時(shí)隙ALOHA協(xié)議仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)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 ）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)。給出了MATLAB仿真平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)時(shí)隙ALOHA 控制算法的流程圖，編寫了MATLAB代碼對(duì)時(shí)隙AL0HA的偽貝葉控制算法性能進(jìn)行協(xié)議性能測(cè)試及仿真結(jié)果表示。關(guān)鍵字：時(shí)

2、隙；ALOHA；仿真；MATLABSimulation of slotted ALOHA protocolPanPengfei“(Grade11,Class03,Major Electronic Information Engineering,Institute of physics and Telecommunications Dept.,Shaanxi University of Technology Hanzhong ,Shaanxi)”。Tutor:WuYanAbstract:Slotted ALOHA is used in a wireless communication syste

3、m,slot ALOHA use various control algorithm to ensure the system stability,in the comparison of three kinds of commonly used network simulation model based on,analyzes the slotted ALOHA simulation results and application in communication system performance advantages.Gives the MATLAB simulation platf

4、orm to achieve slotted ALOHA control algorithm flow chart.Write the matlab code for the time slot ALOHA pseudo Bei leaf control algorithm performance protocol performance testing and simulation results.Key words:Slot; ALOHA;Simulation;MATLABTOC o 1-3 h u 031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。在此

5、條件下，更應(yīng)當(dāng)關(guān)注協(xié)議的穩(wěn)定性和魯棒性。在無線移動(dòng)環(huán)境中，多址接入?yún)f(xié)議面臨如下四點(diǎn)挑戰(zhàn)：隱終端問題，即兩個(gè)或多個(gè)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(hào)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。對(duì)于一種協(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，因此，只能在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行折中處理，折中的程度取決于使用環(huán)境，以及特定的需求。設(shè)計(jì)開發(fā)新的協(xié)議或?qū)σ延袇f(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，都需要對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。測(cè)試的方法一般有兩種：一種是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，即實(shí)驗(yàn)

6、；另一種是在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下測(cè)試。在實(shí)際環(huán)境下測(cè)試能夠得到相對(duì)真實(shí)的數(shù)據(jù)，但由于現(xiàn)代通信與信息系統(tǒng)往往規(guī)模很大，系統(tǒng)很復(fù)雜，構(gòu)造高度相似的物理模型經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)成本都很高，因而進(jìn)行對(duì)大規(guī)模的測(cè)試幾乎是不可能的，而且其測(cè)試結(jié)果也往往難于重現(xiàn)。目前，計(jì)算機(jī)仿真的方法在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究中得到了廣的應(yīng)用，因?yàn)槠渚哂泻芎玫目煽刂菩浴⒖芍噩F(xiàn)性、可擴(kuò)展性。利用比較成熟的計(jì)算機(jī)仿真軟件，可以近乎真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以在各個(gè)層次上模擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效果。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。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出理論改進(jìn)，然后在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)理論，并通過性能比較

7、分析來驗(yàn)證改進(jìn)效果。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。ALOHA作為一種通用的MAC協(xié)議廣泛應(yīng)用于多個(gè)用戶終端競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)媒質(zhì)的情況?，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。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。當(dāng)輸入的載荷超過信道容量后，隨輸入流量的增加沖突也隨之增加，重復(fù)發(fā)生的碰撞將浪費(fèi)部分系統(tǒng)的寬帶，從而使系統(tǒng)吞吐量隨著生成載荷流的增加而迅速下降

8、。為解決時(shí)隙ALOHA的穩(wěn)定性問題，各種控制算法被提出。為對(duì)算法性能進(jìn)行評(píng)估，將所有這些算法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的，必須通過軟件仿真方式對(duì)算法性能進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。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(jì)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(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。由于仿真不是基于數(shù)學(xué)計(jì)算，而是基于統(tǒng)計(jì)模型，因此統(tǒng)計(jì)復(fù)用的隨機(jī)性被精確地再現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）全新的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)理使其具有在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到高可信度結(jié)果的特點(diǎn)；（2）網(wǎng)絡(luò)仿真的預(yù)測(cè)功能是其他任何方法都無法比擬的；（3）適用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和擴(kuò)容，也可以用

9、于新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，而且特別適用于中大型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；（4）初期應(yīng)用成本不高，而且建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，后期投資還會(huì)不斷下降?，F(xiàn)今對(duì)MAC協(xié)議算法的仿真主要使用OPNET和NS-2來完成，但NS-2安裝調(diào)試非常麻煩，而OPNET是一種商業(yè)軟件，價(jià)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(qiáng)大易于調(diào)試跟蹤。通過MATLAB的離散時(shí)間仿真原理實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙ALOHA的仿真，并通過仿真程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)偽貝葉算法控制算法性能進(jìn)行測(cè)試。2 多地址接入?yún)f(xié)議發(fā)展?fàn)顩r多址接入技術(shù)通常是指網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)（或用戶終端）共享通信信道資源實(shí)現(xiàn)連接訪問的技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng)

10、，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，所能使用的通信資源也越來越緊缺。因此，共享通信資源方式被廣泛采用。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，不同的用戶節(jié)點(diǎn)只能通過公用信道相互聯(lián)系。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)。多址接入技術(shù)也被稱為媒體接入技術(shù)或信道接入技術(shù)，這是因?yàn)榻尤牖蛟L問網(wǎng)絡(luò)的過程實(shí)際上表現(xiàn)為占用網(wǎng)絡(luò)中的傳輸信道的過程。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。具體的多址接入技術(shù)通常用相應(yīng)的協(xié)議來描述。從通信系統(tǒng)的體系結(jié)

11、構(gòu)來看，多址接入?yún)f(xié)議主要是數(shù)據(jù)鏈路層需要研究的問題，多址協(xié)議的優(yōu)劣對(duì)各種通信業(yè)務(wù)的支持，以及物理信道的使用效率都有重要的影響。現(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。隨著網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng)，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。為滿足節(jié)點(diǎn)用戶之間的通信需要，共享通信資源方式被廣泛采用。當(dāng)通信資源提供給多個(gè)用戶共同使用時(shí)，需要多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)。隨機(jī)多址接入技術(shù)是一種采用競(jìng)爭(zhēng)的接入方式，和固定分配多址接入的目的一樣，都是如何最大限度的減少數(shù)據(jù)的沖突，提高系統(tǒng)吞吐量和信道的利用率。隨機(jī)多址接入的主要思想是多個(gè)用戶共用通信

12、信道，他們隨機(jī)占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生碰撞，則等待一段時(shí)間后重發(fā)，直至發(fā)送成功或超時(shí)丟棄。本文多地址接入ALOHA協(xié)議主要研究的純ALOHA 協(xié)議、時(shí)隙ALOHA 協(xié)議、非堅(jiān)持型CSMA 協(xié)議。2.1 多地址接入?yún)f(xié)議概述在多地址接入?yún)f(xié)議中，多個(gè)用戶共享同一物理信道，例如，在蜂窩無線通信系統(tǒng)中，信道被所有入網(wǎng)的用戶共享。對(duì)無線通信來說，一個(gè)重要的目標(biāo)就是有效的利用信道資源，多址接入?yún)f(xié)議性能對(duì)此有很大影響。協(xié)議通常都是為了滿足一定的目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。任何一種較好的協(xié)議都應(yīng)該具有一下特點(diǎn)：能夠使多個(gè)用戶共享同一傳輸信道。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。協(xié)議能

13、夠以高效的方式分配傳輸信道。效率通常以信道吞吐量和傳輸延遲來衡量。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。協(xié)議在處理不同的業(yè)務(wù)（如語音和數(shù)據(jù)）時(shí)應(yīng)該具有一定靈活性。協(xié)議應(yīng)該是穩(wěn)定的。這意味著當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到均衡時(shí)，一個(gè)新增的負(fù)荷應(yīng)該使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的均衡點(diǎn)。對(duì)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。協(xié)議應(yīng)該具有魯棒性（Robust）。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)設(shè)備故障或條件改變時(shí)，不會(huì)引起協(xié)議的崩潰。當(dāng)用戶操作不當(dāng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中其他用戶的影響應(yīng)當(dāng)盡可能的少。隨著無線通信的不斷普及，無線移動(dòng)環(huán)境下的多

14、址接入?yún)f(xié)議引起人們更多的關(guān)注。在此條件下，應(yīng)當(dāng)更關(guān)注協(xié)議的穩(wěn)定性和魯棒性。在無線移動(dòng)環(huán)境中，多址接入?yún)f(xié)議面臨如下挑戰(zhàn)：隱終端問題。即兩個(gè)或多個(gè)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)。遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。遠(yuǎn)端的用戶要比近端的用戶信號(hào)有更大的衰減。無線信道中的多經(jīng)衰弱和陰影衰落效應(yīng)。由于相鄰小區(qū)公用同一頻率而導(dǎo)致的共道干擾問題。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。為此，只能在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行折中處理。折中的程度取決于使用環(huán)境，以及特定的需求。2.2 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

15、。對(duì)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(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）協(xié)議、競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)接入）協(xié)議，以及CDMA協(xié)議。如圖1-1所示。多址接入?yún)f(xié)議競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)接入）協(xié)議非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）協(xié)議 重復(fù)隨機(jī)接入 帶保留隨機(jī)接入按需分配固定分配CDMA混合CDMA DS/FH、TDMA/CDMA純CDMADS、FH、TH隱式顯式 ALOHAS-ALOHA令牌環(huán) 傳遞FDMATDMA圖2.2多址接入?yún)f(xié)議分類非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）協(xié)議通過調(diào)度要傳輸數(shù)據(jù)的用戶來避免兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶同時(shí)接入信道。調(diào)度可分為固定分配方式和按需分配方式。在固定分配方式下，每個(gè)用戶都會(huì)被分配給一定的傳輸容量，而按需分配則只有在用戶

16、有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)才分配信道。在競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)接入）協(xié)議中，一個(gè)用戶并不能保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與其他的用戶不發(fā)生碰撞，因?yàn)橛锌赡苡袃蓚€(gè)或兩個(gè)以上的用戶同時(shí)請(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，協(xié)議需要對(duì)它們進(jìn)行處理。競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議可以進(jìn)一步分為重復(fù)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議和帶保留的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。對(duì)帶保留的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議來說，用戶初始接入到信道時(shí)采用隨機(jī)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。帶保留的隨機(jī)接入又可分為隱式保留和顯式保留。顯示保留協(xié)議在調(diào)度時(shí)使用短的保留數(shù)據(jù)包來請(qǐng)求傳輸，而隱式保留協(xié)議則不需要任何保留數(shù)據(jù)包。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。實(shí)際上，它屬于

17、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。但是，當(dāng)同時(shí)傳輸?shù)挠脩魯?shù)增加到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。CDMA協(xié)議又可以分為純ALOHA協(xié)議和混合CDMA協(xié)議。2.2.1 非競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議非競(jìng)爭(zhēng)（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€(gè)用戶同時(shí)嘗試訪問同一物理信道。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(huì)成功。調(diào)度可以分為兩種類型：固定分配調(diào)度：采用這種方式的協(xié)議把信道容量在所有的用戶之間進(jìn)行平分，而不管用戶是否要有數(shù)據(jù)傳輸。分配可以按照時(shí)間或頻率來進(jìn)行。在時(shí)分多址的情況下，傳輸時(shí)間分成多個(gè)幀，每個(gè)用戶分配每幀中的固定時(shí)間片，并與其他用戶分配的時(shí)間片之間互補(bǔ)重疊。頻

18、分多址則把信道帶寬分成互補(bǔ)重疊的頻帶，每個(gè)用戶分配給一個(gè)固定的頻帶。按需調(diào)度：只有當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)要傳輸（激活）時(shí)才分配資源。激活的用戶按調(diào)度的順序依次進(jìn)行傳輸。它又可以分為集中調(diào)度或分布式調(diào)度。集中調(diào)度方式是由一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體對(duì)傳輸進(jìn)行調(diào)度。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。2.2.2 競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)）多址接入?yún)f(xié)議不存在傳輸?shù)恼{(diào)度。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。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。當(dāng)多個(gè)準(zhǔn)備傳輸?shù)挠脩敉瑫r(shí)開始傳輸時(shí)，所有的傳輸多半都會(huì)失敗。隨機(jī)

19、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（slotted-ALOHA），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（r-ALOHA），包保留的多址接入?yún)f(xié)議（PRMA）等。對(duì)第1類協(xié)議來說，傳輸就如前面的敘述，每次傳輸時(shí)可能會(huì)發(fā)生沖突。而對(duì)第2類協(xié)議來說，用戶只能在第1次傳輸時(shí)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

20、源，這樣就不會(huì)與其他用戶發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。而如果該用戶在一段時(shí)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(shí)，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(dòng)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。2.3 多址接入?yún)f(xié)議仿真模型實(shí)際系統(tǒng)中的協(xié)議實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，而目的是使用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(duì)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(gè)統(tǒng)一的基本仿真模型，當(dāng)仿真不同協(xié)議時(shí)，在基本模型的基礎(chǔ)

21、上進(jìn)行相應(yīng)的修改就可以。2.3.1 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(gè)接入點(diǎn)，以及多個(gè)終端。其關(guān)系如圖2.3.1所示在仿真系統(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(chǔ)在緩沖區(qū)中，并按照先進(jìn)先出（FIFO)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(shí)，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(huì)被丟掉。這種情況稱為堵塞，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)包沒有成功傳送到接入點(diǎn)。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。(1

22、)通信信道對(duì)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。在有線通信系統(tǒng)中，信道是時(shí)不變的，假設(shè)不會(huì)發(fā)生傳輸差錯(cuò)，并且接入點(diǎn)接收到的各個(gè)終端的信號(hào)功率是相同的。這是用來評(píng)估接入?yún)f(xié)議最基本的假設(shè)。在無線通信系統(tǒng)中，信道是時(shí)變的，在仿真中，主要考慮接入點(diǎn)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：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（Buff

23、er） 協(xié)議通信信道包產(chǎn)生圖2.3.1 數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)路徑損耗：接收到的信號(hào)功率隨著接入點(diǎn)與終端之間的距離增加而單調(diào)下降，稱為路徑損耗?；诶碚撆c實(shí)際測(cè)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(duì)數(shù)成反比，即 式中，n為路徑衰落指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速度，它的值一般在2至5之間；d0為近地參考距離，由測(cè)試決定；d為發(fā)射天線與接收天線距離。陰影衰落：信號(hào)在無線信道傳播過程中遇到的障礙物會(huì)使信號(hào)發(fā)生隨機(jī)變化，從而造成給定距離處接收信號(hào)功率的隨機(jī)變化，反射體與散射體的變化也會(huì)造成接收信號(hào)功率的隨機(jī)變化。因此，需要建立一個(gè)模型來描述這些因素造成

24、的信號(hào)隨機(jī)衰減。最常用的模型是對(duì)數(shù)正太陰影模型，衰落的標(biāo)準(zhǔn)差一般在6至10dB之間。(2)包產(chǎn)生 每個(gè)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)生過程服從Possion分布，即滿足如下特點(diǎn)： 獨(dú)立性：在互不交疊的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)是相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。 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)。 稀疏性：在非常小的時(shí)間間隔內(nèi)，產(chǎn)生兩個(gè)及兩個(gè)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。(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1-3所示。數(shù)據(jù)

25、包部分碰撞整個(gè)包碰撞無碰撞在有線和無線通信系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包分別作如下處理： 有線通信系統(tǒng)：所有碰撞的包都被丟棄，數(shù)據(jù)包作為發(fā)送失敗處理，因?yàn)樗袛?shù)據(jù)包的信號(hào)強(qiáng)弱都是一樣的。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。 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。因此，即使個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，具有最大接收功率的數(shù)據(jù)包也可能被正確接收。一般把這種情況稱為捕獲效應(yīng)。另外，即使沒有發(fā)生碰撞，傳輸?shù)陌部赡馨l(fā)生錯(cuò)誤，因?yàn)榻尤朦c(diǎn)接收到的信號(hào)功率有可能小于解調(diào)所要求的最小功率，這在信道條件較差的情況下經(jīng)常發(fā)生。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，接入點(diǎn)決定終端發(fā)送的的數(shù)據(jù)包是否成功，并將結(jié)

26、果反饋給終端。在數(shù)據(jù)包傳輸發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間間隔后，將會(huì)被再次傳送到接入點(diǎn)。（4） 產(chǎn)生的業(yè) 務(wù)量 在本文中，單位時(shí)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，通過傳輸數(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?cái)?shù)為Tr，則有 如果數(shù)據(jù)包為0，則G為0。（5）吞吐量 吞吐量定義為單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)浇尤朦c(diǎn)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(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 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

27、量變?yōu)樽钚≈?。此外，在所有的單位時(shí)間內(nèi)，如果所有的包都被正確傳輸，吞吐量為1。（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。平均傳輸時(shí)延依賴于包的長(zhǎng)度。因此，通過數(shù)據(jù)的包長(zhǎng)度進(jìn)行歸一化，可以得到歸一化后的平均傳輸時(shí)延D。2.3.2業(yè)務(wù)源模型 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)。即數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生滿足如下特點(diǎn)： 獨(dú)立性：在互不交疊的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)是相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。 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)。

28、 稀疏性：在非常小的時(shí)間間隔內(nèi)，產(chǎn)生兩個(gè)及兩個(gè)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)包個(gè)數(shù)服從泊松分布，兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布。當(dāng)不同終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞時(shí)，在重傳之前要隨機(jī)退避一段時(shí)間，該時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，我們可以將這個(gè)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。2.3.3 協(xié)議評(píng)價(jià)指標(biāo) 評(píng)價(jià)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(shí)延D。對(duì)一個(gè)理想的協(xié)議來說，吞吐量與業(yè)務(wù)量之間的關(guān)系為S=G,G=1如圖2.3.9所示，在業(yè)務(wù)量較小的情況下，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，

29、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(shí)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(yàn)證這一點(diǎn)。理想特性1實(shí)際特性吞吐量1 業(yè)務(wù)量 圖2.3.9 吞吐量與業(yè)務(wù)量之間的關(guān)系3 ALOHA協(xié)議的基本原理 ALOHA 系統(tǒng)的協(xié)議非常簡(jiǎn)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(shí)可以隨時(shí)發(fā)送。發(fā)送的分組具有糾錯(cuò)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(gè)用戶同時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由于信號(hào)的重疊會(huì)造成接收方收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。這種現(xiàn)象稱為碰撞（collision）。此時(shí)，

30、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(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。超時(shí)模式（timeout mode）：信息發(fā)送后，如果在一個(gè)給定的時(shí)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。純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(huì)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(cè)，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

31、發(fā)送方知道數(shù)據(jù)幀遭到破壞，即檢測(cè)到?jīng)_突，就等待一段隨機(jī)長(zhǎng)的時(shí)間后重發(fā)該幀。三用戶共享同一信道進(jìn)行信息傳輸?shù)募傾LOHA 協(xié)議的工作過程如圖3 所示。重發(fā)用戶1 5 1再重發(fā)重發(fā)t 3 2 6用戶2t重發(fā) 4用戶3 7t信道成功成功成功碰撞碰撞t圖3 純ALOHA協(xié)議的工作原理 下面我們對(duì)純ALOHA 系統(tǒng)的性能作一簡(jiǎn)單分析。 設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)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(gè)分組，其中成功收率為每秒N 個(gè)分組，發(fā)生碰撞率為每秒Nr個(gè)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

32、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?？倶I(yè)務(wù)量取決于用戶的需求，它可能很大，所以歸一化總業(yè)務(wù)量G 可以大于1。這樣，一個(gè)分組的最小傳輸時(shí)間 由上式可以得到 由圖3 可以看出，為了避免碰撞，一個(gè)分組至少需要2t 的空閑時(shí)間。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。換句話說，成功發(fā)送一個(gè)分組的條件是在相鄰兩個(gè)t 秒的時(shí)間間隔內(nèi)沒有其他的消息到達(dá)。 t 前一分組 后一分組 本分組t 2t圖3 避免碰撞的最小時(shí)間間隔3.1 時(shí)隙ALOHA的基本原理

33、 在時(shí)隙ALOHA 系統(tǒng)中，信道時(shí)間分成許多時(shí)隙。數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間T精確的等于時(shí)隙度。也就是說，數(shù)據(jù)包必須是定長(zhǎng)的，且不得大于時(shí)隙多址接入?yún)f(xié)議17寬度。系統(tǒng)中的所有戶都必須在時(shí)隙的開始時(shí)刻發(fā)送信息。主時(shí)鐘的同步信息要向所有用戶廣播，以使網(wǎng)內(nèi)所有用戶都與主時(shí)鐘同步。只要在一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，或一個(gè)時(shí)隙中，無兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)包到這信道，就可成功發(fā)射。這是一種降低碰撞的有效措施。與純ALOHA 相比，系統(tǒng)能有所改進(jìn)。下面結(jié)合圖3.1，以三個(gè)用戶為例說明時(shí)隙ALOHA 協(xié)議的工作過程。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)。結(jié)果用戶3 重發(fā)成功，而

34、用戶1 又和用戶2 新發(fā)送的數(shù)據(jù)包重疊，用戶1 第二次重發(fā)成功，用戶2 一次重發(fā)成功。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圖3.1 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。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)?分析可知，當(dāng)G=1.0 時(shí)，S 的最大值等于1/e=0.368?？梢?，時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)的最大吞吐量比純ALOHA 系統(tǒng)提高了一倍。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。3.2 時(shí)

35、隙ALOHA的程序流程圖圖3.2 是時(shí)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(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(zhǎng)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(zhǎng)度的整倍數(shù)。定義信道參數(shù)、接入點(diǎn)信息、終端信息、初始化相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包隨機(jī)延遲N個(gè)時(shí)隙在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)包否否是沒有發(fā)生碰撞考慮捕獲效應(yīng)否否是接收的信號(hào)功率大于捕獲門限是否發(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)延是圖3.2 時(shí)隙ALOH

36、A協(xié)議仿真的程序流程圖3.3 時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)模型3.3.1 時(shí)隙ALOHA馬爾科夫鏈系統(tǒng)模型假設(shè)系統(tǒng)由一個(gè)中心基站和N個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)共享一個(gè)信道，各終端節(jié)點(diǎn)通基站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，信道訪問采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議?；矩?fù)責(zé)對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通知終端節(jié)點(diǎn)采用相同的概率重傳阻塞數(shù)據(jù)包，各終端只有一個(gè)緩沖區(qū)，只有當(dāng)阻塞數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束后才生成新的數(shù)據(jù)包，新包的到達(dá)為一參數(shù)為y 的泊松過程。再假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求分組的長(zhǎng)度小于一個(gè)時(shí)隙能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長(zhǎng)度。當(dāng)分組發(fā)生碰撞時(shí)，需要重傳的分組數(shù)據(jù)在下一時(shí)時(shí)隙以概率P選擇發(fā)送，以1一P進(jìn)入下一時(shí)隙，依次類推。一個(gè)時(shí)隙的分組包括新到節(jié)點(diǎn)和重傳節(jié)點(diǎn)分組

37、兩部分，再假定重傳的時(shí)延等待足夠隨機(jī)化。該系統(tǒng)可以近似認(rèn)為重傳分組的到達(dá)過程和新到達(dá)過程之和為一到達(dá)率為G(Gy)的泊松過程，時(shí)隙ALOHA的行為可以采用離散馬爾可夫鏈來進(jìn)行描述，其中狀態(tài)值S=0，1，.，N，；設(shè)kS為在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻等待重傳的終端數(shù)，每個(gè)終端以固定的概率P 在后續(xù)的時(shí)隙中重傳分組直到成功為止。剩余N一矗個(gè)終端數(shù)能夠生成新分組，各終端有新分組到達(dá)并傳輸?shù)母怕蕿樵诮o定n的條件下，令為k個(gè)等待重傳的終端中有i個(gè)終端在當(dāng)前時(shí)隙傳輸?shù)母怕?，為有Nk終端中有i個(gè)終端在當(dāng)前時(shí)隙傳輸?shù)母怕剩瑒t 為計(jì)算方便，令，則系統(tǒng)的吞吐量 對(duì)上式求導(dǎo)并令其等于0可得到G=1系統(tǒng)獲得最大吞吐量。3.3.

38、2 離散時(shí)間系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)仿真一個(gè)系統(tǒng)時(shí)通常采用的是離散時(shí)間仿真算法，即將系統(tǒng)時(shí)間離散成一系列的時(shí)間點(diǎn)，在各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)上將系統(tǒng)的所有活動(dòng)實(shí)體的動(dòng)作推進(jìn)到下一個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)。離散時(shí)間仿真算法分為周期驅(qū)動(dòng)法和事件驅(qū)動(dòng)法兩種，周期驅(qū)動(dòng)法是用周期性方式觸發(fā)仿真對(duì)象。仿真對(duì)象把自己的操作按時(shí)間周期長(zhǎng)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。通過周期性觸發(fā)，完成自己的操作序列。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。完成一次輪詢后的運(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)、。T)，周期驅(qū)動(dòng)法的特點(diǎn)是所有實(shí)體在每個(gè)觸發(fā)點(diǎn)上同步地執(zhí)行了一步

39、操作。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)。在存在周期長(zhǎng)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。周期越短，單位時(shí)間內(nèi)輪詢的次數(shù)越多，所需的運(yùn)算量越大，要求計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度越高。運(yùn)算量大小為O（N*（1/T)，T)，其中O()觸發(fā)每個(gè)實(shí)體操作的運(yùn)算量，N 為實(shí)體數(shù)目。運(yùn)算量與實(shí)體數(shù)成正比，與每秒周期數(shù)成正比。采用事件驅(qū)動(dòng)的原理是某個(gè)實(shí)體需要?jiǎng)幼鲿r(shí)才觸發(fā)它動(dòng)作，不需要?jiǎng)幼鞯膶?shí)體不再觸發(fā)它，這樣可以減少大量的運(yùn)算資源，或者將同樣的運(yùn)算資源用在更小的時(shí)間粒度上。從周期驅(qū)動(dòng)法的仿真算法可以看出，實(shí)體有大量的觸發(fā)沒有執(zhí)行任何動(dòng)作，這是可

40、節(jié)約運(yùn)算資源的來源。掌握實(shí)體何時(shí)需要?jiǎng)幼鞫ビ|發(fā)它的關(guān)鍵點(diǎn)就是“事件”。每個(gè)實(shí)體的動(dòng)作都由事件來觸發(fā)它，沒有事件觸發(fā)的實(shí)體不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作。因此事件驅(qū)動(dòng)法所需的計(jì)算量為：事件量*每事件計(jì)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(shí)間內(nèi)出現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)氖录?shù)目的量級(jí)。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)。事件驅(qū)動(dòng)法由事件產(chǎn)生、事件管理、事件處理三部分組成。3.3.3 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

41、兩類。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：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，使其數(shù)學(xué)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(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；)給出概率模型中隨機(jī)變量的抽樣方法。按給定的概率模型與抽樣方法，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬隨即實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生樣本，求出適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)量，得到解的近似或估計(jì)。 （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。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。OPNET產(chǎn)品

42、主要面向?qū)I(yè)人士，幫助客戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計(jì)、建設(shè)、分析和管理。OPNET Modeler工具為技術(shù)人員(工程師)提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)?？梢詭椭麄?cè)O(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信協(xié)議。其提供三層建模機(jī)制，最底層為Process模型，以狀態(tài)機(jī)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。三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性；采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理(discrete event driven)，與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相比，計(jì)算效率得到很大提高。采用混合建模機(jī)制，把基于包的分析方法和基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)建模方法結(jié)合起來

43、，既可得到非常細(xì)節(jié)的模擬結(jié)果，也大大提高了仿真效率。OPNET的缺點(diǎn)是價(jià)錢昂貴以及學(xué)習(xí)的進(jìn)入障礙很高，通過專門培訓(xùn)而達(dá)到較為熟練程度至少需一個(gè)多月的時(shí)間。NS是一個(gè)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。該軟件的開發(fā)最初是針對(duì)基于UNIX系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和仿真而進(jìn)行的。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。此外，NS還集成了組播業(yè)務(wù)和應(yīng)用于局域網(wǎng)仿真有關(guān)的部分、MAC層協(xié)議。其仿真主要針對(duì)路由層、傳輸層、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。但它最適用于TCP層以上的模擬。

44、NS的特點(diǎn)是源代碼公開；可擴(kuò)展性強(qiáng)；速度和效率優(yōu)勢(shì)明顯。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。MATLAB軟件是由美國(guó)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。MTALAB具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模端程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。MATLAB還提供了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫，其集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境。MATLAB的缺點(diǎn)是它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。

45、MATLAB仿真的優(yōu)勢(shì)是調(diào)試方便，且作圖功能強(qiáng)大，數(shù)學(xué)函數(shù)庫豐富，容易實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間的處理，對(duì)修改算法提供很大的便利。因此，實(shí)現(xiàn)ALOHA協(xié)議在MATLAB上人仿真，具有很大實(shí)用價(jià)值。4.1 時(shí)隙ALOHA協(xié)議在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙ALoHA 進(jìn)行仿真中，其主要包括：(1)隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生；(2)信道狀態(tài)的判斷；(3)控制算法的應(yīng)用。4.1.1 隨機(jī)數(shù)的生成時(shí)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(diǎn)(包括新包生成節(jié)點(diǎn)和重傳包節(jié)點(diǎn))以概率p傳輸數(shù)據(jù)，以1-P進(jìn)入下一時(shí)隙。為保證信道最大利用率，-1/N，其中N 為系統(tǒng)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。利用蒙特卡羅法

46、原理，由機(jī)器產(chǎn)生一個(gè)0，1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，判斷該隨機(jī)數(shù)是否小于P，滿足則執(zhí)行相應(yīng)的事件。真正的隨機(jī)數(shù)只能用某些隨機(jī)物理過程來產(chǎn)生。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)。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。但是，只要偽隨機(jī)數(shù)能夠通過隨機(jī)數(shù)的一系列的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，就可以把它當(dāng)作真隨機(jī)數(shù)而放心地使用。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

47、函數(shù)來實(shí)現(xiàn)均勻分布隨機(jī)數(shù)。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。不定性現(xiàn)象在大量重復(fù)觀察或試驗(yàn)下，它的結(jié)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(fù)實(shí)驗(yàn)才能獲得系統(tǒng)的真正性能，實(shí)際仿真是通過上萬次的重復(fù)試驗(yàn)，求其平均值才來表達(dá)隨機(jī)事件。4.1.2 信道狀態(tài)的判斷在時(shí)隙ALOHA協(xié)議中，終端需要在每個(gè)時(shí)隙結(jié)束時(shí)通過應(yīng)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(jìn)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(jì)一個(gè)時(shí)隙中傳輸節(jié)點(diǎn)有個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信道狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，若只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則傳輸成功，若超過

48、1個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸，則信道沖突。4.1.3 為貝葉斯調(diào)整算法實(shí)現(xiàn)設(shè)第t個(gè)時(shí)隙N 個(gè)終端中有i個(gè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)終端以概率P，-1N進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，時(shí)隙空閑的概率exp(-1)。在第t個(gè)時(shí)隙空閑情況時(shí)，系統(tǒng)中還有i個(gè)終端等待發(fā)送為均值等于N-1的泊松分布。當(dāng)在時(shí)隙t中成功傳輸一個(gè)請(qǐng)求分組時(shí)，系統(tǒng)中等待傳輸?shù)姆纸M數(shù)i是一個(gè)均值為N-1的泊松分布隨機(jī)變量?？紤]到系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)新到達(dá)的請(qǐng)求數(shù)為 (0368)，給定一個(gè)與N (N 1)相關(guān)的先驗(yàn)概率 -1N ，當(dāng)時(shí)隙空閑或成功后，N 是一個(gè)均值為N + -1的泊松分布隨機(jī)變量。若發(fā)生沖突，N可近似為一個(gè)均值為N + +1(e-2)的泊

49、松分布隨機(jī)變量。因此可根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的狀態(tài)進(jìn)行下一時(shí)隙發(fā)送概率的調(diào)整，算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：在時(shí)隙t，每個(gè)終端以概率 發(fā)送數(shù)據(jù)分組。t+1時(shí)隙需發(fā)送數(shù)據(jù)包的終端數(shù)用下式進(jìn)行估計(jì)： ，Sucess or idle , collision (3) t+1時(shí)隙隙各終端以的概率發(fā)送請(qǐng)求分組。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。MATLAB可以很好實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙ALOHA控制算法的仿真測(cè)試。4.2時(shí)隙ALOHA協(xié)議仿真結(jié)果分析根據(jù)理論公式的推導(dǎo)，已經(jīng)得出時(shí)隙ALOHA 協(xié)議吞吐量S與業(yè)務(wù)量之間的理論關(guān)系式為 在上述關(guān)系式中，當(dāng)G=1.0 時(shí)，最大吞吐量S

50、為0.368?？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。利用MATLAB 編寫程序?qū)r(shí)隙ALOHA 協(xié)議的仿真結(jié)果如圖4.2.1和圖4.2.2所示。圖4.2.1 時(shí)隙ALOHA協(xié)議信道吞吐量與業(yè)務(wù)量的關(guān)系圖4.2.2 時(shí)隙ALOHA協(xié)議延遲與業(yè)務(wù)量的關(guān)系從圖4.2.1 和圖4.2.2 可以看出，時(shí)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(yīng)時(shí)，時(shí)隙ALOHA 的實(shí)際最大吞吐量可以達(dá)到0.45，無捕獲響應(yīng)時(shí)，時(shí)隙ALOHA 的實(shí)際最大吞吐量與理論值十分接近，約為0.37。首先我們從圖4.2.1中可以看出在無捕獲效應(yīng)的情況下系統(tǒng)

51、業(yè)務(wù)量與吞吐量的關(guān)系的理論值與仿真結(jié)果是一樣的。仿真曲線也是重合的，這證明我們的仿真結(jié)果是正確的。從圖中可以看出在產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量相同的情況下有捕獲效應(yīng)的仿真曲線明顯高于無捕獲效應(yīng)的仿真曲線即有捕獲效應(yīng)下的吞吐量高于無捕獲效應(yīng)下的吞吐量，這一點(diǎn)也是符合理論結(jié)果的。因?yàn)樵谟胁东@效應(yīng)的情況下當(dāng)通信信道中的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生碰撞時(shí)，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(yīng)的情況下當(dāng)通信信道的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生碰撞時(shí)，所有碰撞的數(shù)據(jù)包將會(huì)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(diǎn)。從圖4.2.2中我們也可以看出仿真結(jié)果中有捕獲效應(yīng)的情況下傳送數(shù)據(jù)包的延遲個(gè)數(shù)要明顯少于無捕獲效應(yīng)情況

52、下的個(gè)數(shù)，因?yàn)橥ㄐ判诺乐挟a(chǎn)生數(shù)據(jù)包碰撞就會(huì)產(chǎn)生傳送數(shù)據(jù)包的延遲，有捕獲效應(yīng)時(shí)會(huì)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(huì)減少。而無捕獲效應(yīng)的情況下所有發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包都會(huì)被丟棄等待重傳從而全部都延遲。所以有捕獲效應(yīng)下的數(shù)據(jù)包延遲個(gè)數(shù)要明顯少于無捕獲效應(yīng)下的數(shù)據(jù)包延遲個(gè)數(shù)。我們的仿真結(jié)果也證實(shí)是這一點(diǎn)。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)。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。在有捕獲效應(yīng)的情況下，吞吐量升高，那數(shù)據(jù)包延遲個(gè)數(shù)就會(huì)下降，反之一樣。結(jié)論現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜

53、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。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。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。本文首先介紹了隨機(jī)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(duì)目前廣泛研究的純ALOHA 協(xié)議、時(shí)隙ALOHA 協(xié)議、非持續(xù)性CSMA 協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)

54、延等性能指標(biāo)，然后基于Matlab 平臺(tái)進(jìn)行建模仿真，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，進(jìn)而比較得出不同類型的多址系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jī)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(fù)載較低的場(chǎng)合，隨著用戶數(shù)量或發(fā)送信息量的增加，這種完全隨機(jī)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(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)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

55、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(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的呼聲也越來越高，當(dāng)然對(duì)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(duì)多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行深入的研究。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(lì)和幫助。從論文的選題到最后的定稿，吳老師都給予了我悉心的指導(dǎo)，并給了我一個(gè)學(xué)習(xí)與提高的機(jī)會(huì)，使我的畢業(yè)論文能順利的完成。吳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)、刻苦專研的科研精神和兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度都給我留下了深刻的印象，將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在此，本人對(duì)

56、導(dǎo)師表示深深的敬意和最誠摯的感謝。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。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。感謝物理與電信工程學(xué)院及里通信學(xué)院的老師們的指導(dǎo)和幫助！最后，感謝我的父母和家人，他們殷切的期望是我不斷進(jìn)取的動(dòng)力，他們?cè)诟鞣矫娑冀o予了我最無私的幫助和支持，同時(shí)，也感謝所有關(guān)心和幫助過我的同學(xué)和朋友們！參考文獻(xiàn)1Klessig.R W.Overview of Metropolitan Area Networks.IEEECommunication Magazine.1986.9-15.2徐洋,朱近康.無

57、線通信中的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議研究.通信技術(shù).安徽:合肥出版社,2008.72-74.3范謙,李式巨.無線局域網(wǎng)MAC 接入性能分析.無線電工程.2003.12-15.4劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink 通信系統(tǒng)建模與仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2011.318-343.5王申濤,楊浩,周熙.幾種隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的仿真性能比較分析.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化.2006.101-104.6聶景楠.多址通信及其接入控制技術(shù).北京:人民郵電出版社,2006.37-48.7佘明輝,趙東風(fēng).基于隨機(jī)多址協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量分析.吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2010.13-19.8王秉鈞.ALOHA 協(xié)議的性能分析.天津通信技術(shù).199

58、4.11-14.9錢華林.Non-persistent CSMA 協(xié)議的容量.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),1984.194-200.10張婷.基于OPNET 的多址接入控制技術(shù)研究.重慶:重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.1-22.附錄A：RESEARCH OF CELLULAR WIRELESS COMMUNATION SYSTEMAbstract Cellular communication systems allow a large number of mobile users to seamlessly and simultaneously communicate to wireless modems

59、at fixed base stations using a limited amount of radio frequency (RF) spectrum. The RF transmissions received at the base stations from each mobile are translated to bandsmen, or to a waveband microwave link, and relayed to mobile switching centers (MSC), which connect the mobile transmissions with

60、the Public Switched Telephone Network (PSTN). Similarly, communications from the PSTN are sent to the base station, where they are transmitted to the mobile. Cellular systems employ either frequency division multiple access (FDMA), time division multiple access (TDMA), code division multiple access