【文章內(nèi)容簡介】 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。，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。 后一分組 前一分組 t 本分組t 2t 避免碰撞的最小時間間隔若有大量不相關(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 個新消息到達的概率可以表示為泊松分布： K≥0 (24)式中：λ為消息的平均到達率。 將式中的λ用總業(yè)務(wù)到達率代替，K 用0 代替，就表示在一個τ的時間間隔內(nèi)沒有消息到達的概率： (25)因此，在ALOHA 系統(tǒng)中一個消息成功傳輸?shù)母怕蔖s應(yīng)該是相鄰兩內(nèi)沒有消息到故有：Ps=P(0)*P(0)= (26)所以綜上公式，可以得到總業(yè)務(wù)到達率等于接收成功率λ和平均拒收率之和。Ps=λ/ (27) (28)從而進一步得到歸一化吞吐量： (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[11]。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，當仿真不同協(xié)議時，在基本模型的基礎(chǔ)上進行相應(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。終端1包傳輸?shù)竭_ 緩沖區(qū) 接入（Buffer） 協(xié)議包產(chǎn)生終端2到達 緩沖區(qū) 接入（Buffer) 協(xié)議包產(chǎn)生 接入?yún)f(xié)議 緩沖區(qū) （Buffer）終端3：：終端N到達到達 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 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，并按照先進先出的原則進行傳輸。緩沖區(qū)的容量可以是無限的，也可以是有限的。當緩沖區(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?；诶碚摵蛯嶋H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)射機和接收機之間的距離的對數(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，反射體和散射體的變化也會造成接收信號功率的隨機變化。 協(xié)議評價指標 (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 (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 (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，,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 （34） ，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理想特性1實際特性吞吐量1 業(yè)務(wù)量每個終端都假設(shè)相互獨立的隨機產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并且包產(chǎn)生服從Possion 分布，即滿足如下特點：(1)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。(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)包之間服從負指數(shù)分布。 當不同終端發(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，該時間服從負指數(shù)分布，我們可以將這個負指數(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。4 多址接入?yún)f(xié)議仿真 網(wǎng)絡(luò)拓撲模型 本次仿真的基本網(wǎng)絡(luò)拓撲是星形拓撲，在一個圓形仿真區(qū)域的中心配置了一個接入點(AP)，假設(shè)接入點位置坐標為(0，0，h)，其中h 為接入點距離地面的高度，終端則隨機分布在距離原點為r 的圓形平面內(nèi)，同時，把終端的坐標位置都歸一化到整數(shù)點上， 所示。假設(shè)多個終端使用一種隨機接入?yún)f(xié)議接入接入點，每個接入終端具有相同的配置，配置有一個緩沖區(qū)，終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包在被正確傳輸之前存儲在緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包以先入先出的方式進行處理。為簡化分析，這里假設(shè)所有終端的緩沖區(qū)無限大，即不會由于緩沖區(qū)大小限制造成阻塞[13]。 Z 接入點 Y X 終端 ALOHA 的程序流程 協(xié)議仿真的程序流程圖。在仿真時，首先定義信道參數(shù)、接入點信息、終端信息，初始化相關(guān)參數(shù)，然后根據(jù)協(xié)議的工作過程進行仿真。在每次仿真時，首先要根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小進行一些參數(shù)的初始化，然后根終端數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時刻，分別在相應(yīng)的時間點上改變終端狀態(tài)，隨后，判斷是否有多個終端在同時發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則認為數(shù)據(jù)包產(chǎn)生碰撞，根據(jù)是否考慮捕獲效應(yīng)，分別對碰撞的數(shù)據(jù)包進行不同的處理。其中，如果不考慮捕獲效應(yīng)，發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包均認為傳輸失?。蝗绻紤]捕獲效應(yīng)，需要判斷碰撞后的信噪比是否大于捕獲門限，如果大于，則認為該數(shù)據(jù)包仍可以正確接收，否則，按傳輸失敗處理。處理完成后，更新終端狀態(tài)變化的時刻，進行下一輪循環(huán)，直到成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包達到預(yù)先設(shè)定的數(shù)目，仿真停止。最后，對仿真中實際產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量、吞吐量和平均傳輸時延分別進行統(tǒng)計，得到業(yè)務(wù)量與吞吐量的關(guān)系圖以及業(yè)務(wù)量與平均傳輸時延的關(guān)系圖，直觀的反映出協(xié)議的性能。 定義信道參數(shù)、接入點信息、終端信息、初始化相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生固定長度的數(shù)據(jù)包隨機延遲N個時隙在下一個時隙開始時刻發(fā)送數(shù)據(jù)包否否沒有發(fā)生碰撞考慮捕獲效應(yīng)否是是接收的信號功率大于捕獲門限是否發(fā)送成功，更新數(shù)據(jù)包個數(shù)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包達到要求數(shù)目統(tǒng)計吞吐量和平均傳輸時延是 ALOHA協(xié)議仿真流程圖 ALOHA 協(xié)議的仿真結(jié)果及分析 根據(jù)已經(jīng)得出ALOHA 協(xié)議吞吐量S 與業(yè)務(wù)量G之間的理論關(guān)系式為: (41) 在上述關(guān)系式中，當G= 時，最大吞吐量S ?？梢钥闯?，在這種通信方式下,因為存在碰撞，所以信道的利用率是很低的[11]。利用Matlab 編寫程序?qū)LOHA 。 ALOHA協(xié)議的吞吐量與業(yè)務(wù)量關(guān)系 ALOHA協(xié)議的延遲與業(yè)務(wù)量的關(guān)系 ，在無捕獲效應(yīng)時，ALOHA ，ALOHA 協(xié)議吞吐量S 與業(yè)務(wù)量G之間的理論關(guān)系式為: (42) 當G=，最大吞吐量S ，仿真結(jié)果與理論值吻合的很好；在存在捕獲效應(yīng)時。這是因為當不存在捕獲效應(yīng)時，只要數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，則所有的數(shù)據(jù)包都被丟棄，而當存在捕獲效應(yīng)時，要比較數(shù)據(jù)包功率的相對大小，數(shù)據(jù)包功率最大，并且大于接收信號功率門限的數(shù)據(jù)包依然可以正確解調(diào)。在這里數(shù)據(jù)包的功率指的是發(fā)送的數(shù)據(jù)包與成功接收的數(shù)據(jù)包的比值；接收信號功率門限指的是成功接收數(shù)據(jù)包的最大門限值。 ，有捕獲效應(yīng)時的延遲隨業(yè)務(wù)量的增加基本呈線性增加，而無捕獲效應(yīng)的延遲隨業(yè)務(wù)量的增加呈指數(shù)增加。綜合以上結(jié)果可以看ALOHA 協(xié)議在業(yè)務(wù)量較少時，性能較好，而當業(yè)務(wù)量增大時，性能隨業(yè)務(wù)量的增加而迅速惡化。總結(jié) 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)成為一個非常關(guān)鍵的問題。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。因此隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的復(fù)雜與增多，研究信道接入技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征有效地分配信道資源，提高資源的利用率，改善網(wǎng)絡(luò)性能，仍然是通信網(wǎng)絡(luò)研究的重要內(nèi)容。本文首先介紹了多址接入?yún)f(xié)議的研究背景及主要成果，從常用的網(wǎng)絡(luò)參考模型入手，對目前廣泛研究的純ALOHA 協(xié)議進行了詳細闡述具體分析了這協(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(shù)據(jù)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。ALOHA 和CSMA 協(xié)議作為基礎(chǔ)的隨機多址接入?yún)f(xié)議，目前仍廣泛應(yīng)用。其中ALOHA 協(xié)議適合應(yīng)用于用戶負載較低的場合，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。CSMA 協(xié)議在性能上雖然優(yōu)于ALOHA，但是在服務(wù)質(zhì)量保證（尤其是實時業(yè)務(wù)支持）方面仍然難以滿足要求，基于CSMA 的協(xié)議主要應(yīng)用于短距離數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多址接入，比如計算機局域網(wǎng)的互聯(lián)接入等。隨著音頻、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的普及，以及工業(yè)應(yīng)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(wǎng)方面的CSMA/CA 系統(tǒng)，目前人們對無線網(wǎng)絡(luò)的呼聲也越來越高，當然對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求也是越來越苛刻。為適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)接入需要，接下來仍需要對多址接入?yún)f(xié)議進行深入的研究。