【正文】 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)下的吞吐量高于無捕獲效應(yīng)下的吞吐量，這一點(diǎn)也是符合理論結(jié)果的。 MATLAB可以很好實(shí)現(xiàn)對時隙 ALO— HA控制算法的仿真測試 。 為貝葉斯調(diào)整算法實(shí)現(xiàn) 設(shè) 第 t個時隙 N 個終端中有 i個終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個終端以概率 P， 1／ N進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時，時隙空閑的概率 exp(1)。 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 。 MATLAB仿真的優(yōu)勢是調(diào)試方便，且作圖功能強(qiáng)大，數(shù)學(xué)函數(shù)庫豐富，容易實(shí)現(xiàn)離散時間的處理，對修改算法 提供很大的便利 。 但它最適用于 TCP層以上的模擬 。 三層模型和實(shí)際的 網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性；采用離散事件驅(qū)動的模擬機(jī)理 (discrete event driven)，與時間驅(qū)動相比，計(jì)算效率得到很大提高 。 蒙特卡羅方法求解一個實(shí)際問題的基本環(huán)節(jié)包括： （ 1） 根據(jù)問題內(nèi)容和特點(diǎn)確定一個隨機(jī)變量或過程 )(xg ， 使其數(shù)學(xué)期望 ? dxxfxg )()( 正好等于所要求的值 G， 其中 )(xf 為 X 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 。 從周期驅(qū)動法的仿真算法可以看出，實(shí)體有大量的觸發(fā)沒有執(zhí)行任何動作，這是可節(jié)約運(yùn)算資源的來源 。 完發(fā)送成功，更新數(shù)據(jù)包個數(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延 是 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 39 頁 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)、 }。 一個時隙的分組包括新到節(jié)點(diǎn)和重傳節(jié)點(diǎn)分組兩部分，再假定重傳的時延等待足夠隨機(jī)化 。這時的歸一化吞吐量 S 和歸一化總業(yè)務(wù)量 G 的關(guān)系式變?yōu)? eGGS ?? 分析可知，當(dāng) G= 時， S 的最大值等于 1/e=。主時鐘的同步信息要向所有用戶廣播，以使網(wǎng)內(nèi)所有用戶都與主時鐘同步。G 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。如果發(fā)送方知道數(shù)據(jù)幀遭到破壞，即檢測到?jīng)_突，就等待一段隨機(jī)長的時間后重發(fā)該幀。這種現(xiàn)象稱為碰撞（ collision）。 協(xié)議評價(jià)指標(biāo) 評價(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 及平均傳輸時延 D。平均傳輸時延依賴于包的長度。在數(shù)據(jù)包傳輸發(fā)生錯誤 的情況下，經(jīng)過一段時間間隔后，將會被再次傳送到接入點(diǎn)。 (3) 碰撞 當(dāng)幾個數(shù)據(jù)包在信道時同時傳輸時，便會發(fā)生碰撞，如圖 13所示?；诶碚撆c實(shí)際測量的傳播模型都表明，室外或室內(nèi)無線信道中，平均接收功率（ dBm)與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離的對數(shù)成反比，即 0lg10)()( d dtr ndB mdB m pp ?? 式中， n為路徑衰落指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度，它的值一般在 2至 5之間； d0為近地參考距離，由測試 決定； d為發(fā)射天線與接收天線距離。傳送失敗是指緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包沒有成功傳送到接入點(diǎn)。而 ISMA 協(xié)議通過中央基站控制移動終端的數(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”問題。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輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確信息。頻分多址則把信道帶寬分成互補(bǔ)重疊的頻帶，每個用戶分配給一個固定的頻帶。實(shí)際上，它屬于多個用戶可以無沖突的同時傳輸數(shù)據(jù)的非競爭協(xié)議。在固定分配方式下，每個用戶都會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)需要傳輸時才分配信道。 對協(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。 隨著無線通信的不斷普及，無線移動環(huán)境下的多址接入?yún)f(xié)議引起人們更多的關(guān)注。 （ 3） 對每個用戶來說，分配應(yīng)該是公平的，即對不考慮具有優(yōu)先權(quán)的用戶來說，每個用戶從平均意義上來說應(yīng)該分配到 相同的容量。 本文多地址接入 ALOHA協(xié)議主要研究 的純 ALOHA 協(xié)議、時隙 ALOHA 協(xié)議、非堅(jiān)持型 CSMA 協(xié)議 。具體的多址接入技術(shù)通常用相應(yīng)的協(xié)議來描述。通過 MATLAB的離散時間仿真原理實(shí)現(xiàn)對時隙 ALOHA的仿真，并通過仿真程序?qū)崿F(xiàn)對偽貝葉算法控制算法性能進(jìn)行測試。但時隙 ALOHA本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，當(dāng)輸入流從 0開始增加時，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，系統(tǒng)吞吐量到達(dá)最大值。在實(shí)際環(huán)境下測試能夠得到相對真實(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)成本和社會成本都很高，因而進(jìn)行對大規(guī)模的測試幾乎是不可能的，而且其測試結(jié)果也往往難于重現(xiàn)。 16 時隙 ALOHA協(xié)議仿真結(jié)果分析 13 時隙 ALOHA系統(tǒng)模型 10 協(xié)議評價(jià)指標(biāo) 7 業(yè)務(wù)源模型 第 1 頁 共 39 頁 時隙 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： 時隙 ALOHA 是應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中的一種協(xié)議， 時隙 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)。 17 結(jié)論 測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)行測試，即實(shí)驗(yàn)；另一種是在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下測試?，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)中均采用時隙 ALOHA協(xié)議作為媒體接入控制協(xié)議以實(shí)現(xiàn)對信道的共享接入方式。現(xiàn)今對 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。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。隨機(jī)多址接入的主要思想是多個用戶共用通信信道，他們隨機(jī)占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生碰撞，則等待一段時間后重發(fā)，直至發(fā)送成功或超時丟棄。效率通常以信道吞吐量和傳輸延遲來衡量。當(dāng)用戶操作不當(dāng)時，對系統(tǒng)中其他用戶的影響應(yīng)當(dāng)盡可能的少。 （ 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。調(diào)度可分為固定分配方式和按需分配方式。 CDMA協(xié)議即不屬于非競爭協(xié)議也不屬于競爭協(xié)議。在時分多址的情況下，傳輸時間分成多個幀，每個用戶分配每幀中的固定時間片，并與其他用戶分配的時間片之間互補(bǔ)重疊。當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)需要傳輸時，并不知道是否會同其他用戶發(fā)生沖突。 ALOHA協(xié)議由于數(shù)據(jù)包之間的碰撞而導(dǎo)致的性能下降， CSMA協(xié)議能夠提供較高的容量，但它應(yīng)用與無線通信系統(tǒng)時，容易受到“隱終端”問題的影響。這種情況稱為堵塞，它與包傳送失敗是不同的。路徑損耗與陰影衰落分別建模如下： 圖 數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng) 路徑損耗：接收到的信號功率隨著接入點(diǎn)與終端之間的距離增加而單調(diào)下降，稱為路徑損耗。而且，如果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)服從 Possion分布，兩個數(shù)據(jù)包之間的間隔服從負(fù)指數(shù)分布。 在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，接入點(diǎn)決定終端發(fā)送的的數(shù)據(jù)包是否成功，并將結(jié)果反饋給終端。 （ 6） 平均傳輸延遲 數(shù)據(jù)包從終端產(chǎn)生到成功的傳 輸?shù)浇尤朦c(diǎn)的平均時間間隔稱為平均傳輸時延。 當(dāng)不同終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞時，在重傳之前要隨機(jī)退避一段時間，該時間服從負(fù)指數(shù)分布，我們可以將這個負(fù)指數(shù)分布的參數(shù)與業(yè)務(wù)產(chǎn)生的泊松過程參數(shù)設(shè)為相同的值，以便給出理論分析結(jié)果。當(dāng)有多個用戶同時傳送數(shù)據(jù)時，由于信號的重疊會造成接收方收到的1 吞吐量 1 業(yè)務(wù)量 理想特性 實(shí)際特性 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 39 頁 數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。同理，其他用戶也按照此過程工作。總業(yè)務(wù)量 39。系統(tǒng)中的所有戶都必須在時隙的開始時刻發(fā)送信息。 本分組 后一分組 前一分組 t 2t t 1 4 6 重發(fā) 再重發(fā) 重發(fā) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 39 頁 圖 時隙 ALOHA 協(xié)議的工作原理 根據(jù)這種傳輸策略，沖突窗口從純 ALOHA 的 2t縮小為 t，使碰撞率減小一半。 當(dāng)分組發(fā)生碰撞時，需要重傳的分組數(shù)據(jù)在下 一時時隙以概率 P選擇發(fā)送，以 1一 P進(jìn)入下一時隙，依次類推 。 每個周期性驅(qū)動調(diào)用，對系統(tǒng)的所有實(shí)體進(jìn)行一次輪詢調(diào)用 。 采用事件驅(qū)動的原理是某個實(shí)體需要動作時才觸發(fā)它動作，不需要動作的實(shí)體不再觸發(fā)它，這樣可以減少大量的 運(yùn)算資源，或者將同樣的運(yùn)算資源用在更小的時間粒度上 。 蒙特卡羅法 蒙特卡羅方法是以概率和統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的一種計(jì)算方法，最初在上個世紀(jì) 4O 年代由威勒蒙和馮諾伊曼在核武器的研制中首先提出來的，按照應(yīng)用問題的性質(zhì)可分為隨機(jī)性問題和確定性問題兩類 。 其提供三層建模機(jī)制，最底層為 Process模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為 Node模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型 。 其仿真主要針對路由層、傳輸層、陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 39 頁 數(shù)據(jù)鏈路層展開，因此， NS可以進(jìn)行對固定、無線、衛(wèi)星以及混合等多種網(wǎng)絡(luò)的仿真 。 MATLAB的缺點(diǎn)是它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢 。例如：放射性衰變、電子設(shè)備的熱噪音、宇宙射線的觸發(fā)時間等等，實(shí)際應(yīng)用的隨機(jī)數(shù)通常都是通過某些數(shù)學(xué)公式計(jì)算而產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù) 。 在 MATLAB仿真中，通過統(tǒng)計(jì)一個時隙中傳輸節(jié)點(diǎn)有個數(shù)來實(shí)現(xiàn)對信道狀態(tài)的監(jiān)測，若只有一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則傳輸成功，若超過 1個以上的節(jié)點(diǎn)同時發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸，則信道沖突 。 在使用 MALAB完成偽貝葉斯算法的仿真中，依據(jù) t時隙所獲得的信道狀態(tài)信息，修改系統(tǒng)中終仿真測試 。仿真曲線也是重合的，這證明我們的仿真結(jié)果是正確的。 通過對以上兩個仿真結(jié)果圖的分析中，我們可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)上述兩圖要表達(dá)的意思其實(shí)是一樣的吞吐量是傳送成功的數(shù)據(jù)包的個數(shù)。其中 ALOHA 協(xié)議適合應(yīng)用于用戶負(fù)載較低的場合，隨著用戶數(shù)量或發(fā)送信息量的增加，這種完全隨機(jī)接入的協(xié)議將使沖突概率增大，傳輸性能降低。感謝 陜西理工學(xué)院 為我提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)條件，優(yōu)雅的學(xué)習(xí)環(huán)境， 陜西理工學(xué)院 濃厚的學(xué)術(shù)氛圍將使我終身難忘。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 39 頁 致謝： 本課題的研究是在 吳燕 老師的精心指導(dǎo)下完成的，感謝她在我學(xué)習(xí)期間給我的關(guān)心、鼓勵和幫助。無論是在局域網(wǎng)中、還是無線通信網(wǎng)絡(luò)中，接入技術(shù)在解決數(shù)據(jù)沖突和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面都表現(xiàn)出了出色的功能，在實(shí)際應(yīng) 用中，由于業(yè)務(wù)的突發(fā)性與實(shí)時性，還存在一定的問題。 從圖 少于無捕獲效應(yīng)情況下的個數(shù)，因?yàn)橥ㄐ判诺乐挟a(chǎn)生數(shù)據(jù)包碰撞就會產(chǎn)生傳送數(shù)據(jù)包的延遲，有捕獲效應(yīng)時會依然把具有最高傳送功率的數(shù)據(jù)包傳送成功，這樣等待重傳的數(shù)據(jù)包即延遲的數(shù)據(jù)包的數(shù)量就會減少。 利用 MATLAB 編寫程序?qū)r隙 ALOHA 協(xié)議的仿真結(jié)果如圖 。 考慮到系統(tǒng)在一個時隙內(nèi)新到達(dá)的請求數(shù)為 (≤ 0． 368)，給定一個與 N (N ≥ 1)相關(guān)的先驗(yàn)概率 1／ N ，當(dāng)時隙空閑或成功后， N 是一個均值為 N + 1的泊松分布隨機(jī)變量 。 隨機(jī)變量的概率分布反映大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的情況，隨機(jī)數(shù)是一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 。 隨機(jī)數(shù)的生成 時隙 ALOHA 協(xié)議基本假設(shè)是數(shù)據(jù)流的到達(dá) X(t)為泊松過程，所有節(jié)點(diǎn) (包