多址接入CSMA协议仿真

1、陕西理工学院毕业设计 摘要为满足节点用户之间的通信需要，共享通信资源方式被广泛采用。当通信资源提供给多个户共同使用时，需要多址接入协议进行调度和协调。随机多址接入技术是一种采用竞争的接入方式,和固定分配多址接入的目的一样，都是如何最大限度的减少数据的冲突，提高系统吞吐量和信道的利用率。随机多址接入的主要思想是多个用户共用通信信道，他们随机占用信道发送数据，一旦发生碰撞，则等待一段时间后重发，直至发送成功或超时丢弃。本文首先介绍了随机多址接入协议的研究背景及其工作原理，对目前广泛研究的纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议进行了概述，对非坚持型CSMA协议进行了详细阐述，这也是本文研究的主要课题，

2、分析了系统吞吐量、平均传输时延等性能指标。然后根据协议的工作过程，基于Matlab平台，构建仿真系统模型和具体的程序流程图，对npcsma进行建模仿真，对所得数据进行分析，得出系统吞吐量与业务量的关系以及延迟与业务量的关系。关键字：随机多址接入协议；ALOHA；np-CSMA；仿真；性能分析Abstract  To satisfy the communication between nodes, sharing resources is a common metho

3、d, and the multiple access protocol is to solve how the links can serve all the users with sharing resources efficiently and fairly. Random access technique, one kin

4、d of contention-type access protocols, solves how to reduce information collision, increase system throughput and channel utilization, like fixed access technique. The main idea of

5、 Random Multiple Access is that plurality of users share a communication channel and occupant it randomly, in the event of collision, they retransmit after waiting a 

6、;while or discard after timeout.This paper firstly introduces the research background of the random multiple access protocol and its working principle. The pure ALOHA protocol and slotted ALOHA protoc

7、ol are summarized . The npcsma protocol is described in detail. This is the main research subject of this paper . This paper analyzes the system throughput、average transmission delay and other performance indicators.After that, according to the working process of&#

8、160;the protocol, based on Matlab platform, we construct model of the simulation system and the program flow chart . The simulation of npcsma is carried out, and the relationship between throughput and traffic

9、volume is obtained. Keywords: Random multiple access protocol; ALOHA; np-CSMA; Simulation; Performance analysis . 1绪论1.1课题背景网络发展早期，通信基本上是以点到点或者网状的方式进行的，通过专门线路把每一个设备和其他设备连接起来从而实现通信。然而，当今网络业务迅速增长，网络结构日益复杂化，网络所能使用的通信资源也越来越紧缺。而且，节点用户之间需要交换信息，一个设备可以使用的物理连

10、接的数量又是有限的，全部使用点到点的连接是不现实的。因此，共享通信资源的方式被广泛应用到网络架构中。共享方式有利于提高资源的使用效率，同时在用户之间保持高度的可连接性。多个设备之间共享传输媒介，需要有某种接入控制技术来保证正常通信，于是多址接入技术应运而生。在网络接入领域中，当两个或多个用户共享信道传输数据时，信息就会叠加，目的端就不能接收到正确的数据，发送端必须重新传输，直到被成功接收或超时丢弃。数据的再次传输造成了时间和信道资源的严重浪费，所以需要不断完善和发展多址接入技术，以提高网络性能。 在多址接入协议中，多个用户共享同一物理信道，例如，在蜂窝无线通信系统中，信道被所有入网的

11、用户共享。对无线通信来说，一个重要的目标就是有效地利用信道资源，多址接入协议的性能对此有很大影响。协议通常都是为了满足一定的目标而设计的。任何一种较好的协议都应该具有以下特点：第一，协议应该能够使多个用户共享同一传输信道，为此，协议必须要求用户按照一定的规则发出请求，协议控制分配给用户的信道容量。第二，协议能够以高效的方式分配传输信道，效率通常是以信道的吞吐量和传输时延来衡量的。第三，对每个用户来说，分配应该是公平的，即在不考虑具有优先权的用户的情况下，每个用户从平均意义上来说应该分配到相同的信道容量。第四，协议在处理不同的业务时，应该具有一定的灵活性。第五，协议应该是稳定的。这意味着当系统达

12、到均衡时，一个新增的负荷应该使系统达到一个新的均衡点。对于不稳定的协议来说，新增的负荷将迫使系统迁移到更高的负荷状态，并且降低系统吞吐量。最后，协议应该具有鲁棒性。也就是说，当系统出现设备故障或条件改变时，不会引起协议的崩溃。当用户 操作不当时，对系统中其他用户的影响应当尽可能的小。 随着无线通信的不断普及，无线移动环境中的多址接入协议正在引起人们更多地关注。在此条件下，更应当关注协议的稳定性和鲁棒性。在无线移动环境中，多址接入协议面临如下四点挑战：隐终端问题，即两个或多个终端由于高山、建筑物等的遮挡而不在彼此的通信范围内，但却在同一基站的通信范围内；远近效应问题，远端的用

13、户要比近端的用户信号有更大的衰落；无线信道中的多径效应和阴影衰落问题；由于相邻小区共用同一频率而导致的共道干扰问题。 对于一种协议来说，同时处理好上述问题是比较困难的，甚至是相互冲突的，因此，只能在设计时进行折中处理，折中的程度取决于使用环境，以及特定的需求。 设计开发新的协议或对已有协议进行改进，都需要对其性能进行测试和评价。测试的方法一般有两种：一种是在实际网络环境中进行测试，即实验；另一种是在计算机仿真环境下测试。在实际环境下测试能够得到相对真实的数据，但由于现代通信与信息系统往往规模很大，系统很复杂，构造高度相似的物理模型经济成本和社会成本都很高，因而进行对大规模的

14、测试几乎是不可能的，而且其测试结果也往往难于重现。目前，计算机仿真的方法在通信网络技术的研究中得到了广的应用，因为其具有很好的可控制性、可重现性、可扩展性。利用比较成熟的计算机仿真软件，可以近乎真实地模拟网络环境，可以在各个层次上模拟网络的运行效果。因此，在仿真软件的帮助下，我们可以很好的模拟各种接入控制协议，并分析其性能。在此基础上，针对发现的问题提出理论改进，然后在仿真平台上实现改进理论，并通过性能比较分析来验证改进效果。这种低成本、高效率的计算机仿真的方式势必成为研究接入控制技术的首选。1.2研究主要成果及发展趋势1.2.1研究主要成果多址接入技术是网络技术的一部分，它的实现方法将直接影

15、响到网络的吞吐量、时延特点、业务能力、用户支持数量、资源利用效率等多方面的性能，其研究基础是信息的数字传输和处理，其目标则是在网络中.提高通信资源的使用效率。可以将多址接入技术归纳为三大类：固定分配多址接入、随机（动态）分配多址接入和基于预约的多址接入。针对每一类多址接入技术，现已提出多种接入控制协议，这些协议具有各自不同的设计目标，可以适应不同的应用场合。固定分配多址接入，就是指通信资源的分配是预先完成的，且分配资源的大小在通信过程中不发生变化。固定分配接入实现的基本方式有时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA），也可以使用他们的组合。这些方案是在时域、频域或者码域先

16、将信道划分成子信道，再将这些子信道固定地分配给用户，分配依据是预先获知的通信业务带宽和时延等要求。如果通信资源的分配可以随着用户信号传输要求的变化而变化，那么这种多址方式称为随机多址接入方式。基本的随机多址接入方式包括纯ALOHA、时隙ALOHA和CSMA等。ALOHA协议是一种完全随机接入的多址协议，逻辑信道的划分与分配调度合二为一，节点用户可以根据需要在任意时刻占用信道。如果两个以上或两个以上的用户在占用信道时出现时间上的重叠，则每个用户各自延迟一段随机时间后重新占用信道。如果对信息的传输时延没有限制，信息总可以通过随机延迟后的重发到达接收端。ALOHA协议适合应用于用户负载较低的场合，随

17、着用户数量或发送信息量的增加，这种完全随机接入的协议将使信道重叠现象加剧，冲突概率增大，传输性能降低。 为了提高ALOHA系统的性能，将所有各节点在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，不论帧在何时产生，它只能在每个时隙开始时才能发送出去。这样的系统称为时隙ALOHA系统。 载波监听多路访问 (Carrier Sense Multiple Access, CSMA) 是进一步提高吞吐量的有效方式，是由ALOHA系统改进而成。这种方式适用于时延较小的总线网，现已普遍适用于局域网中4。如ALOHA系统一样，

18、CSMA系统中没有中心控制器，是一种完全分散的控制系统。用户信息从一个节点传送到另一个节点，首先要监听信道，根据信道的状态确定是否传送。“载波监听”指发送节点在发送信息帧之前，必须监听信道是否处于空闲状态。如信道忙，就暂不发送数据，从而减少了冲突的可能，提高了信道吞吐量；“多路访问”指多个用户共用一条线路，用户既可以接收其他节点的信息，用户发送的信息也可以被其他节点接收。CSMA在性能上虽然优于ALOHA，但在服务质量保证，尤其是实时业务支持方面，仍然难以满足要求。基于CSMA的协议主要应用于短距离数据业务的多址接入，比如计算机局域网的互联接入等。1.2.2发展趋势多址接入技术的研究已经取得了

19、相当的成果，许多成果已经得到应用，而且还在不断发展。进入21世纪以来，通信技术得到了飞速发展，极大地影响了人们的日常生活和工作，也有力地推动了经济社会、文化等诸多方面的发展，而这种发展反过来又对通信技术的发展提出了更高的要求，形成了更大的动力。现代通信技术发展的重要特征是数字化、网络化和高速（宽带）化。多址接入控制技术是网络传输平台技术的一个重要部分，它的实现方法将直接影响到网络的吞吐效能、时延特点、业务能力、用户支持数量、资源利用效率等多方面性能，其研究基础是信息的数字传输和处理，其目标则是在网络中提高通信资源的使用效率6。因而，现代通信网络的多址接入技术正是围绕着通信技术的数字化、网络化和

20、高速化这三个特征展开的，其发展过程也展示了通信网络技术不断进步的过程。多址接入技术的发展有力的支持了现代通信网络技术的发展。同时，一些新兴的通信网络也对多址接入技术提出了更高的要求，成为多址接入技术研究不断走向深入的动力。1.3本文研究的主要内容本文主要针对多址接入协议中的随机多址接入方式的工作原理及其应用开展研究。从最基本的纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议和载波侦听接入CSMA入手，概述了其基本的工作原理，主要对np-CSMA的工作原理进行了研究，从系统吞吐量和传输时延等角度分析了协议的性能。然后基于Matlab仿真平台，对np-CSMA进行了系统建模和仿真，对其数据及性能指标进行分析。

21、 本文主要内容分为四个章节，各章节的安排如下： 第一章为绪论，介绍本课题的研究背景、研究的主要成果和发展趋势以及本文主要研究内容。 第二章为理论基础，介绍多址接入技术的分类及工作原理，然后重点阐述随机多址接入技术的原理以及性能的评价指标。 第三章为实际设计与仿真，基于前面的理论分析，在合理设计仿真流程的基础上，利用Matlab对np-CSMA进行建模和仿真。然后对仿真结果进行分析，根据得到的协议信道吞吐量与业务量的关系、平均时延与业务量的关系等数据，进一步分析多址系统的优缺点。 最后对全文进行了总结，并且指出了以后继续进行相关的研究工作和未来可

22、能的研究方向。2多址接入协议在一个通信网中，硬件设备除终端和信道外，还必须有交换设备。交换意味着要求网内任意两个用户之间都能交换信息。传统的方式是通过电路转接来达到目的，在电路转接中，所有需要交换的信息都必须送到一个交换点或转接站，由交换点来调配路由和其他处理，所有要进网的用户都必须有用户线与这个站连接，所有站和线路构成一个互相联通的通信网，已完成相互交换信息的任务。自从夏威夷大学建立的ALOHA系统引入后，上述概念有了变化，各个用户可直接将信息送到同一线路上去，各用户有不同的地址，这就是多址接入（Multiple Access）方式。多址接入协议的优劣对通信网的性能有非常重要的影响。网络协议

23、是用来协调和管理各种设备之间的通信的。想象十几个人坐在同一个房间里开会，有两个或更多的人以相近的音量同时讲话，这时，我们很难听清楚其中任何一个人的讲话内容，于是，我们应该想办法让有讲话需求的人按顺序分别讲出。为了实现网络互联，不同的用户节点必须通过公用信道相互联系，由于这种接入或访问网络的过程实际上表现为占用网络传输信道的过程，且传输信道可能是电缆、光纤等有线链路或无线链路等媒体，因此多址接入技术也被称为媒体接入技术，这和网络的通信过程比较类似，在同一个网络上，如果各用户共享同一信道，当两个或更多的用户同时发送数据时，就会产生冲突，使得各方数据发送均告失败。于是，我们需要一种技术，它不仅能够通

24、过协调和调度共享同一信道的各个用户以减少数据的冲突，而且尽可能在增加数据发送率的时候，不会带来太大的延迟，这就是多址接入协议的内容。本章将给出局域网中多址接入协议仿真的原理与方法，包括有线网和无线网等，并且通过仿真来分析协议的性能。2.1多址接入协议的分类 为方便理解，本文将多址接入协议分为三大类：固定多址接入协议、随机多址接入协议和基于预约的多址接入协议。具体分类如图2.1所示。 多址接入协议多随机多址接入协议 基于预约的 多址接入协议固定多址接入协议 TDMA FDMA CDMA WDMA纯ALOHA时隙ALOHA CSMA CSMA/CD CSMA/CA带保留的ALOHA PR

25、MA  图2.1 多址接入协议的分类   固定多址接入协议，就是指通信资源的分配是预先完成的，且分配资源的大小在通信过程中不发生变化。固定分配接入实现的基本方式有时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）和波分多址（WDMA），也可以使用他们的组合。这些方案是在时域、频域或者码域先将信道划分成子信道，再将这些子信道固定地分配给用户，分配依据是预先获知的通信业务带宽和时延等要求。如果通信资源的分配可以随着用户信号传输要求的变化而变化，那么这种多址协议称为随机多址接入协议。基本的随机多址接入方式包括纯ALOHA、时隙ALOHA和CSMA等。CSM

26、A是从ALOHA协议演变出的一种改进型协议，它采用了附加的硬件装置，每个节点都能够检测（侦听）到信道上有无分组在传输。如果一个人节点有分组要传输，它首先检测信道是否空闲，如果信道有其他分组在传输，则该节点可以等到信道空闲后再传输，这样可以减少要发送的分组与正在传输的分组之间的碰撞，提高系统的利用率。CSMA协议可细分为几种不同的实现形式：非坚持型（Non-persistent）CSMA，1-坚持型CSMA，p-坚持型CSMA。非坚持型CSMA:指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则分组的发送则被延迟，且节点不再跟踪信道的状态（即节点暂时不检测信道），延迟结束后节点再次

27、检测信道状态，并重复上述过程，如此循环，直到将该分组发送成功为止。1-坚持型CSMA:指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则该节点一直坚持检测信道状态，直至检测到信道空闲后，立即发送该分组。P-坚持型CSMA:指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则该节点一直检测信道状态，在检测到信道空闲后，以概率p发送该分组。为了进一步保证服务质量，确保信息单元在给定的时间内无冲突的使用信道，通常可以采用基于预约的多址接入方法。在这类接入协议中，每个用户使用预约机制声明自己的资源需求，系统的分配调度算法根据众多的用户接入请求和当时的可用资源状况，通过平衡和折

28、中做出最终的信道分配和安排，使信道的占用不发生冲突。实际应用中有多种预约方式和分配调度算法，典型的有预约ALOHA协议、分组预约多址（PRMA）协议、RTS/CTS机制。2.2随机多址接入协议随机多址接入协议不存在传输的调度，当用户有数据需要传输时，并不只待是否会通其他用户发生冲突，用户通过监听信道可能知道也可能不知道即将发生的传输，因为没有关于其他用户是否要传输数据的准确消息。当多个准备传输的用户同时开始传输时，所有的传输多半都会失败。随机多址接入协议可以分为两类：一类是重复随机多址接入协议，如ALOHA协议，时隙ALOHA（slotted-ALOHA)，载波监听ALOHA（CSMA），以及

29、带有集中控制的ALOHA（ISMA）。另一类是带保留的随机接入协议，如带保留的ALOHA（r-ALOHA)，带保留的多址接入协议（PRMA)等。对第一类协议来说，传输就如前面的叙述，每次传输时可能会发生冲突。而对第二类协议来说，用户只有在第一次传输时才无法避免与其它用户发生碰撞，但是当用户成功地完成了他的第一次传输（第一次成功的接入到信道）后，后面的传输将经过调度以有序的方式进行，部分信道资源将分配给该用户，其他用户禁止使用这部分信道资源，这样就不会与其它用户发生竞争。而如果该用户在一段时间内，没有传送数据，系统将收回分配给他的那部分信道资源。纯ALOHA系统的协议非常简单，其工作模式有以下四

30、种： 发送模式（transmission mode）：用户在需要发送数据时可以随时发送。发送的分组具有纠错能力。 收听模式（listening mode）：在发送后，该用户收听来自接收端的“确认”（ACK）消息。当有多个用户同时传送数据时，由于信号的重叠会造成接收方收到的数据出现错误。这种现象称为碰撞（collision）。此时，发送端将收到接收端发回的“否认”（NAK）消息。 重发模式（retransmission mode）：当发送端收到一个“否认”消息后，将会等待一段随机时间后重新发送数据，以免再次发生冲突。 超时模式

31、（timeout mode）：信息发送后，如果在一个给定的时间内没有收到“确认”消息或“否认”消息，则用户重发该信息。 纯ALOHA协议的思想是：只要用户有数据要发送，就立即让其发送。当然，这样很可能会产生冲突从而造成发送失败。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同理，其他用户也按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏，即检测到冲突，就等待一段随机长的时间后重发该帧。纯ALOHA协议(Pure ALOHA)：a. 当传输点有数据需要传送的时候，它会向立即向通讯频道

32、传送。b. 接收点在收到数据后，会ACK传输点。c. 如果接收的数据有错误，接收点会向传输点发送NACK。当网络上的两个传输点同时向频道传输数据的时候，会发生冲突，这种情况下，两个点都停止一段时间后，再次尝试传送。 图2.2 纯ALOHA协议的工作原理在时隙ALOHA系统中，信道时间分成许多时隙。数据包传送时间T精确的等于时隙宽度。也就是说，数据包必须是定长的，且不得大于时隙宽度。系统中的所有用户都必须在时隙的开始时刻发送信息。主时钟的同步信息要向所有用户广播，以使网内所有用户都与主时钟同步。只要在一个数据包长时间内，或一个时隙中，无两个或两个以上的数据包到这信道，就可成功发射。这是一种降低碰

33、撞的有效措施。与纯ALOHA相比，系统性能有所改进。 图2.3时隙ALOHA协议的工作原理CSMA的基本原理是：任何一个网络节点在它的分组发送之前，首先侦听信道中是否存在别的节点正在发送数据分组，如果检测到数据分组的载波信号，说明信道正忙；否则信道处于空闲状态。然后根据预定的控制策略在以下两方面做出决定： 若信道空闲，是立即发送分组还是稍后再发； 若信道忙，应该继续坚持侦听载波还是暂时退避一段时间再侦听。 CSMA 协议根据采用的控制处理策略不同，可细分为时隙的和非时隙的，其中每一种又可再分为非坚持、1-坚持和P-坚持。 非坚持是指当分组到达时

34、，若信道空闲，则立即发送分组，若信道忙，则延迟发送分组，延迟结束后站点再次检测信道状态，如此循环，直到信道空闲为止。1-坚持是指当分组到达时，若信道空闲，就立即发送分组；若信道忙，则该站点就一直检测信道，直到检测到信道空闲。P-坚持是指当分组到达时，若信道空闲，立即发送分组，若信道忙，则该站点一直检测信道的状态，在检测到信道空闲后，以概率P发送该分组。由于电信号在介质中传播时存在迟延，在不同观察点上侦听到同一信号的出现或消失的时刻是不同的。比如，当A点发送载波信号时，在距离很近的B点可能立即就能侦听到该信号，了解到信道处于忙的状态。但在距离很远的C点，信号尚未到达，因此信道被认为是处于空闲状态

35、。这是影响控制策略正确性的原因之一。另一方面，如果有两个或两个以上节点与发送源节点的距离相等或相近，它们可能会同时侦听到载波信号的出现或消失。如果多个节点同时检测到信道空闲，而这时它们都有数据分组需要发送，就必然会造成信道占用冲突。这是影响控制决策正确性的原因之二。本文主要研究非时隙的非坚持型CSMA，其工作过程如下： 第1步：新数据分组进入缓冲器，等待发送。 第2步：侦听信道。若信道空闲，启动发送分组，发送完毕返回第1步；若信道正忙，则放弃侦听，选择随机数，开始延时。 第3步：延时结束，转至第2步。 图2.4 非坚持型CSMA协议控制算法非坚持型CSMA协议的控

36、制特点是：当节点侦听到信道忙碌时，能够主动的退避一段随机时间，暂时放弃侦听信道，这样有利于减少传输冲突的机会，从而有利于提高系统的吞吐量和信道利用率。 为了分析非坚持型CSMA系统的吞吐量性能，作如下假设：首先，系统中的用户数目是无限的，而且所有站的数据分组产生过程服从泊松分布；而且所有数据分组的长度相同，他们的发送时间为T；其次，该信道最长距离上的传输时延设为max，归一化后的时延为 = max/T；每个用户站在任何时候只有一个分组准备好发送，对载波的检测是瞬时完成的，不引入收发切换时延；最后，假设信道本身是无差错的，并且由于发送冲突所造成的任意长度的分组重叠都将引起分组差错，它们

37、必须被重发。在以上假设条件下，经推导得出非时隙的非坚持型CSMA的理论吞吐量公式如下： （2.1）式中，为归一化传输时延，G为总业务量。当1时，式(2-1)可近似表示为： （2.2） 3随机多址接入协议的仿真 随着网络通信业务的迅速增长，网络结构日益复杂，所能使用的通信资源也越来越紧缺。因此，共享通信资源方式被广泛采用。为了实现网络互连，不同的用户节点只能通过公用信道相互联系。当通信资源提供给多个用户共同使用时，需要使用多址接入协议进行调度和协调。多址接入技术也被称为媒体接入技术或信道接入技术，这是因为接入或访问网络的过程实际上表现为占用网络中的传输信道的过程。 根据第2章的理论分析，动态分配

38、接入技术往往应用于总线型结构的网络中。纯ALOHA协议是最基本的随机多址接入协议，时隙ALOHA协议对其进行了简单的改进以减少碰撞，CSMA协议在ALOHA协议的基础上增加了载波侦听过程。本章利用Matlab软件平台，采用相似的仿真系统模型，分别对以上三种协议进行建模仿真。3.1 仿真系统模型3.1.1 仿真基本流程图所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。仿真的作用：a. 它是一种对系统问题

39、求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。b. 仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。c. 仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。d. 中国学者认为：系统仿真就是在计算机上或（/和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的或数字物理效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法,对一些

40、难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题,通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析,通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。实际通信系统中的协议实现比较复杂，而目的是使用Matlab来考察不同协议的性能，因此，需要建立相应的协议仿真模型。对不同协议来说，其基本结构相差不大，因此，可以建立一个统一的基本仿真模型，当仿真不同协议时，在基本模型的基础上进行相应的修改就可以。这里使用的仿真系统模型是数据包通信系统，该系统中包含一个接入点，以及多个终端，其关系如图3.1所示。 图3.

41、1 数据包通信系统在仿真系统模型中，终端具有相同的性能，带有缓冲区，数据包产生后，首先存储在缓冲区中，并按照先进先出（FIFO）的原则进行传输。缓冲区的容量可以使无限的，也可以是有限的。当缓冲区容量有限时，在数据包充满缓冲区后，新产生的数据包将会被丢掉。这种情况称为阻塞，它与包传送失败是不同的。传输失败是指缓冲区中的数据包没有成功传输到接入点。另外，如果终端数是无限的，则成为无限呼叫源模型，而终端数有限的情况下则称为有限呼叫源模型。在理论分析中通常假设是有限呼叫源模型。计算机仿真的实施过程一般包含以下几个步骤：第一，确定仿真任务。明确对系统进行仿真的目的、要求，制定实施方案；第二，建立系统的本

42、性数学模型。对实际系统进行简化或抽象，用数学公式的形式对系统的行为、特征等进行描述，保持模型的运动规律和信息传递与原系统的一致性和相似性。第三，建立计算机仿真模型。将本性数学模型通过某种仿真算法转换成为能在计算机上实现和运行的软件框架模型。第四，设计计算机仿真软件。设计计算机仿真模型的软件，并进行调试、运行。第五，计算机仿真模型和软件的校验和确认。本文要进行的是一个网络仿真，用于评估三种随机接入协议的性能，仿真基本流程如图3.2所示。这里涉及几个网络仿真中常见模型，包括网络拓扑模型、通信信道模型和业务源模型等。业务模型泊松到达 信道模型（路径损耗、阴影衰落）接入点位置终端位置终端数目随机多址接

43、入协议（纯ALOHA、时隙ALOHA、CSMA） 测量传输时延 统计吞吐量和 平均传输时延发送的包无碰撞？成功发送的包达到要求的数目？否是是否 图3.2 仿真基本流程图 3.1.2 通信信道对于无线通信系统和有线通信系统，它们的信道建模是不同的。 （1）在有线通信系统中，信道是时不变的，假设不会发生传输差错，并且接入点接收到的各个终端的信号功率是相同的。这是用来评估接入协议最基本的假设。 （2）在无线通信系统中，信道是时变的，在本文的仿真中，主要考虑接入点与终端之间的距离造成的路径损耗，以及由于建筑物与其它障碍物的遮挡造成的阴影衰落。路径损耗与阴影衰落分别建模如下： 路径损耗：是指接

44、收到的信号功率随着接入点与终端之间的距离增加而单调下降，称为路径损耗。基于理论和实际测量的传播模型都表明，室外或室内无线信道中，平均接收功率(dBm)与发射机和接收机之间的距离的对数成反比，即 式中，n为路径衰落指数，表明路径损耗随距离增长的速度，它的值一般在25之间，d0为近地参考距离，由测试决定；d为发射天线与接收天线的距离。阴影衰落：信号在无线信道传播过程中遇到障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接收信号功率的随机变化，反射体和散射体的变化也会造成接收信号功率的随机变化，因此，需要建立一个模型来描述这些因素造成的信号随机衰落。最常用的模型是对数正态阴影模型，衰落的标准差一般在6

45、10dB之间。3.1.3包产生每个终端都假设相互独立的随机产生数据包，并且包产生过程服从泊松分布，即满足如下特点：（1） 独立性：在互不交叠的时间间隔内产生的数据包的个数是相互统计独立的。（2） 平稳性：在一段时间间隔内产生的数据包的个数仅与该段时间间隔有关而与该段时间间隔的起始时间无关。（3） 稀疏性：在非常小的时间间隔内，产生两个及两个以上数据包的概率非常小，可以忽略。而且，如果产生的数据包的个数服从泊松分布，两个数据包之间的间隔服从负指数分布。3.1.4碰撞 当几个数据包在信道同时传输时，便会发生碰撞。在有线和无线通信系统中，对发生碰撞的数据包分别作如下处理： （1）有线通信系统：所有碰

46、撞的数据包都被丢弃，数据包作为发送失败处理，因为所有数据包的信号强弱是一样的。如果没有发生碰撞，产生的数据包依次传送到目的地。 （2）无线通信系统：接收到的数据包的功率依赖于终端的位置，以及信道条件。因此，即使几个数据包发生碰撞，具有最大接收功率的数据包也可能被正确接收。一般把这种情况称为捕获效应。另外，即使没有发生碰撞，传输的包也可能发生错误，因为接入点接收到的信号功率有可能小于解调所要求的最小功率，这在信道条件较差的情况下经常发生。在实际的通信系统中，接入点决定终端发送的数据包是否成功，并将结果反馈给终端。在数据包传输发生错误的情况下，经过一段时间间隔后，将会被再次传送到接入点。3.1.5

47、产生的业务量在本文中，单位时间内新产生的数据包和重传的数据包之和定义为产生的业务量，通过传输数据速率归一化的业务量记为G。若果数据传输速率为R（bps)，需要传输的数据比特数为，则有 （ 3.1 ）如果数据包为0，则G=0。3.1.6吞吐量吞吐量定义为单位时间内成功传输到接入点的数据包的总数。用数据传输速率归一化的吞吐量记为S。如果数据传输速率和每个数据包包含的信息比特数分别记为R（bps)和T，并且在单位时间内成功传输的数据包个数为n，则有 （ 3.2 ）如果没有数据包产生，或者所有传输道德数据包由于碰撞而被丢弃，则吞吐量变为最小值0。此外，在所有的单位时间内，如果所有的包都被正确传输，吞吐

48、量为1。3.1.7平均传输时延数据包从终端产生到成功的传输到接入点的平均时间间隔称为平均传输时延。平均传输时延依赖于包的长度。因此，通过数据的包长度进行归一化，可以得到归一化后的平均传输时延D。3.1.8协议评价指标评价协议性能的最基本的指标一般是产生的业务量G，吞吐量S以及平均传输时延D。对一个理想的协议来说，吞吐量与业务量之间的关系为 如图3.3所示，在业务量较少的情况下，吞吐量随着业务量的增加而增加，而当业务量大于一定的门限值后，吞吐量随着业务量的增加而下降。如果业务量大于1，平均传输时延将随着业务量的增加而急剧增加，后面的仿真也将验证这一点。 图3.3吞吐量与业务量之间的关系3.2程序

49、流程图在建立统一的系统仿真模型及仿真基本流程图的基础，第2章所述的纯ALOHA、时隙ALOHA和CSMA协议的工作原理和工作过程，设计得到纯ALOHA、时隙ALOHA的程序流程图，并进一步在此基础上得到具有载波监听的CSMA的程序流程图。流程程序图与工艺程序图极为相似，其差别仅是增加了“搬运、储存、等待”三种符号，及在图中符号左边标注时间处，再标上了搬运距离。在绘制流程程序图时，应按照以下几点要求：1、记载距离时，只要求用目测，不需要精确测量。一般在lm以下的距离可忽略不计。2、一般工件在制造过程中的储存、等待所占的时间对成本和资金周转有重要影响。但在流程中要记录这种时间比较费事，一般可采取只

50、记录到达或离开仓库或某工作位的时间，即可算出在仓库或某工序停滞的延续时间。3、由于流程程序图是最基本的常用分析图，一般用予先印制好的空白表流程程序图表。绘制流程程序图必须注意以下事项：1、图表上记述的内容必须是直接观察所得。2、图表应提供尽可能全面的信息，所有的图表都应具备有关信息的表头，包括：产品、物料或设备的名称，附上图号或编号。所记录的流动程序，应明确说明起点与终点，以及该方法是现行的还是建议的。进行操作的地点（部门、工厂、工地等）。 图表查阅号、总页数、页号。 记录者、审定人的姓名和记录日期。 记录距离和时间的总计、人工成本、材料成本，以便新旧方法进行比较。3.2.1纯ALOHA的程序

51、流程图定义信道参数、接入点信息、终端信息，初始化相关参数产生固定长度的数据包 随机延迟一段时间发送数据包没有发生碰撞？ 否考虑捕获效应？ 否 是 是接收到的信号功率大于捕获门限？ 否 是发送成功，更新数据包个数 成功发送的数据包达到要求的的数目？ 否 是统计吞吐量和平均传输时延 图3.4 纯ALOHA协议仿真的程序流程图 在仿真时，首先定义信道参数、接入点信息、终端信息，初始化相关参数，然后根据协议的工作过程进行仿真。  在每次仿真时，首先要根据业务量的大小进行一些参数的初始化，然后根据终端数据包产生时刻，分别在相应的时间点上改变终端状态，随后，判断是否有多个终端在同时发送数据，如果

52、有，则认为数据包产生碰撞，根据是否考虑捕获效应，分别对碰撞的数据包进行不同的处理。其中，如果不考虑捕获效应，发生碰撞的数据包均认为传输失败；如果考虑捕获效应，需要判断碰撞后的信噪比是否大于捕获门限，如果大于，则认为该数据包仍可以正确接收，否则，按传输失败处理。处理完成后，更新终端状态变化的时刻，进行下一轮循环，直到成功发送的数据包达到预先设定的数目，仿真停止。  最后，对仿真中实际产生的业务量、吞吐量和平均传输时延分别进行统计，得到业务量与吞吐量的关系图以及业务量与平均传输时延的关系图，直观的反映出协议的性能。3.2.2时隙ALOHA的程序流程图图3.5是时隙ALOHA协议仿真的程序

53、流程图，与纯ALOHA协议的流程图基本类似，所不同的是在初始化相关参数的时候，要进行时隙长度的定义，数据包传输时刻与数据包产生时刻也不再相同，要在时隙开始的时刻进行传输，随机延迟的时间也必须是时隙长度的整倍数。时隙ALOHA使用了各种控制算法以保证系统的稳定性，在应用控制算法前，必须对算法的性能进行前期仿真测试在比较三种常用网络仿真工具的基础上，分析了MATLAB离散事件仿真原理及基于蒙特卡洛法的随机数生成原理给出了MATLAB仿真平台下实现时隙ALoHA控制算法的流程图，并依据该流程编写了MATLAB代码对时隙ALOHA的伪贝叶控制算法性能进行测试仿真结果表示，MATLAB能很好的实现对时隙

54、ALOHA控制算法的仿真 ALoHA 及其变种时隙ALOHA作为一种通用的MAC协议广泛应用于多个用户终端竞争同一个媒质的情况现今，GSM 系统、卫生通信、无线局域网络(Wireless Local Area Network，WLAN)的试验网络及基于无线认知网络的试验网络中均采用时隙ALOHA 协议作为媒体接人控制(MediumAccess Control，MAC)协议以实现对信道的共享接人方式但时隙ALOHA本质上是不稳定的，当输人流从0开始增加时，信道吞吐量随着负载流的增加而增加，当输人流量到达某一门限值时，系统吞吐量到达最大值当输入的载荷超过信道容量后，随着输入流量的增加冲突也随之增加重复发生的碰撞将浪费部分系统的带宽，从而使系统吞吐量随着生成载荷流的增加而迅速下降为解决时隙AL0一HA的稳定性问题，各种控制算法被提出为对算法性能进行评估，将所有这些算法应用到实际系统中进行测试是不现实的，必须通过软件仿真方式对算法性能进行评估和测试网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术L