【文章內(nèi)容簡介】 于其他用戶是否要傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確信息。當(dāng)多個準(zhǔn)備傳輸?shù)挠脩敉瑫r開始傳輸時，所有的傳輸多半都會失敗。 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，時隙ALOHA（ slottedALOHA），載波監(jiān)聽 ALOHA（ CSMA），以及帶有集中控制的 ALOHA（ ISMA）。另一類是帶有保留的隨機(jī)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。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。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(dāng)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(jīng)過調(diào)度以有序的方式進(jìn)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。而如果該用戶在一段時間內(nèi)，沒有傳送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將收回分配給它的那部分信道資源。 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。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 [9]。 ALOHA 的基本原理 ALOHA 系統(tǒng)的協(xié)議非常簡單，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)時可以隨時發(fā)送。發(fā)送的分組具有糾錯能力。 收聽模式（ listening mode）：在發(fā)送后，該用戶收聽來自接收端的 “確認(rèn) ”（ ACK）消息。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。這種現(xiàn)象稱為碰撞（ collision）。此時，發(fā)送端將收到接收端發(fā)回的 “否認(rèn) ”（ NAK）消息。 重發(fā)模式（ retransmission mode）：當(dāng)發(fā)送端收到一個 “否認(rèn) ”消息后，將會等待一段隨機(jī)時間后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，以免再次發(fā)生沖突。 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。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 41 頁 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。當(dāng)然，這樣很可能會產(chǎn)生沖突從而造成發(fā)送失敗。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)的過程中進(jìn)行沖突檢測，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。同理，其他用戶也按照此過程工作。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。三用戶共享同一信道進(jìn)行信息傳輸 的 ALOHA 協(xié)議的工作過程如圖 所示 。 重發(fā) 用戶 1 1 5 t 重發(fā) 重發(fā) 2 3 6 用戶 2 t 重發(fā) 用戶 3 4 7 t 信道 t 碰撞 碰撞 成功 成功 成功 圖 ALOHA 協(xié)議工作原理 下面我們對純 ALOHA 系統(tǒng)的性能作一簡單分析。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 Rt 個分組，其中成功接收率為每秒 R 個分組，發(fā)生碰撞率為每秒 Rr 個分組，則有 Rt=R+Rr(pkt/s (21) 于是，可以將系統(tǒng)的吞吐量定義為 S’=bR(b/s) (22) 將系統(tǒng)的總業(yè)務(wù)量定義為 G’=bRt(b/s) (23) 由于平均吞吐量 S 39。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 0 ≤p ≤1?？倶I(yè)務(wù)量 G39。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。 由圖 可以 看出，為了避免碰撞，一個分組至少需要 2t 的空閑時間。因為若在本分組發(fā)送前 t 秒內(nèi)有另一個用戶在發(fā)送，則會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，則會和后一分組的前部發(fā)生碰撞。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)。 t 圖 避免碰撞的最小時間間隔 本分組 后一分組 前一分組 t 2t 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 41 頁 若有大量不相關(guān)的用戶向一個通信系統(tǒng)發(fā)送消息，則此通信系統(tǒng)中消息到達(dá)的統(tǒng)計特性通常用泊松 (Poisson)分布表示。這就是說，在 τ秒時間間隔內(nèi)有 K 個新 消息到達(dá)的概率可以表示為泊松分布： λτ*K )λτ()( ?? ekP k！ K≥0 (24) 式中： λ為消息的平均到達(dá)率。 將式中的 λ用總業(yè)務(wù)到達(dá)率τλ代替， K 用 0 代替，就表示在一個 τ的時間間隔內(nèi)沒有消息到達(dá)的概率： ττ τλτλτ *!0 )τλ()0( ?? ?? eeP k (25) 因此，在 ALOHA 系統(tǒng)中一個消息成功傳輸?shù)母怕?Ps 應(yīng)該是相鄰兩內(nèi)沒有消 息 到故有： Ps=P(0)*P(0)= ττλ2?e (26) 所以綜上公式，可以得到總業(yè)務(wù)到達(dá)率 τλ 等于接收成功率 λ和平均拒收率 τλ 之和。 Ps=λ/ τλ (27) ττλ2τλλ ?? e (28) 從而進(jìn)一步得到歸一化吞吐量： GGeS 2?? (29) 上 式就是我們要求的 ALOHA 系統(tǒng)中歸一化吞吐量和歸一化總業(yè)務(wù)量 G 的關(guān)系。分析可知，隨著 G 增大， S 也逐漸增大，直至某一點后由于碰撞大量增加而開始下降。 S 的最大值等于 l/2e=，它發(fā)生在 G = 時，即純 ALOHA 系統(tǒng)的信道容容量利用率只有 18%。為了提高信道利用率，人們不斷對它加以改進(jìn) [11]。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 41 頁 3 多址接入?yún)f(xié)議 建模 多址接入?yún)f(xié)議仿真模型 實際系統(tǒng)中的協(xié)議實現(xiàn)比較復(fù)雜，而 系統(tǒng) 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(yīng)的協(xié)議仿真模型。對不同協(xié)議來說，其基本結(jié)構(gòu)相差不大，因此，可以建立一個統(tǒng)一的基本仿真模型，當(dāng)仿真不同協(xié)議時，在基本模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的修改就可以。 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。其關(guān)系如圖 所示。 圖 數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng) 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)先出的原則進(jìn)行傳輸。緩沖區(qū)的容量可以是無限的，也可以是有限的。當(dāng)緩沖區(qū)容量有限時，在數(shù)據(jù)包充滿緩沖區(qū)后，新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包將會被丟掉。這種情況被稱為阻塞，它與包傳送失敗是不同的。傳送失敗是指緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包沒有成功傳輸?shù)浇尤朦c。另外，如果終端數(shù)是無限的，則稱為無限呼叫源模型，而終端數(shù)有限的情況下則稱為有限呼叫源模型。在理論分析中通常假設(shè)是有限呼叫源模型 [9]。 通信信道模型 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一樣的。 (1)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 ，并且接入點收到的各個終端的信號功率是相同的。這是用來評估接入?yún)f(xié)議最基本的假設(shè)。 (2)在無線通信系統(tǒng)中，信道是時變的。在本文的仿真中，主要考慮接入點與終端之間的距離造成的路徑損耗，以及由于建筑物與其他障礙物的遮擋造成的陰影衰落。路徑損耗與陰影衰落分別建包產(chǎn)生 包產(chǎn)生 包產(chǎn)生 包產(chǎn)生 緩沖區(qū) 接入 （ Buffer） 協(xié)議 緩沖區(qū) 接入 （ Buffer) 協(xié)議 緩沖區(qū) 接入 （ Buffer） 協(xié)議 緩沖區(qū) 接入 （ Buffer） 協(xié)議 到達(dá) 到達(dá) 到達(dá) 到達(dá) 接入?yún)f(xié)議 緩沖區(qū) （ Buffer） 終端 1 終端 2 終端 3 終端 N ： ： 包傳輸 通信信道 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 41 頁 模如下： ① 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。基于理論和實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 Pr(dBm)=Pt(dBm)+10nlgd/d0 (31) ② 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(jī)變化，從而造成給定距離處接收信號功率的隨機(jī)變化，反射體和散射體的變化也會造成接收信號功率的隨機(jī)變化。 協(xié)議評價指標(biāo) (1)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量 單位時間內(nèi)新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包和重傳的數(shù)據(jù)包之和定義為產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量，通過數(shù)據(jù)速率歸一化的業(yè)務(wù)量記為 G。如果數(shù)據(jù)傳輸速率為Ｒ（ bps） ,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特數(shù) Tt,則有 RTrG? (32) 如果數(shù)據(jù)包為 0，則 G=0. (2)吞吐量 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)。用數(shù)據(jù)傳輸速率歸一化的吞吐量記為 S。如果數(shù)據(jù)傳輸速率和每個數(shù)據(jù)包包含的信息比特數(shù)人別記為 R(bps)和 T，并且在單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個數(shù)為 n,則有 RnTS ?? (33) 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≈? ,在所有的單位時間內(nèi) ,如果所有的包都被正確傳輸 ,吞吐量為 1。 (3)平均傳輸時延 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。平均傳輸時延依賴于包的長度。因此，通過數(shù)據(jù)包的長度進(jìn)行歸一化，可以得到歸一化后的平均時延 D。 評估協(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。對一個理想的協(xié)議來說，吞吐量與業(yè)務(wù)量之間的關(guān)系為 ? 1, 1 ≥ ,1 ?? GGGS （ 34） 如圖 所示，在業(yè)務(wù)量較少的情況下，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。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 業(yè)務(wù)量 圖 吞吐量與業(yè)務(wù)量之間的關(guān)系 1 吞吐量 1 理想特性 實際特性 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 41 頁 每個終端都假設(shè)相互獨(dú)立的隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并且包 產(chǎn)生服從 Possion 分布，即滿足如下特點： (1)獨(dú)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(dú)立的。 (2)平穩(wěn)性：在一段時間間隔內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的個數(shù)僅與該段時間間隔有關(guān)而與該段時間間隔的起始時間無關(guān)。 (3)稀疏性 。在非常小的時間間隔內(nèi)，產(chǎn)生兩個及兩個以上數(shù)據(jù)包的概率非常小，可以忽略。而且，如果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包服從 Possion 分布，兩個數(shù)據(jù)包之間服