【正文】 真的程序流程圖，與純 ALOHA 協(xié)議的 流程圖基本類似， 隨機(jī)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(shí)候，要進(jìn)行時(shí)隙長度的定義，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)刻與數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時(shí)刻也不再相同，要在時(shí)隙開始的時(shí)刻進(jìn)行傳輸，隨機(jī)延遲的時(shí)間也必須是時(shí)隙長度的整倍數(shù)。 在存在周期長短受制于計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)的問題，另外在每個(gè)周期，都需要輪詢所有實(shí)體一次 。 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。 MATLAB軟件是由美國 Mathworks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境 。 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 。 利用 MATLAB 編寫程序?qū)r(shí)隙 ALOHA 協(xié)議的仿真結(jié)果如圖 。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(shí)性，還存在一定的問題。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。 通過對(duì)以上兩個(gè)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(gè)數(shù)。 在使用 MALAB完成偽貝葉斯算法的仿真中，依據(jù) t時(shí)隙所獲得的信道狀態(tài)信息，修改系統(tǒng)中終仿真測(cè)試 。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(shí)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) 。 其仿真主要針對(duì)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(duì)固定、無線、衛(wèi)星以及混合等多種網(wǎng)絡(luò)的仿真 。 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(gè)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 。 每個(gè)周期性驅(qū)動(dòng)調(diào)用，對(duì)系統(tǒng)的所有實(shí)體進(jìn)行一次輪詢調(diào)用 。 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(shí)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?？倶I(yè)務(wù)量 39。當(dāng)有多個(gè)用戶同時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由于信號(hào)的重疊會(huì)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(cuò)誤。 （ 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(shí)間間隔稱為平均傳輸時(shí)延。而且，如果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)服從 Possion分布，兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間的間隔服從負(fù)指數(shù)分布。這種情況稱為堵塞，它與包傳送失敗是不同的。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。 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。 （ 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。效率通常以信道吞吐量和傳輸延遲來衡量。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?，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。 17 結(jié)論 第 1 頁 共 39 頁 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)。 7 業(yè)務(wù)源模型 13 時(shí)隙 ALOHA系統(tǒng)模型 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。具體的多址接入技術(shù)通常用相應(yīng)的協(xié)議來描述。 （ 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。 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。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。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。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)。 (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。平均傳輸時(shí)延依賴于包的長度。這種現(xiàn)象稱為碰撞（ collision）。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。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)? eGGS ?? 分析可知，當(dāng) G= 時(shí)， S 的最大值等于 1/e=。 完發(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 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)、 }。 蒙特卡羅方法求解一個(gè)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(gè)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 。 但它最適用于 TCP層以上的模擬 。 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 。延遲數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)是由于碰撞而沒有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)包。在大學(xué)四年中，我學(xué)到了很多知識(shí)，開闊了視野，感到受益匪淺。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 39 頁 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)鍵的問題?？梢钥闯?，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。 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)來實(shí)現(xiàn)均勻分布隨機(jī)數(shù) 。 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 。 （ 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 。 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 )。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 。因?yàn)槿粼诒痉纸M發(fā)送前 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)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。 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)的泊松過程產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小為一常數(shù)。如果沒有發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包依次傳送到目的地。在理論分析中通常假設(shè)是有限呼叫源模型。 隨機(jī)多地址接入?yún)f(xié)議可以分為兩類：一類是重復(fù)隨機(jī)多地址接入?yún)f(xié)議，如 ALOHA協(xié)議，時(shí)隙ALOHA（ slottedALOHA），載波監(jiān)聽 ALOHA（ CSMA），以及帶有集中控制的 ALOHA（ ISMA）。 CDMA協(xié)議又可以分為純 ALOHA協(xié)議和混合 CDMA協(xié)議。折中的程度取決于使用環(huán)境，以及特定的需求。 （ 5） 協(xié)議應(yīng)該是穩(wěn)定的?，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。為解決時(shí)隙 ALOHA的穩(wěn)定性問題，各種控制算法被提出。 33 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 39 頁 1 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。 14 時(shí)隙 ALOHA馬爾科夫鏈系統(tǒng) 模型 關(guān)鍵字： 時(shí)隙； ALOHA；仿真； MATLAB 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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)”。 10 3 ALOHA協(xié)議的基本原理 14 離散時(shí)間系統(tǒng)模型 14 蒙特卡羅法 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。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)。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。遠(yuǎn)端的用戶要比近端的用戶信號(hào)有更大的衰減。帶保留的隨機(jī)接入又可分為隱式保留和顯式保留。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。緩沖區(qū)的容量可以是無限的，也可以是有限的。 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)間無關(guān)。如果數(shù)據(jù)傳輸速率和每個(gè)數(shù)據(jù)包包含的信息比特?cái)?shù)分別記為 R（ bps）和 T，并且在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為 n，則有 RnTS *? 如果沒有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，或者所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包由于碰撞而被丟棄，則吞吐量變?yōu)樽钚≈?0。發(fā)送的分組具有糾錯(cuò)能力。 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(wù)量為 RbG Nt /? 由于平均吞吐量 39。用戶 1 和用戶 3 在時(shí)隙開始的時(shí)刻發(fā)送信息，兩者完全重疊，要求在下面的某個(gè)時(shí)隙開始的時(shí)刻重發(fā)。 仿真對(duì)象把自己的操作按時(shí)間周期長度劃分為若干操作步驟序列，在每次觸發(fā)時(shí)，執(zhí)行一步操作 。 該事件量級(jí)大致決定了仿真運(yùn)算量，而仿真采用的時(shí)間粒度與仿真運(yùn)算量基本無關(guān) 。 NS 設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是基于網(wǎng)絡(luò)仿真，它集成了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、業(yè)務(wù)類型、路由排隊(duì)管理機(jī)制、路由算法