基于matlab的多址接入协议仿真大学论文.docx

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基于matlab的多址接入协议仿真大学论文

目录

1.绪论1

1.1.研究的目的和意义1

1.2.论文研究的背景1

1.3.论文研究内容安排1

2.多址接入协议概述3

2.1.网络参考模型3

2.1.1.OSI参考模型3

2.1.2.TCP/IP参考模型3

2.2.多址接入协议概述4

2.2.1.多址接入协议的分类4

2.3.随机多址接入协议5

2.3.1.完全随机多址接入协议5

2.3.2.纯ALOHA（非时隙ALOHA）协议6

2.3.3.时隙ALOHA协议9

2.3.4.CSMA协议11

2.4.本章小结13

3.多址接入协议仿真模型14

3.1.仿真系统模型14

3.2.仿真场景的建立14

3.3.通信信道模型15

3.4.业务源模型15

3.5.仿真时对碰撞的处理15

3.6.本章小结15

4.随机多址接入协议的仿真16

4.1.程序流程图16

4.1.1.仿真基本流程图16

4.1.2.纯ALOHA协议的仿真程序流程图17

4.1.3.时隙ALOHA协议的仿真程序流程图18

4.1.4.非持续性载波监听（np-CSMA）协议的仿真程序流程图20

4.2.仿真结果和分析21

4.2.1.纯ALOHA协议的仿真21

4.2.2.时隙ALOHA协议的仿真22

4.2.3.非持续性载波监听（np-CSMA）协议的仿真24

4.3.本章小结25

5.结论26

致谢27

参考文献28

基于MATLAB的多址接入协议仿真

摘要

在通信网中，要想成功交换数据，就要遵守一定的规则。

这个规则被称为网络协议。

多址接入协议是一个用于共同使用同一个传输媒质的用户之间成功传递信息的原则，当资源被超过一个独立用户使用时就需要多址接入协议。

随机多址接入协议，是多址接入协议的竞争方式。

本文首先研究了多址接入协议的分类、基本原理以及性能参数，建立了多址接入协议的仿真模型，用MATLAB软件实现ALOHA协议以及非持续性CSMA协议的仿真，并分析参数指标。

纯ALOHA协议工作原理简单，效率比较低，时隙ALOHA协议虽然在其原有基础上做了一些改进，但性能仍然不好。

CSMA协议利用了信道监听技术，使信道利用率得到了极大的提高。

关键词：

多址接入协议；ALOHA协议；MATLAB；CSMA

SimulationofMultipleAccessprotocolbasedonMATLAB

Abstract

Inthecommunicatenetwork,wemustabidebysomerulestoexchangedatesuccessfully.Suchrulesisreferredtoasnetworkprotocol.Multiple accessistheprinciplewhichensuresuccessfullyinformationtransmissionsbytheuserswhousethesametransmissionmedium.Multipleaccessisnecessarywhentheresourceisusedbymorethanoneindependentuser.Randommultipleaccessprotocolisthecompetitivemodeofmultipleaccess.

Inthispaper,theclassification,basicprincipleandperformanceparameterofmultipleaccesswerestudiedfirstly.Secondly,thesimulationmodelofmultipleaccesswassetup.ThesimulationofALOHAprotocolandnon-persistentCSMAprotocolwasalsorealizedbyMATLAB.Finally,theparameterwasanalyzed.

TheefficiencyofthepureALOHAwhohassimpleworkingprincipleisverylow.Slot-ALOHAprotocolisimprovedontheoriginalbasis,butitsperformanceisstillpoor.TheutilizationofchannelhasbeengreatlyimprovedwithCSMAprotocolbytheuseofcarriersense.

KeyWords:

MultipleAccessprotocol,ALOHAProtocol,MATLAB,CSMA.

1.绪论

1.1.研究的目的和意义

通信是一个古老而崭新的话题。

人们在远古时代就用表情和手势进行着信息的沟通，这是最为原始的通信方式，现代意义上的通信是在发现了电流之后，人们试图用电信号进行通信。

从1826年开始至今，现代通信已经发展了快200年，细观历史，可以发现，通信发展的速度是非常迅猛。

通过快速发展的通信网络，人们可以便捷的在网络中进行购物，可以通过高速的网络进行语音和视频的通信。

政府可以通过电子政务，用先进的手段来服务社会和百姓。

这对通信资源的要求变得越来越高，所以我们需要强大的通信网络来支持这些服务。

现代的通信网络，功能强大，结构复杂，如果想对原有的通信系统做出优化，或者是构建一个新的通信系统，直接搭建网络是不可行的。

这样既浪费了大量的时间和经费，还使得网络建设的投资风险大大增加。

新通信系统的设计中几乎都包含了新的算法和硬件技术，仿真则为其提供了绝佳的验证环境。

通过对通信系统的仿真，可以有效的辅助研发与生产。

1.2.论文研究的背景

在通信网络中，对数据的交换是在一定规则下完成的。

我们把这个规则又称为网络协议。

它由语法、语义和同步三部分组成。

当多个用户共同使用同一传输媒介时，数据就会发生冲突，这会对数据接收端产生不好的影响，浪费了时间和资源。

多址接入协议就是为了解决这个问题而提出来的。

ALOHA协议是随机多址接入协议。

它提出于20世纪70年代，是世界上最早最基本的无线数据通信协议。

它的优点是简单性，而正是因为它太过于简单，当负载增加时发生冲突的次数迅速上升，并且信道的利用率最多只有18%。

为了提高信道的利用率，人们对其进行了改良，相继提出了时隙ALOHA协议和CSMA协议。

好的多址接入协议可以让通信网络的功能变得更加强大，而不太好的多址接入协议既浪费了成本，又浪费了用户的时间。

它直接影响着通信网络。

1.3.论文研究内容安排

本文主要研究ALOHA协议和CSMA协议。

文中详细阐述了它们的基本工作原理，并对其性能参数进行了研究和比较。

在理论认识完成后，对其进行建模仿真，得到仿真图形，并从图形中得出结论。

全文由五章组成。

第一章是绪论，阐述了多址接入协议的背景和本文的工作安排。

第二章为理论基础部分，重点介绍了ALOHA协议和CSMA协议。

章节中详细的介绍了它们的基本原理，并研究了其基本性能参数。

第三章为建模部分，建立出协议的模型，构建出仿真场景图。

第四章为协议的仿真部分。

然后利用MATLAB软件分别对纯ALOHA（非时隙ALOHA）协议、时隙ALOHA协议和非持续性载波监听（np-CSMA）协议进行仿真，得到仿真图形，得出结论。

第五章为总结部分，对论文的工作情况进行总结。

2.多址接入协议概述

2.1.网络参考模型

对于复杂的网络协议，其结构应该是层次式的。

通信网络结构复杂，功能强大，其网络模型就是按分层的概念设计的。

七层协议体系结构OSI（OpenSystemsInterconnection）和四层协议体系结构TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是常用的网络分层模型。

2.1.1.OSI参考模型

OSI，即开放式系统互联，也被称为OSI参考模型。

它是国际标准化组织ISO（InternationalStandardOrganization）于1985年研究的网络互联模型。

OSI模型的结构比较复杂，是七层协议体系结构，它由物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层构成[]，其各层名称和实现功能如图2.1所示。

图2.1OSI参考模型的分层和功能图

2.1.2.TCP/IP参考模型

TCP/IP，即传输控制协议/因特网互联协议，也被称为网络通讯协议，是最为基础的网络协议。

它是由“互联网之父”瑟夫（VintonG.Cerf）和卡恩（BobKahn）共同开发完成。

1984年，美国国防部将TCP/IP作为所有计算机网络的标准。

它的模型是四层协议体系结构，由网络接口层、网际层IP、传输层和应用层构成[]。

网络接口层分别完成OSI模型中第1层和第2层的相关任务。

网际层IP它主要完成OSI模型中第3层的相关任务。

传输层的作用与OSI模型中第4层的任务相同。

应用层的任务是向用户提供一组常用的应用程序，为用户的应用进程提供服务，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。

OSI参考模型与TCP/IP参考模型如图2.2所示。

OSITCP/IP

图2.2OSI参考模型与TCP/IP参考模型的结构图

2.2.多址接入协议概述

当多个用户共同使用同一传输媒介时，数据就会发生冲突，这会对数据接收端产生不好的影响，浪费了时间和资源。

多址接入协议就是为了解决这个问题而提出来的。

随着无线通信的普及，它在其中的应用逐渐增多。

但是，如果两个或两个以上的终端在同一基站的通信范围内，由于高山或是大楼的遮挡，让这两个终端不在彼此的通信范围内，就需要解决隐终端的问题，如果相邻的住宅楼使用相同频率，就需要解决共道干扰问题。

2.2.1.多址接入协议的分类

多址接入协议分为非竞争（调度）多址接入协议、竞争（随机）多址接入协议和CDMA协议[]，其分类如图2.3所示。

非竞争（调度）多址接入协议可以分为固定分配多址接入协议和按需分配多址接入协议[]。

固定分配多址接入协议主要有FDMA协议和TDMA协议[]，按需分配一般是令牌环传递。

随机多址接入协议主要由重复随机多址接入协议，如ALOHA协议，时隙ALOHA（slotted-ALOHA）协议，载波监听ALOHA（CSMA）协议以及带保留的随机多址接入协议组成[]。

CDMA协议分为纯CDMA协议和混合CDMA协议。

纯CDMA协议主要有DS-CDMA协议、FH-CDMA协议和TH-CDMA协议。

混合CDMA协议主要有DS/FH协议和TDMA/CDMA协议。

图2.3多址接入协议的分类

2.3.随机多址接入协议

2.3.1.完全随机多址接入协议

完全随机多址接入协议，即ALOHA（AdditiveLinkOn-lineHAwaiiSystem）协议，它又被称为ALOHA技术，ALOHA网。

它是美国夏威夷大学在20世纪70年代提出的一种计算机网络接入协议，是世界上最早最基本的无线数据通信协议。

ALOHA是夏威夷人表示致意的问候语，是“你好”的意思，它同时也是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。

夏威夷大学进行这项研究的目的是为了解决夏威夷各个岛屿之间互相通信的问题。

ALOHA系统的一般模型如图2.4所示。

在图中，站1到站N依次通过接口接入到信道当中，实现了多址接入。

图2.4ALOHA系统的一般模型

2.3.2.纯ALOHA（非时隙ALOHA）协议

纯ALOHA协议是最原始的ALOHA协议，它可以工作在无线信道中，也可以在总线式网络中工作[]。

纯ALOHA协议的基本思想是，只要一个站点想要传输信息帧，它就把信息帧传输出去。

然后它监听一段时间，如果在信息来回传播的最大时延时间的基础上，并再加上一小段固定的时间内收到了确认消息，则可以认为传输成功[]。

其工作原理如图2.5所示。

纯ALOHA协议是可行的，因为每个站点等待的时间是随机的，所以两个或两个以上站点等待相等时间的机会很小，从而也就降低了发生第二次冲突的几率[]。

在纯ALOHA协议中，当信道上的噪声干扰强时，或者是一个站点发送的帧与其他站点发送的帧在同时传输时，发送的帧可能会无效。

帧是否完好无损的检验方法是通过接收点来检查收到的帧中的帧检验序列字段。

如果帧是有效的，并且帧头部的目的地址和收到此帧的站点地址的地址符合，接收站点会马上发出一个确认，确认是通过另一个信道发送，以免对数据传输造成干扰。

图2.5纯ALOHA协议的工作原理

从图2.5中可以看出，如果想要让帧传送成功，信道必须在该帧发送时刻之前和之后各一段时间T0内，没有新生成的帧和重新传送的帧。

在这段时间内，如果有传送的帧进入信道，帧必然会发生碰撞，从而导致传输失败，其冲突危险区如图2.6所示。

图2.6冲突危险区

本文在分析纯ALOHA（非时隙ALOHA）协议的性能时，假设帧的发送、到达和重传服从泊松分布，这样可以更加简化地分析系统。

一般的，通常用吞吐量S和网络负载（offeredload）G这两个归一化参数来分析ALOHA系统。

吞吐量S，又被称为吞吐率，它是在帧的发送时间T0内，发送成功的帧的平均数[]。

显然，0

在这种情况下，帧一个接一个连续地发送，是信道利用率最高的情况。

这种情况是理想情况，不能实现。

因为在现实生活中，用户是众多的，并且用户发送的数据是随机的。

但是，可以用S跟1的接近程度来衡量信道的利用率。

网络负载G是在T0时间内发送的帧的平均数，这里包括发送成功的帧和发送失败需要重新传送的帧。

显然，G≥S，并且G可以远大于1，当碰撞没有发生时，G=S。

在稳定的情况下，二者的关系为：

（2-1）

在2T0的时间内，有k个帧到达的P是：

（2-2）

在公式（2-2）中，2G是在2T0的时间内，帧的平均到达数，所以：

（2-3）

公式（2-3）就是Abramson于1970年首次推导出的ALOHA吞吐量公式。

当G=0.5时，S=0.5e-1=0.1839,这是吞吐率可能达到的最大值，是系统的最大通过率。

其S与G的关系如图2.7所示。

图2.7纯ALOHA协议的吞吐量与网络负载关系曲线

从图2.7中可以观察到，当G大于0.5后，系统变得不稳定，当G增大一些时，发送成功的帧的数量逐渐减少，发生碰撞而导致重新传送的帧又会逐渐增加，网络负载进一步增大，造成不良循环。

在讨论帧的时延时，假设一个帧发出后要经过R倍的T0时间才能收到确认信息，当收到确认信息时，才会发送下一帧。

在情况较为理想的情况下，发送一帧所需的时间是T0（1+R），当如果帧因为发生碰撞而导致重传，情况需另行讨论[10]。

假设由超时定时器决定重传需要经过的时间也是也是R倍的T0，从决定重传到重传完成所需要的时间是n倍的T0，n是一个从1到某一个事先确定的正整数K之间随机选择出的一个整数，重传完毕后还要经过RT0才能收到确认信息[]。

发送一帧所需要的最小时间为：

（2-4）

发送一帧的最大时间是：

（2-5）

设一个帧重传NR次才能发送成功，则发送一个帧所需的平均时间为[]：

（2-6）

从公式（2-6）中可以看出，当K越小，帧碰撞的次数就会越多，导致了重新传送的帧的次数增多，所以要增大K值来减小碰撞概率，当K=5时，是一个最佳选择，可得出：

（2-7）

利用公式（2-3），可推导出：

（2-8）

公式（2-8）反映了随着G的增大，发送的帧的重新传送的次数是按照指数规律增长的。

2.3.3.时隙ALOHA协议

纯ALOHA的理论信道利用率只能达到18.4%。

时隙ALOHA协议对原有协议进行了改进，它将时间划分为一段段等长的间隙（slot），令其长度为T0，帧只有在时隙开始时传输。

它的工作原理是，当一个帧在某个时隙到达后，在下一个时隙开始时才会被传送出去，并期望其不会跟其他站点的帧发生碰撞，在一个时隙内，只要有一个分组发送到，就会传送成功；若有多个分组发送到，则会发生碰撞，碰撞的帧会在后面的时隙内重新传送[7]。

图2.8为其工作原理图。

图2.8时隙ALOHA协议工作原理图

本文在分析它的工作性能时，假设帧的发送、到达和重传服从泊松分布。

由公式（2-7），设一个分组在某个时隙开始前到达，如果在这个时隙内，没有其他分组到达，则分组发送成功，于是可得：

（2-9）

公式（2-9）是Roberts于1972推导出来的时隙ALOHA吞吐量公式。

当G=1时，S=Smax=e-1=0.368，这是吞吐率可能达到的最大值。

两个协议的S与G的关系如图2.9所示。

图2.9时隙ALOAH与纯ALOHA吞吐量曲线图

从图2.9中可以看出，当G大于1后，系统是不稳定的。

因为时隙ALOHA协议在下一个时隙到达时，平均要等待T0/2，因此可得，发送一个分组所需的平均时长为：

（2-10）

当K大于或等于5时，NR基本与K无关，当K=5时，是一个最佳选择，可得出：

（2-11）

两种ALOHA系统的归一化的帧平均传输时延D/T0与吞吐量S的关系曲线如图2.10所示，这是在K=5的前提下得出的[10]。

从图中可以看到，当吞吐量比较小时，纯ALOHA协议的性能比时隙ALOHA协议的性能要好，当吞吐量逐渐增大时，时隙ALOHA能够更好的工作。

图2.10帧平均传输时延与吞吐量的关系曲线

2.3.4.CSMA协议

在上面提到的两个协议中，各站发送数据时对其他站点的情况不做考虑，这样导致分组碰撞重发的几率很大，信道利用率不高。

载波监听多路访问协议即CSMA（CarrierSensingMultipleAccess）协议是先监听信道再发送数据包，它也可以称为先听后说（LBT）。

CSMA协议分为时隙，非时隙和其他类型。

时隙CSMA协议和非时隙CSMA协议又可再分为非坚持、1-坚持和p-坚持[]。

其他CSMA协议主要有在以太网中广泛采用的CSMA/CD协议和在无线局域网中采用的CSMA/CA协议[]。

CSMA协议的基本原理是，所有的站在发送分组之前，首先对信道进行监听，判断是否有其他的站点正在发送数据[13]。

若有，说明信道正忙；若没有，则做出以下的决定：

（1）若信道空闲，是否立即发送；

（2）若信道忙，是否继续监听；

第一步的策略是避免发生不必要的冲突，第二步的策略是优化监听算法，让有的站继续监听或所有监听站都退避一段时间再监听。

2.3.4.1非持续性CSMA协议

非持续性CSMA协议即np-CSMA协议，它能够把传输分组的干扰降到最低。

它的算法如图2.11所示：

图2.11np-CSMA协议的算法

这种算法是尊重别人的。

在讨论其S和G的关系时，假设每个终端的传播延迟都一样，并对数据包传输时间进行归一化，认为是无限呼叫源模型，并且不考虑无线通信中的“隐终端”问题。

其S和G的关系式如下：

（2-12）

2.3.4.21-持续性CSMA协议

1-持续性CSMA协议，避免了资源的浪费。

它的算法如图2.12所示；

图2.121-持续性CSMA协议算法

2.3.4.3P-持续型CSMA协议

P-持续性CSMA协议结合了非持续性CSMA协议和1-持续性CSMA协议的优点，既减少了冲突又减少了空闲时间。

它的算法如图2.13所示：

图2.13P-持续性CSMA协议的算法。

2.4.本章小结

本章节首先介绍了常用的计算机网络参考模型，接着简单介绍了多址接入协议。

本章重点介绍了纯ALOHA协议，时隙ALOHA协议和CSMA协议的基本工作原理，并对这三种协议进行了性能分析[]。

本章是全文的理论基础。

3.多址接入协议仿真模型

3.1.仿真系统模型

本文建立的仿真系统模型是数据包通信系统，这个模型由许多个终端和一个接入点组成。

图3.1为其结构示意图。

在图3.1中，产生的数据包首先到达Buffer，传出是根据FIFO的原则。

在信道中传输的包会接入协议，最后到达接入点。

图3.1数据包通信系统

3.2.仿真场景的建立

仿真场景如图3.2所示。

在该场景中，设接入点的坐标为（0,0,h），h是接入点到地面的高度。

原点坐标为（0,0），r是它的半径，终端随机分布在其中，也可以设定让终端距离地面的距离大于0。

终端与接入点连接的信道既能采用无线信道，也能采用有线信道。

图3.2仿真场景

3.3.通信信道模型

信道是以传输媒介为基础的信号通路，它的作用是传输信号[]。

狭义信道通常按具体媒介的类型不同分为有线信道和无线信道[]。

针对这两种信道，建模的方法是不同的。

有线信道是是理想信道。

无线信道是时变信道，不是理想信道。

路径损耗是由接入点与终端之间的距离造成的，在房间内或在房间外的无线信道中，其关系如公式3-1所示

Pr（dBm）=Pt（dBm）+10nlg

（3-1）

在公式（3-1）中，n为路径衰落指数，其值一般在2到5之间；d0为近地参考距离；d为发射天线与接收天线间的距离。

在城市中的高大的建筑物或者是大自然的一些屏障造成了信号的变化，这就是阴影衰落。

我们对其常用的建模方法是建立对数正态阴影模型[]。

3.4.业务源模型

业务源就是终端产生的数据包。

在建立模型时，设定数据包是被终端随机发送的，并且在发送时都是独立的，而且这些数据包服从泊松分布。

3.5.仿真时对碰撞的处理

在有线通信系统中，数据包一旦发生碰撞，就会被丢弃，会被当做发送失败。

在无线通信系统中，如果数据包发生碰撞，功率大的数据包被接收的概率大。

这种情况是捕获效应。

如果数据包没有发生碰撞，也不会像在有线信道中都会接收成功，如果信道条件差，传输的数据包就会发送失败。

3.6.本章小结

本章建立了仿真系统、场景和业务源模型。

针对无线通信系统和有线通信系统的不同情况，对通信信道分类建立模型，并且分别阐述了仿真时对碰撞的处理方法。

4.随机多址接入协议的仿真

4.1.程序流程图

4.1.1.仿真基本流程图

仿真基本流程图如图4.1所示。

4.1仿真基本流程图

仿真基本流程图展现了仿真的大体流程，构建出仿真程序的基本框架，描绘了仿真程序的基本思路。

因为协议在结构上有着相似性，所以在具体构建这三个协议的仿真流程图时，只需在仿真基本流程图中修改即可。

4.1.2.纯ALOHA协议的仿真程序流程图

仿真程序流程图如图4.2所示。

图4.2纯ALOHA协议仿真的程序流程图

协议实现程序是一个函数，其输入参数capture考虑了是否存在捕获效应，其输出参数由实际产生的业务量、统计的吞吐量和数据包的平均延迟构成。

协议实现程序首先定义了一些参数和信息。

仿真协议时，是根据理论的G的大小进行操作，数据包产生后，终端的状态会跟随产生时间做出相应的调整。

在处理碰撞的问题时，会分两种情况，第一种情况是考虑捕获效应，第二种情况是不考虑捕获效应。

紧接着，终端状态会做出相应的调整，进行下一轮的准备。

因为此次仿真的终端数是有限的，是有限呼叫源模型，所以当成功发送的数据包数目