多址接入ALOHA协议仿真毕业设计文档格式.docx
《多址接入ALOHA协议仿真毕业设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多址接入ALOHA协议仿真毕业设计文档格式.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
指导教师系（教研室）
系（教研室）主任签名批准日期
接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名
多址接入ALOHA协议仿真
王超
（陕西理工学院物电学院电子信息工程专业，2011级3班，陕西汉中723000）
指导老师：
吴燕
[摘要]本文首先介绍了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ALOHA协议进行了详细阐述，分析了系统吞吐量、业务量及平均传输时延等性能指标。
然后根据协议的工作过程，在Matlab平台构建仿真模型，对ALOHA协议进行仿真,并对所得数据进行分析，验证了吞吐量与业务量及时延之间的关系，为提高协议性能提供了参考。
[关键词]多址接入协议；
ALOHA；
Matlab仿真；
性能分析
SimulationofmultipleaccessALOHAprotocol
WangChao
（Grade11,Class03,MajorElectronicInformationEngineering,InstituteofphysicsandTelecommunicationsDept.,ShaanxiUniversityofTechnologyHanzhong723000,Shaanxi）
Tutor:
WuYan
Abstract:
Thispaperfirstintroducedtheresearchbackgroundofmultipleaccessprotocolandworkingprinciple,forthestudyoftheALOHAprotocolwereindetail,analyzingthesystemthroughput,businessvolumeandaveragetransmissiondelay,performanceindicators.Thenaccordingtotheprotocol,intheMATLABplatformtobuildsimulationmodel,theALOHAprotocolsimulationandcarriesontheanalysistotheincomedata,toverifytherelationshipbetweenthethroughputandtheamountoftrafficanddelay,provideareferencetoimprovetheperformanceoftheprotocol.
Keywords:
Multipleaccessprotocol;
ALOHA;
Matlabsimulation;
performanceanalysis
1绪论
1.1研究的目的
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，在蜂窝无线通信系信道被所有入网的用户共享。
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。
1.2课题研究主要内容
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协议入手，详细阐述了其基本的工作原理，从系统吞吐量和传输时延等角度分析了这种协议的性能。
然后基于Matlab仿真平台，对纯ALOHA进行了系统建模和仿真，对其数据及性能指标进行分析，进一步分析了不同类型的多址系统的优缺点。
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和国内外研究现状、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ALOHA协议进行建模和仿真。
然后对仿真结果进行分析，根据得到的各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，进一步分析不同类型的多址系统的优缺点。
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能的研究方向。
2多址接入协议
2.1网络体系结构
通信网络模型的分层可以看作由一套模块组成的体系结构，除了最底层的链路之外，每一个高层模块分别是由低层“黑匣子”系统加一组简单的模块组成。
常见的分层模型OSI（OpenSystemsInterconnection）七层模型和TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）四层模型[1]。
2.1.1OSI参考模型
早在1983年，国际标准化组织（InternationalStandardOrganization,ISO）就为数据通信网的体系结构制定出了一个通用的标准，称为开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型。
OSI模型从上到下分为七个层次：
应用层、表示层、会话层、运输层、
网络层、数据链路层和物理层[2]。
应用层是OSI中的最高层，它确定进程之间通信的性质以满足用户的需要，其功能取决于用户的需要和网络服务目的。
应用层还要提供应用进程所需要的信息交换、远程操作、系统管理和应用管理，应用层直接和用户的应用程序通信。
表示将上一层提供的数据作必要的编码或语法交换，以通信通用的格程序通信。
会话层在两个实体之间建立起进行一次“对话”的逻辑连接关系，负责网络登录和注销、身份鉴别和运作方式等，并对对话进行管理和控制。
运输层传送数据的单位是报文（message）。
它负责在网络内的两个实体之间建立一条端到端的信道，并为通信两端提供可靠和透明的传输。
它还进行端到端的差错控制、顺序控制和流量控制等，运输层是通信的最高层。
网络层的任务是选择适当的路由和交换节点，使数据透明地传输到目的地。
网络层中传输数据单位是分组（packet），或称包。
因此，该层需要将上层送来的数据分组和对方发来的分组进行拆卸，并解决分组丢失、重复传送和数据颠倒等问题。
数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上，以帧为单位无差错地传输数据。
它需要将上一层送来的数据加上所需的控制信息组成帧，并负责链路的连通、维持和释放。
物理层的任务是为上一层送来的数据提供一个透明传输比特流的物理连接。
物理层还负责物理媒体的连通、维持和释放等。
其中，数据链路层又可细分为媒体接入控制MAC（MediumAccessControl）子层和逻辑链路控制LLC（LogicLinkControl）子层[3]。
MAC子层的主要功能是协调本站点和其他站点有效的共享信道资源，LLC子层的功能是为本站点提供到其他相邻站点的链路。
2.1.2TCP/IP协议模型
TCP/IP体系结构只有四层：
应用层、传输层、网际层、网络接口层。
它和OSI体系结构的比较如图2.1所示。
TCP/IP体系结构中的应用层相当于OSI体系结构中的最高三层，它直接为用户的应用进程提供服务。
这层的协议有HTTP协议、SMTP协议和FTP协议等[4]。
TCP/IP体系结构中的运输层和OSI体系结构中的运输层对应，它负责两个应用进程之间的通信。
OSI体系结构TCP/IP体系结构
应用层
表示层
会话层
运输层
网络层
网际层
数据链路层
网络接口层
物理层
图2.1OSI和TCP/IP体系结构的比较
2.2性能的描述与评估
多址接入技术需要解决的问题是对给定通信资源进行合理、有效的分配调度和利用。
从概念上说，多址多址接入性能描述的是：
以多大的系统容量、容许怎样规模的节点用户、在何种性能和规模的条件下，接入给定通信资源的系统的情况。
多址接入技术的性能描述与评估主要体现在两个层次。
第一个层次是选择逻辑信道的划分方式，比如FDMA、TDMA、CDMA或者他们的组合，不同的信道划分方式可能导致系统具有不同的实际可用资源。
在这一层次上对多址接入方式的评估主要是系统容量，此容量反映了系统的实际可用资源。
即在给定通信资源转化为系统实际可用通信资源的过程中，FDMA、TDMA、CDMA将采用不同的机制，使得实际的系统可能具有不同的资源转化效率。
第二个层次上的性能描述主要是基于系统的实际可用资源，反映用户接入系统的情况。
即多大规模的用户、以怎样的性能可以接入系统，资源的利用效率如何。
固定分配方式下接入性能可以用阻塞率和接入延时概率来描述。
阻塞率定义为接入失败的次数占全部接入尝试次数的百分比，阻塞率是关于用户数目、要求接入的数量以及通信时长的函数。
接入延时概率是指一个接入请求无法被及时接纳时，先被缓存到一个队列里，直到某些通信过程结束并释放出相应资源后获得可用资源的概率。
在随机接入方式和基于预约的多址接入方式中，用户占用的实际可用资源并不固定。
而且对于随机接入可能出现迟滞并再次接入的情形，此时，阻塞率已不能准确反映这一动态接入性能。
一个更有意义的描述是系统的吞吐量和信息传输的平均时延，它可以从统计意义上说明整个系统的资源利用情况。
全部的业务量也称负载，是指一段时间内所有尝试传输的数据分组的数量，其中包括新到达的分组和被重发的分组。
吞吐量是指一段时间内成功传输的数据分组的平均数量。
平均传输时延是指成功传输之前的平均等待时间相对于一段时间间隔的归一化值。
在进行随机接入方式接入性能的分析时，首先需要对系统的模型做一定假设，通常假设网络中节点数量非常多，节点产生固定长度的分组，分组的到达程泊松分布，即分组的产生彼此独立，且分组与分组之间的时间间隔程指数分布。
2.3多址接入协议概述
在多地址接入协议中，多个用户共享同一物理信道，例如，在蜂窝无线通信系统中，信道被所有入网的用户共享。
对无线通信来说，一个重要的目标就是有效的利用信道资源，多址接入协议性能对此有很大影响。
任何一种较好的协议都应该具有一下特点：
（1）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规则来发出请求，协议控制分配给用户的信道容量。
（2）协议能够以高效的方式分配传输信道。
效率通常以信道吞吐量和传输延迟来衡量。
对每个用户来说，分配应该是公平的，即对不考虑具有优先权的用户来说，每个用户从平均意义上来说应该分配到相同的容量。
（3）协议在处理不同的业务（如语音和数据）时应该具有一定灵活性。
（4）协议应该是稳定的。
对不稳定的协议来说，新增的负荷将迫使系统迁移到更高的负荷状态，并且降低吞吐量。
（5）协议应该具有鲁棒性（Robust）。
也就是说，当系统中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少。
随着无线通信的不断普及，无线移动环境下的多址接入协议引起人们更多的关注。
在此条件下，应当更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挑战：
（1）隐终端问题。
即两个或多个终端由于高山、高大的建筑物或其他物理遮挡而不再彼此的通信范围内，但却都在同一基站的通信范围内。
（2）远近效应问题。
远端的用户要比近端的用户信号有更大的衰减。
（3）无线信道中的多经衰弱和阴影衰落效应。
（4）由于相邻小区公用同一频率而导致的共道干扰问题。
2.4多址接入协议分类
自从1970年ALOHA协议诞生以来，已经出现了大量的多址接入协议。
对这些协议进行分类的方法也是多种多样的，在此把多址接入协议分为三类：
非竞争（调度）协议、竞争（随机接入）协议，以及CDMA协议[8]。
如图2.2所示。
图2.2多址接入协议分类
调度协议通过调度要传输数据的用户来避免两个或两个以上用户同时接入信道。
调度可分为固定分配方式和按需分配方式。
在固定分配方式下，每个用户都会被分配给一定的传输容量，而按需分配则只有在用户有数据需要传输时才分配信道。
随机接入协议中，一个用户并不能保证传输的数据与其他的用户不发生碰撞，因为有可能有两个或两个以上的用户同时请求传输数据。
当碰撞发生时，协议需要对它们进行处理。
竞争协议可以进一步分为重复随机接入协议和带保留的随机接入协议。
对带保留的随机接入协议来说，用户初始接入到信道时采用随机接入方式，而用户一旦接入到信道后，该用户的数据传输采用调度方式，直到该用户的数据传输完毕为止。
带保留的随机接入又可分为隐式保留和显式保留。
显示保留协议在调度时使用短的保留数据包来请求传输，而隐式保留协议则不需要任何保留数据包。
CDMA协议即不属于非竞争协议也不属于竞争协议。
实际上，它属于多个用户可以无冲突的同时传输数据的非竞争协议。
但是，当同时传输的用户数增加到一定值时，就会产生竞争。
2.4.1调度多址接入协议
调度多址接入协议通过调度要传输的用户来避免多个用户同时尝试访问同一物理信道。
用户按照调度的先后顺序一次传输数据，这样就确保了每次传输都会成功。
调度可以分为两种类型：
（1）固定分配调度：
采用这种方式的协议把信道容量在所有的用户之间进行平分，而不管用户是否要有数据传输。
分配可以按照时间或频率来进行。
在时分多址的情况下，传输时间分成多个帧，每个用户分配每帧中的固定时间片，并与其他用户分配的时间片之间互补重叠。
频分多址则把信道带宽分成互补重叠的频带，每个用户分配给一个固定的频带。
（2）按需调度：
只有当用户有数据要传输（激活）时才分配资源。
激活的用户按调度的顺序依次进行传输。
它又可以分为集中调度或分布式调度。
集中调度方式是由一个单独的实体对传输进行调度。
而分布式调度协议中，所有的用户都参与调度过程，如今牌环协议就是分布式的。
2.4.2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，并不知道是否会同其他用户发生冲突。
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信息。
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。
随机多地址接入协议可以分为两类：
一类是重复随机多地址接入协议，如ALOHA协议，时隙ALOHA（slotted-ALOHA），载波监听ALOHA（CSMA），以及带有集中控制的ALOHA（ISMA）。
另一类是带有保留的随机接入协议，如带保留的ALOHA（r-ALOHA），包保留的多址接入协议（PRMA）等。
对第1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2类协议来说，用户只能在第1次传输时才无法避免与其他用户发生碰撞，但是当用户成功的完成了它的第1次传输（第1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，这样就不会与其他用户发生竞争。
而如果该用户在一段时间内，没有传送数据，系统将收回分配给它的那部分信道资源。
ALOHA协议由于数据包之间的碰撞而导致的性能下降，CSMA协议能够提供较高的容量，但它应用与无线通信系统时，容易受到“隐终端”问题的影响。
而ISMA协议通过中央基站控制移动终端的数据包传输，降低了数据包之间发生碰撞的概率，以及“隐终端”问题[9]。
2.5ALOHA的基本原理
ALOHA系统的协议非常简单，其工作模式有以下四种：
发送模式（transmissionmode）：
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（listeningmode）：
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（retransmissionmode）：
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（timeoutmode）：
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。
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。
三用户共享同一信道进行信息传输的ALOHA协议的工作过程如图2.3所示。
重发
用户115t
重发重发
236
用户2t
重发
用户347t
信道t
碰撞碰撞成功成功成功
图2.3ALOHA协议工作原理
下面我们对纯ALOHA系统的性能作一简单分析。
设每个数据分组长度为b，由用户送入系统的总业务到达率为每秒Rt个分组，其中成功接收率为每秒R个分组，发生碰撞率为每秒Rr个分组，则有
Rt=R+Rr（pkt/s（2-1）
于是，可以将系统的吞吐量定义为
S’=bR（b/s）（2-2）
将系统的总业务量定义为
G’=bRt（b/s）（2-3）
由于平均吞吐量S'
不可能大于系统的最大传输速率为R，所以归一化吞吐量S不可能大于1，即0≤p≤1。
总业务量G'
取决于用户的需求，它可能很大，所以归一化总业务量G可以大于1。
由图2.4可以看出，为了避免碰撞，一个分组至少需要2t的空闲时间。
因为若在本分组发送前t秒内有另一个用户在发送，则会和前一分组的后部发生碰撞；
若在本分组开始发送的t秒内有另一分组发送，则会和后一分组的前部发生碰撞。
换句话说，成功发送一个分组的条件是在相邻两个t秒的时间间隔内没有其他的消息到达。
t
图2.4避免碰撞的最小时间间隔
若有大量不相关的用户向一个通信系统发送消息，则此通信系统中消息到达的统计特性通常用泊松（Poisson）分布表示。
这就是说，在τ秒时间间隔内有K个新消息到达的概率可以表示为泊松分布：
K≥0（2-4）
式中：
λ为消息的平均到达率。
将式中的λ用总业务到达率
代替，K用0代替，就表示在一个τ的时间间隔内没有消息到达的概率：
（2-5）
因此，在ALOHA系统中一个消息成功传输的概率Ps应该是相邻两内没有消息到故有：
Ps=P（0）*P（0）=
（2-6）
所以综上公式，可以得到总业务到达率
等于接收成功率λ和平均拒收率
之和。
Ps=λ/
（2-7）
（2-8）
从而进一步得到归一化吞吐量：
（2-9）
上式就是我们要求的ALOHA系统中归一化吞吐量和归一化总业务量G的关系。
分析可知，随着G增大，S也逐渐增大，直至某一点后由于碰撞大量增加而开始下降。
S的最大值等于l/2e=0.184，它发生在G=0.5时，即纯ALOHA系统的信道容容量利用率只有18%。
为了提高信道利用率，人们不断对它加以改进[11]。
3多址接入协议建模
3.1多址接入协议仿真模型
实际系统中的协议实现比较复杂，而系统目的是使用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。
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3.1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
升级会员 