶數增加到一定值時，就會產生競爭。調度可以分為兩種類型： （ 1） 固定分配調度：采用這種方式 的協(xié)議把信道容量在所有的用戶之間進行平分，而不管用戶是否要有數據傳輸。 （ 2） 按需調度：只有當用戶有數據要傳輸（激活）時才分配資源。而分布式調度協(xié)議中，所有的用戶都參與調度過程，如今牌環(huán)協(xié)議就 是分布式的。當多個準備傳輸的用戶同時開始傳輸時，所有的傳輸多半都會失敗。而對第 2類協(xié)議來說，用戶只能在第 1次傳輸時才無法避免與其他用戶發(fā)生碰撞，但是當用戶成功的完成了它的第1 次傳輸（第 1次成功的接入到信道）后，后面的傳輸將經過調度以有序的方式進行，部分信道資源將分配給該用戶，其他用戶禁止使用這部分信道資源，這樣就不會與其他用戶發(fā)生競爭。 多址接入協(xié)議仿真模型 實際系統(tǒng)中的協(xié)議實現比較復雜，而目的是使用 MATLAB 來考察不同協(xié)議的性能，因此，需要建立相應的協(xié)議仿真模型。緩沖區(qū)的容量可以是無限的，也可以是有限的。另外，如果終端數是無限的，則稱為無限呼叫源模型，而終端數有限 的情況下則稱為有限呼叫源模型。這是用來評估接入協(xié)議最基本的假設。 陰影衰落：信號在無線信道傳播過程中遇到的障礙物會使信號發(fā)生隨機變化，從而造成給定距離處接收信號功率的隨機變化，反射體與散射體的變化也會造成接收信號功率的隨機變化。 平穩(wěn)性：在一段時間間隔內產生的數據包的個數僅與該段時間間隔有關而與該段時間間隔的起始時間無關。 在有線和無線通信系統(tǒng)中，對發(fā)生碰撞的數據包分別作如下處理： 有線通信系統(tǒng)：所有碰撞的包都被丟棄，數據包作為 發(fā)送失敗處理，因為所有數據包的信號強弱都是一樣的。一般把這種情況稱為捕獲效應。 （ 4） 產生的業(yè) 務量 在本文中，單位時間內新產生的數據包和重傳的數據包之和定義為產生的業(yè)務量，通過傳輸數據速率歸一化的業(yè)務量記為 G。如果數據傳輸速率和每個數據包包含的信息比特數分別記為 R（ bps）和 T，并且在單位時間內成功傳輸的數據包個數為 n，則有 RnTS *? 如果沒有數據包產生，或者所有傳輸的數據包由于碰撞而被丟棄，則吞吐量變?yōu)樽钚≈?0。因此，通過數據的包長度進行歸一化，可以得到歸一化后的平均傳輸時延 D。 稀疏性：在非常小的時間間隔內，產生兩個及兩個以上數據包的概率非常小，可以忽略。對一個理想的協(xié)議來說，吞吐量與業(yè)務量之間的關系為 S=G,G1。發(fā)送的分組具有糾錯能力。此時，發(fā)送端將收到接收端發(fā)回的“否認”（ NAK）消息。當然，這樣很可能會產生沖突從而造成發(fā)送失敗。三用戶共享同一信道進行信息傳輸的純ALOHA 協(xié)議的工作過程如圖 3 所示。 sbbG Nt? 若系統(tǒng)的最大傳輸需率為 R（ b/s)，則定義歸一化吞吐量為 RbNS /? 定義歸一化總業(yè)務量為 RbG Nt /? 由于平均吞吐量 39。 這樣，一個分組的最小傳輸時間 Rbt /? 由上式可以得到 NtS? tG Nt? 由圖 3 可以看出，為了避免碰撞，一個分組至少需要 2t 的空閑時間。數據包傳送時間 T精確的等于時隙度。只要在一個數據包長時間內，或一個時隙中，無兩個或兩個以上的數包到這信道，就可成功發(fā)射。用戶 1 和用戶 3 在時隙開始的時刻發(fā)送信息，兩者完全重疊，要求在下面的某個時隙開始的時刻重發(fā)。可見，時隙 ALOHA系統(tǒng)的最大吞吐量比純 ALOHA 系統(tǒng)提高了一倍。 基站負責對信道的競爭情況進行監(jiān)測并通知終端節(jié)點采用相同的概率重傳阻塞數據包，各終端只有一個緩沖區(qū)，只有當阻塞數據包傳輸結束后才生成新的數據包，新包的到達為一參數為 y 的泊松過程 。 該系統(tǒng)可以近似認為重傳分組的到達過程和新到達過程之和為一到達率為 G(Gy)的泊松過程，時隙 ALOHA的行為可以采用離散馬爾可夫鏈來進行描述，其中狀態(tài)值 S={0， 1， ...， N， }； 設 k∈ S為在每個時隙開始時刻等待重傳的終端數，每個終端以固定的概率 P 在后續(xù)的時隙中重傳分組直到成功為止 。 仿真對象把自己的操作按時間周期長度劃分為若干操作步驟序列，在每次觸發(fā)時，執(zhí)行一步操作 。 T)， 周期驅動法的特點是所有實體在 每個觸發(fā)點上同步地執(zhí)行了一步操作 。 運算量大小為 O（ N*（ 1/T))， T))， 其中 O(． )觸發(fā)每個實體操作的運算量， N 為實體數目 。 掌握實體何時需要動作而去觸發(fā)它的關鍵點就是“事件” 。 該事件量級大致決定了仿真運算量，而仿真采用的時間粒度與仿真運算量基本無關 。 （ 3） 按給定的概率模型與抽樣方法，在計算機上進行模擬隨即實驗，產生樣本，求出適當的統(tǒng)計量，得到解的近似或估計。 OPNET Modeler工具為技術人員 (工程師 )提供一個網絡技術和產品開發(fā)平臺 。 采用混合建模機制，把基于包的分析方法和基于統(tǒng)計的數學建模方法結合起來，既可得到非常細節(jié)的模擬結果，也大大提高了仿真效率 。 NS 設計的出發(fā)點是基于網絡仿真，它集成了多種網絡協(xié)議、業(yè)務類型、路由排隊管理機制、路由算法 。 NS的特點是源代碼公開；可擴展性強；速度和效率優(yōu)勢明顯 。 利用它既可以進行小規(guī)模端程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序 。 因此，實現 ALOHA協(xié)議在 MATLAB上人仿真，具有很大實用價值 。 利用蒙特卡羅法原 理，由機器產生一個 [0， 1]之間均勻分布的隨機數，判斷該隨機數是否小于 P，滿足則執(zhí)行相應的事件 。 但是，只要偽隨機數能夠通過隨機數的一系列的統(tǒng)計檢驗，就可以把它當作真隨機數而放心地使用 。因此在仿真過程必須經過多次重復實驗才能獲得系統(tǒng)的真正性能，實際仿真是通過上萬次的重復試驗，求其平均值才來表達隨機事件 。 在第 t個時隙空閑情況時，系統(tǒng)中還有 i個終端等待發(fā)送為均值等于 N1的泊松分布 。因此可根據當前時隙的狀態(tài)進行下一時隙發(fā)送概率的調整，算法實現步驟如下： 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 17 頁 共 39 頁 （ 1） 在時隙 t，每個終端以概率 )/1,1m in ()( NNPttr ? 發(fā)送數據分組。 ALOHA協(xié)議仿真結果分析 根據理論公式的 推導 ， 已經得出時隙 ALOHA 協(xié)議吞吐量 S與業(yè)務量之間的理論關系式為 GGeS ?? 在上述關系式中，當 G= 時，最大吞吐量 S為 。其中，存在捕獲效應時，時隙 ALOHA 的實際最大吞吐量可以達到 ，無捕獲響應時，時隙 ALOHA 的實際最大 吞吐量與理論值十分接近，約為 。因為在有捕獲效應的情況下當通信信道中的數據包產生碰撞時，具有最大傳輸功率的數據包依然可以被捕獲從而傳送成功，而無捕獲效應的情況下當通信信道的數據包產生碰撞時 ，所有碰撞的數據包將會全部被丟棄等待重新傳送。所以有捕獲效應下的數據包延遲個數要明顯少于無捕獲效應下的數據包延遲個數。在有捕獲效應的情況下，吞吐量升高，那數據包延遲個數就會下降，反之一樣。本文首先介紹了隨機多址接入協(xié)議的研究背景及主要成果，從常用的網絡參考模型入手，對目前廣泛研究的純 ALOHA 協(xié)議、時隙 ALOHA 協(xié)議、非持續(xù)性 CSMA 協(xié)議進行了詳細闡述，具體分析了這三種協(xié)議的基本原理、系統(tǒng)吞吐量、平均傳輸時延等性能指標，然后基于 Matlab 平臺進行建模仿真，對所得數據進行了分析，進而比較得出 不同類型的多址系統(tǒng)的優(yōu)缺點，為提高協(xié)議性能提供了參考。隨著音頻、視頻等多媒體業(yè)務的普及，以及工業(yè)應用方面等的特殊要 求，使得傳統(tǒng)的 ALOHA 和 CSMA 協(xié)議逐漸顯得有些捉襟見肘，尤其是在無線局域網方面的 CSMA/CA 系統(tǒng)，目前人們對無線網絡的呼聲也越來越高，當然對網絡質量的要求也是越來越苛刻。 吳 老師嚴謹的治學態(tài)度、淵 博的學識、刻苦專研的科研精神和兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度都給我留下了深刻的印象，將對我以后的學習和工作產生深遠的影響。感謝 物理與電信工程 學院及里 通信學院 的老師們的指導和幫助！最后，感謝我的父母和家人，他們殷切的期望是我不斷進取的動力，他們在各方面都給予了我最無私的幫助和支持，同時，也感謝所有關心和幫助過我的同學和朋 友們！ 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 21 頁 共 39 頁 參考文獻 [1] of Metropolitan Area . 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