【正文】 端都假設(shè)相互獨立的隨機產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并且包產(chǎn)生過程服從Possion分布，即滿足如下特點： 獨立性：在互不交疊的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個數(shù)是相互統(tǒng)計獨立的。在有線通信系統(tǒng)中，信道是時不變的，假設(shè)不會發(fā)生傳輸差錯，并且接入點接收到的各個終端的信號功率是相同的。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，首先存儲在緩沖區(qū)中，并按照先進(jìn)先出（FIFO)的原則進(jìn)行傳輸。對第1類協(xié)議來說，傳輸就如前面的敘述，每次傳輸時可能會發(fā)生沖突。集中調(diào)度方式是由一個單獨的實體對傳輸進(jìn)行調(diào)度。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成功。對帶保留的隨機接入?yún)f(xié)議來說，用戶初始接入到信道時采用隨機接入方式，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。對這些協(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：非競爭（調(diào)度）協(xié)議、競爭（隨機接入）協(xié)議，以及CDMA協(xié)議。（2） 遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。對不穩(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。任何一種較好的協(xié)議都應(yīng)該具有一下特點：（1） 能夠使多個用戶共享同一傳輸信道。為滿足節(jié)點用戶之間的通信需要，共享通信資源方式被廣泛采用。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，不同的用戶節(jié)點只能通過公用信道相互聯(lián)系。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)計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，針對發(fā)現(xiàn)的問題提出理論改進(jìn)，然后在仿真平臺上實現(xiàn)改進(jìn)理論，并通過性能比較分析來驗證改進(jìn)效果。在無線移動環(huán)境中，多址接入?yún)f(xié)議面臨如下四點挑戰(zhàn)：隱終端問題，即兩個或多個終端由于高山、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。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計時隙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。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。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。為對算法性能進(jìn)行評估，將所有這些算法應(yīng)用到實際系統(tǒng)中進(jìn)行測試是不現(xiàn)實的，必須通過軟件仿真方式對算法性能進(jìn)行評估和測試。因此，共享通信資源方式被廣泛采用。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。協(xié)議通常都是為了滿足一定的目標(biāo)而設(shè)計的。這意味著當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到均衡時，一個新增的負(fù)荷應(yīng)該使系統(tǒng)達(dá)到一個新的均衡點。即兩個或多個終端由于高山、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)。 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。競爭協(xié)議可以進(jìn)一步分為重復(fù)隨機接入?yún)f(xié)議和帶保留的隨機接入?yún)f(xié)議。 非競爭多址接入?yún)f(xié)議非競爭（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€用戶同時嘗試訪問同一物理信道。它又可以分為集中調(diào)度或分布式調(diào)度。另一類是帶有保留的隨機接入?yún)f(xié)議，如帶保留的ALOHA（rALOHA），包保留的多址接入?yún)f(xié)議（PRMA）等。 仿真系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)模型是數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含一個接入點，以及多個終端。(1)通信信道對無線通信系統(tǒng)和有線通信系統(tǒng)，它們的信道建模是不同的。最常用的模型是對數(shù)正太陰影模型，衰落的標(biāo)準(zhǔn)差一般在6至10dB之間。 無線通信系統(tǒng)：接收到的數(shù)據(jù)包的功率依賴于終端的位置，以及信道條件。（5）吞吐量 吞吐量定義為單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)浇尤朦c的數(shù)據(jù)包的總數(shù)。即數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生滿足如下特點： 獨立性：在互不交疊的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個數(shù)是相互統(tǒng)計獨立的。如果業(yè)務(wù)量大于1，平均傳輸時延將隨著業(yè)務(wù)量的增加而急劇增加，后面的仿真也將驗證這一點。超時模式（timeout mode）：信息發(fā)送后，如果在一個給定的時間內(nèi)沒有收到“確認(rèn)”消息或“否認(rèn)”消息，則用戶重發(fā)該信息。 設(shè)每個數(shù)據(jù)分組長度為b，由用戶送入系統(tǒng)的總業(yè)務(wù)到達(dá)率為每秒Nt個分組，其中成功收率為每秒lN 個分組，發(fā)生碰撞率為每秒Nr個分組，則有 于是可以將系統(tǒng)的吞吐量定義為 將系統(tǒng)的總業(yè)務(wù)量定義為 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 定義歸一化總業(yè)務(wù)量為 由于平均吞吐量不可能大于系統(tǒng)的最大傳輸速率為R，所以歸一化吞吐量S 不可能大于 1，即。系統(tǒng)中的所有戶都必須在時隙的開始時刻發(fā)送信息。重發(fā)再重發(fā) 6 4 1重發(fā) 7 5重發(fā) 2 3 碰撞成功成功碰撞成功 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)動的原理是某個實體需要動作時才觸發(fā)它動作，不需要動作的實體不再觸發(fā)它，這樣可以減少大量的運算資源，或者將同樣的運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)計理論為基礎(chǔ)的一種計算方法，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)可分為隨機性問題和確定性問題兩類。其提供三層建模機制，最底層為Process模型，以狀態(tài)機來描述協(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、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，實際應(yīng)用的隨機數(shù)通常都是通過某些數(shù)學(xué)公式計算而產(chǎn)生的偽隨機數(shù)。在MATLAB仿真中，通過統(tǒng)計一個時隙中傳輸節(jié)點有個數(shù)來實現(xiàn)對信道狀態(tài)的監(jiān)測，若只有一個節(jié)點進(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)其實上述兩圖要表達(dá)的意思其實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。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，在實際應(yīng)用中，由于業(yè)務(wù)的突發(fā)性與實時性，還存在一定的問題。，因為通信信道中產(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 ?？紤]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的泊松分布隨機變量。隨機變量的概率分布反映大量重復(fù)實驗的情況，隨機數(shù)是一次實驗的結(jié)果。 隨機數(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(包括新包生成節(jié)點和重傳包節(jié)點)以概率p傳輸數(shù)據(jù)，以1P進(jìn)入下一時隙。MATLAB軟件是由美國Mathworks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)環(huán)境。NS是一個由UC Berkeley開發(fā)的用于仿真各種IP網(wǎng)絡(luò)為主的優(yōu)秀仿真軟件。4 MATLAB仿真軟件的介紹現(xiàn)今用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真的軟件主要有OPNET、Ns一2和MATLAB。因此事件驅(qū)動法所需的計算量為：事件量*每事件計算量。在存在周期長短受制于計算機及操作系統(tǒng)的問題，另外在每個周期，都需要輪詢所有實體一次。 離散時間系統(tǒng)模型計算機仿真一個系統(tǒng)時通常采用的是離散時間仿真算法，即將系統(tǒng)時間離散成一系列的時間點，在各個離散時間點上將系統(tǒng)的所有活動實體的動作推進(jìn)到下一個離散時間點。 時隙ALOHA的程序流程圖 是時隙ALOHA 協(xié)議仿真的程序流程圖，與純ALOHA 協(xié)議的流程圖基本類似， 隨機多址接入?yún)f(xié)議的仿真流程圖基本類似，所不同的是在初始化相關(guān)參數(shù)的時候，要進(jìn)行時隙長度的定義，數(shù)據(jù)包傳輸時刻與數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時刻也不再相同，要在時隙開始的時刻進(jìn)行傳輸，隨機延遲的時間也必須是時隙長度的整倍數(shù)。與純ALOHA 相比，系統(tǒng)能有所改進(jìn)。換句話說，成功發(fā)送一個分組的條件是在相鄰兩個t 秒的時間間隔內(nèi)沒有其他的消息到達(dá)。同理，其他用戶也按照此過程工作。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數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。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。（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的平均時間間隔稱為平均傳輸時延。在實際的通信系統(tǒng)中，接入點決定終端發(fā)送的的數(shù)據(jù)包是否成功，并將結(jié)果反饋給終端。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。路徑損耗與陰影衰落分別建模如下：終端1包傳輸?shù)竭_(dá) 緩沖區(qū) 接入（Buffer） 協(xié)議包產(chǎn)生終端2到達(dá) 緩沖區(qū) 接入（Buffer) 協(xié)議包產(chǎn)生 緩沖區(qū)接入?yún)f(xié)議 （Buffer）終端3：：終端N到達(dá)到達(dá) 緩沖區(qū) 接入（Buffer） 協(xié)議包產(chǎn)生 緩沖區(qū) 接入（Buffer） 協(xié)議通信信道包產(chǎn)生 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與終端之間的距離增加而單調(diào)下降，稱為路徑損耗。這種情況稱為堵塞，它與包傳送失敗是不同的。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。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。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重疊。CDMA協(xié)議即不屬于非競爭協(xié)議也不屬于競爭協(xié)議。調(diào)度可分為固定分配方式和按需分配方式。（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。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。效率通常以信道吞吐量和傳輸延遲來衡量。隨機多址接入的主要思想是多個用戶共用通信信道，他們隨機占用信道發(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。多址接入技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一部分，它的實現(xiàn)方法將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、時延特點、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。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，而且其作圖功能強大易于調(diào)試跟蹤。現(xiàn)今，GSM系統(tǒng)，衛(wèi)星通信，無線局域網(wǎng)絡(luò)的試驗網(wǎng)絡(luò)及基于無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的試驗網(wǎng)絡(luò)中均采用時隙ALOHA協(xié)議作為媒體接入控制協(xié)議以實現(xiàn)對信道的共享接入方式。測試的方法一般有兩種：一種是在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行測試，即實驗；另一種是在計算機仿真環(huán)境下測試。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 con