【文章內(nèi)容簡介】 撞考慮捕獲效應否否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 時隙ALOHA協(xié)議仿真的程序流程圖 時隙ALOHA系統(tǒng)模型 時隙ALOHA馬爾科夫鏈系統(tǒng)模型假設系統(tǒng)由一個中心基站和N個終端節(jié)點組成，系統(tǒng)共享一個信道，各終端節(jié)點通基站進行數(shù)據(jù)通信，信道訪問采用時隙ALOHA協(xié)議?；矩撠煂π诺赖母偁幥闆r進行監(jiān)測并通知終端節(jié)點采用相同的概率重傳阻塞數(shù)據(jù)包，各終端只有一個緩沖區(qū)，只有當阻塞數(shù)據(jù)包傳輸結束后才生成新的數(shù)據(jù)包，新包的到達為一參數(shù)為y 的泊松過程。再假定每個節(jié)點的請求分組的長度小于一個時隙能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長度。當分組發(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進入下一時隙，依次類推。一個時隙的分組包括新到節(jié)點和重傳節(jié)點分組兩部分，再假定重傳的時延等待足夠隨機化。該系統(tǒng)可以近似認為重傳分組的到達過程和新到達過程之和為一到達率為G(Gy)的泊松過程，時隙ALOHA的行為可以采用離散馬爾可夫鏈來進行描述，其中狀態(tài)值S={0，1，...，N，}；設k∈S為在每個時隙開始時刻等待重傳的終端數(shù)，每個終端以固定的概率P 在后續(xù)的時隙中重傳分組直到成功為止。剩余N一矗個終端數(shù)能夠生成新分組，各終端有新分組到達并傳輸?shù)母怕蕿樵诮o定n的條件下，令為k個等待重傳的終端中有i個終端在當前時隙傳輸?shù)母怕剩瑸橛蠳—k終端中有i個終端在當前時隙傳輸?shù)母怕?，則 為計算方便，令，則系統(tǒng)的吞吐量 對上式求導并令其等于0可得到G=1系統(tǒng)獲得最大吞吐量。 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到下一個離散時間點。離散時間仿真算法分為周期驅動法和事件驅動法兩種，周期驅動法是用周期性方式觸發(fā)仿真對象。仿真對象把自己的操作按時間周期長度劃分為若干操作步驟序列，在每次觸發(fā)時，執(zhí)行一步操作。通過周期性觸發(fā)，完成自己的操作序列。每個周期性驅動調(diào)用，對系統(tǒng)的所有實體進行一次輪詢調(diào)用。完成一次輪詢后的運行效果是所有實體并發(fā)地執(zhí)行了一步操作，其中事件S（t）={s1(nT),s2(nT)、}。T)，周期驅動法的特點是所有實體在每個觸發(fā)點上同步地執(zhí)行了一步操作。因此，如果周期越短，越能凸顯出各個實體在時間上的差別(即仿真的時間精度越高)。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。周期越短，單位時間內(nèi)輪詢的次數(shù)越多，所需的運算量越大，要求計算機運算速度越高。運算量大小為O（N*（1/T))，T))，其中O(．)觸發(fā)每個實體操作的運算量，N 為實體數(shù)目。運算量與實體數(shù)成正比，與每秒周期數(shù)成正比。采用事件驅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。從周期驅動法的仿真算法可以看出，實體有大量的觸發(fā)沒有執(zhí)行任何動作，這是可節(jié)約運算資源的來源。掌握實體何時需要動作而去觸發(fā)它的關鍵點就是“事件”。每個實體的動作都由事件來觸發(fā)它，沒有事件觸發(fā)的實體不會產(chǎn)生動作。因此事件驅動法所需的計算量為：事件量*每事件計算量。在信道仿真中，信道的速率、MAC算法等基本上確定了信道上單位時間內(nèi)出現(xiàn)信號傳輸?shù)氖录?shù)目的量級。該事件量級大致決定了仿真運算量，而仿真采用的時間粒度與仿真運算量基本無關。事件驅動法由事件產(chǎn)生、事件管理、事件處理三部分組成。 蒙特卡羅法蒙特卡羅方法是以概率和統(tǒng)計理論為基礎的一種計算方法，最初在上個世紀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，按照應用問題的性質可分為隨機性問題和確定性問題兩類。蒙特卡羅方法求解一個實際問題的基本環(huán)節(jié)包括：（1） 根據(jù)問題內(nèi)容和特點確定一個隨機變量或過程，使其數(shù)學期望正好等于所要求的值G，其中為的概率密度函數(shù)，這一步常稱為構造模擬的概率模型，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，應該選擇具有高計算效率的模型；（2） )給出概率模型中隨機變量的抽樣方法。（3） 按給定的概率模型與抽樣方法，在計算機上進行模擬隨即實驗，產(chǎn)生樣本，求出適當?shù)慕y(tǒng)計量，得到解的近似或估計。 （4）依據(jù)離散時間仿真算法原理，由仿真軟件平臺對預先生成概率模型進行計算機仿真。4 MATLAB仿真軟件的介紹現(xiàn)今用于網(wǎng)絡協(xié)議仿真的軟件主要有OPNET、Ns一2和MATLAB。OPNET產(chǎn)品主要面向專業(yè)人士，幫助客戶進行網(wǎng)絡結構、設備和應用的設計、建設、分析和管理。OPNET Modeler工具為技術人員(工程師)提供一個網(wǎng)絡技術和產(chǎn)品開發(fā)平臺?？梢詭椭麄冊O計和分析網(wǎng)絡、網(wǎng)絡設備和通信協(xié)議。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，由相應的協(xié)議模型構成，反映設備特性；最上層為網(wǎng)絡模型。三層模型和實際的網(wǎng)絡、設備、協(xié)議層次完全對應，全面反映了網(wǎng)絡的相關特性；采用離散事件驅動的模擬機理(discrete event driven)，與時間驅動相比，計算效率得到很大提高。采用混合建模機制，把基于包的分析方法和基于統(tǒng)計的數(shù)學建模方法結合起來，既可得到非常細節(jié)的模擬結果，也大大提高了仿真效率。OPNET的缺點是價錢昂貴以及學習的進入障礙很高，通過專門培訓而達到較為熟練程度至少需一個多月的時間。NS是一個由UC Berkeley開發(fā)的用于仿真各種IP網(wǎng)絡為主的優(yōu)秀仿真軟件。該軟件的開發(fā)最初是針對基于UNIX系統(tǒng)下網(wǎng)絡設計和仿真而進行的。NS設計的出發(fā)點是基于網(wǎng)絡仿真，它集成了多種網(wǎng)絡協(xié)議、業(yè)務類型、路由排隊管理機制、路由算法。此外，NS還集成了組播業(yè)務和應用于局域網(wǎng)仿真有關的部分、MAC層協(xié)議。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可以進行對固定、無線、衛(wèi)星以及混合等多種網(wǎng)絡的仿真。但它最適用于TCP層以上的模擬。NS的特點是源代碼公開；可擴展性強；速度和效率優(yōu)勢明顯。與0lP 相比，NS一2是自由軟件，免費，這是與0PM相比最大的優(yōu)勢，因此它的普及度較高，是OPNET強有力的競爭對手。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計算系統(tǒng)環(huán)境。MTALAB具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。利用它既可以進行小規(guī)模端程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。MATLAB還提供了豐富的數(shù)學函數(shù)庫，其集數(shù)值計算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境。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。MATLAB仿真的優(yōu)勢是調(diào)試方便，且作圖功能強大，數(shù)學函數(shù)庫豐富，容易實現(xiàn)離散時間的處理，對修改算法提供很大的便利。因此，實現(xiàn)ALOHA協(xié)議在MATLAB上人仿真，具有很大實用價值。 時隙ALOHA協(xié)議在MATLAB中的實現(xiàn)利用MATLAB編程實現(xiàn)對時隙ALoHA 進行仿真中，其主要包括：(1)隨機數(shù)的產(chǎn)生；(2)信道狀態(tài)的判斷；(3)控制算法的應用。 隨機數(shù)的生成時隙ALOHA 協(xié)議基本假設是數(shù)據(jù)流的到達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進入下一時隙。為保證信道最大利用率，1/N，其中N 為系統(tǒng)的活動節(jié)點數(shù)。利用蒙特卡羅法原理，由機器產(chǎn)生一個[0，1]之間均勻分布的隨機數(shù)，判斷該隨機數(shù)是否小于P，滿足則執(zhí)行相應的事件。真正的隨機數(shù)只能用某些隨機物理過程來產(chǎn)生。例如：放射性衰變、電子設備的熱噪音、宇宙射線的觸發(fā)時間等等，實際應用的隨機數(shù)通常都是通過某些數(shù)學公式計算而產(chǎn)生的偽隨機數(shù)。這樣的偽隨機數(shù)從數(shù)學意義上講已經(jīng)一點不是隨機的了。但是，只要偽隨機數(shù)能夠通過隨機數(shù)的一系列的統(tǒng)計檢驗，就可以把它當作真隨機數(shù)而放心地使用。在時隙ALOHA協(xié)議的仿真中需要使用到兩個隨機數(shù)：一個是節(jié)點的新包到達率為指數(shù)分布的隨機數(shù)，在MATLAB中可以使用exprnd函數(shù)來實現(xiàn)；二是[0，1)均勻分布隨機數(shù)，在MATLAB中提供了unifrnd函數(shù)來實現(xiàn)均勻分布隨機數(shù)。隨機變量的概率分布反映大量重復實驗的情況，隨機數(shù)是一次實驗的結果。不定性現(xiàn)象在大量重復觀察或試驗下，它的結果卻呈現(xiàn)出固有規(guī)律性。因此在仿真過程必須經(jīng)過多次重復實驗才能獲得系統(tǒng)的真正性能，實際仿真是通過上萬次的重復試驗，求其平均值才來表達隨機事件。 信道狀態(tài)的判斷在時隙ALOHA協(xié)議中，終端需要在每個時隙結束時通過應答方式來獲得信道的狀態(tài)(成功，沖突還是空閑)，并確定自己是否進行了成功傳輸，若發(fā)生沖突，則需要重傳發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)包直到成功。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。 為貝葉斯調(diào)整算法實現(xiàn)設第t個時隙N 個終端中有i個終端進行數(shù)據(jù)傳輸，每個終端以概率P，1／N進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，時隙空閑的概率exp(1)。在第t個時隙空閑情況時，系統(tǒng)中還有i個終端等待發(fā)送為均值等于N1的泊松分布。當在時隙t中成功傳輸一個請求分組時，系統(tǒng)中等待傳輸?shù)姆纸M數(shù)i是一個均值為N1的泊松分布隨機變量。考慮到系統(tǒng)在一個時隙內(nèi)新到達的請求數(shù)為 (≤0．368)，給定一個與N (N ≥1)相關的先驗概率 1／N ，當時隙空閑或成功后，N 是一個均值為N + 1的泊松分布隨機變量。若發(fā)生沖突，N?可近似為一個均值為N + +1／(e2)的泊松分布隨機變量。因此可根據(jù)當前時隙的狀態(tài)進行下一時隙發(fā)送概率的調(diào)整，算法實現(xiàn)步驟如下：（1） 在時隙t，每個終端以概率 發(fā)送數(shù)據(jù)分組。（2） t+1時隙需發(fā)送數(shù)據(jù)包的終端數(shù)用下式進行估計： ，Sucess or idle , collision (3) t+1時隙隙各終端以的概率發(fā)送請求分組。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。MATLAB可以很好實現(xiàn)對時隙ALO—HA控制算法的仿真測試。根據(jù)理論公式的推導，已經(jīng)得出時隙ALOHA 協(xié)議吞吐量S與業(yè)務量之間的理論關系式為 在上述關系式中，當G= 時。可以看出，在這種通信方式下，因為碰撞的幾率減小，所以信道的利用率有所提高。利用MATLAB 編寫程序對時隙ALOHA 。 時隙ALOHA協(xié)議信道吞吐量與業(yè)務量的關系 時隙ALOHA協(xié)議延遲與業(yè)務量的關系 可以看出，時隙ALOHA 協(xié)議的吞吐量和延遲性能都要優(yōu)于純ALOHA 協(xié)議。其中，存在捕獲效應時，時隙ALOHA ，無捕獲響應時，時隙ALOHA 的實際最大吞吐量與理論值十分接近。仿真曲線也是重合的，這證明我們的仿真結果是正確的。從圖中可以看出在產(chǎn)生的業(yè)務量相同的情況下有捕獲效應的仿真曲線明顯高于無捕獲效應的仿真曲線即有捕獲效應下的吞吐量高于無捕獲效應下的吞吐量，這一點也是符合理論結果的。因為在有捕獲效應的情況下當通信信道中的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生碰撞時，具有最大傳輸功率的數(shù)據(jù)包依然可以被捕獲從而傳送成功，而無捕獲效應的情況下當通信信道的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生碰撞時，所有碰撞的數(shù)據(jù)包將會全部被丟棄等待重新傳送。所以從仿真圖中也剛好的證明了這一點。，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。而無捕獲效應的情況下所有發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包都會被丟棄等待重傳從而全部都延遲。所以有捕獲效應下的數(shù)據(jù)包延遲個數(shù)要明顯少于無捕獲效應下的數(shù)據(jù)包延遲個數(shù)。我們的仿真結果也證實是這一點。通過對以上兩個仿真結果圖的分析中，我們可以發(fā)現(xiàn)其實上述兩圖要表達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)。延遲數(shù)據(jù)包的個數(shù)是由于碰撞而沒有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)包。在有捕獲效應的情況下，吞吐量升高，那數(shù)據(jù)包延遲個數(shù)就會下降，反之一樣。結論現(xiàn)代通信網(wǎng)絡的復雜和頻譜資源的緊缺，使如何分配信道的接入權成為一個非常關鍵的問題。無論是在局域網(wǎng)中、還是無線通信網(wǎng)絡中，接入技術在解決數(shù)據(jù)沖突和提高網(wǎng)絡吞吐量等方面都表現(xiàn)出了出色的功能，在實際應用中，由于業(yè)務的突發(fā)性與實時性，還存在一定的問題。因此隨著網(wǎng)絡業(yè)務的復雜與增多，研究信道接入技術，根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務特征有效地分配信道資源，提高資源的利用率，改善網(wǎng)絡性能，仍然是通信網(wǎng)絡研究的重要內(nèi)容。本文首先介紹了隨機多址接入?yún)f(xié)議的研究背景及主要成果，從常用的網(wǎng)絡參考模型入手，對目前廣泛研究的純ALOHA 協(xié)議、時隙ALOHA 協(xié)議、非持續(xù)性CSMA 協(xié)議進行了詳細闡述，具體分析了這三種協(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)議作為基礎的隨機多址接入?yún)f(xié)議，目前仍廣泛應用。其中ALOHA 協(xié)議適合應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，但是在服務質量保證（尤其是實時業(yè)務支持）方面仍然難以滿足要求，基于CSMA 的協(xié)議主要應用于短距離數(shù)據(jù)業(yè)務的多址接入，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)務的普及，以及工業(yè)應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