多址接入aloha协议仿真毕业设计(编辑修改稿)

多址接入aloha协议仿真毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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（ slottedALOHA），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（ rALOHA），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]。 ALOHA 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（ 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 （ 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。 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 41 页 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 所示。 重发 用户 1 1 5 t 重发 重发 2 3 6 用户 2 t 重发 用户 3 4 7 t 信道 t 碰撞 碰撞 成功 成功 成功 图 ALOHA 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 (21) 于是，可以将系统的吞吐量定义为 S’=bR(b/s) (22) 将系统的总业务量定义为 G’=bRt(b/s) (23) 由于平均吞吐量 S 39。 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 G39。 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 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 避免碰撞的最小时间间隔 本分组 后一分组 前一分组 t 2t 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 41 页 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： λτ*K )λτ()(  ekP k。 K≥0 (24) 式中： λ为消息的平均到达率。 将式中的 λ用总业务到达率τλ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： ττ τλτλτ *!0 )τλ()0(   eeP k (25) 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)= ττλ2e (26) 所以综上公式，可以得到总业务到达率 τλ 等于接收成功率 λ和平均拒收率 τλ 之和。 Ps=λ/ τλ (27) ττλ2τλλ  e (28) 从而进一步得到归一化吞吐量： GGeS 2 (29) 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=，它发生在 G = 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]。 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 41 页 3 多址接入协议 建模 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 所示。 图 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，并按照先进先出的原则进行传输。 缓冲区的容量可以是无限的，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。 这种情况被称为阻塞，它与包传送失败是不同的。 传送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，则称为无限呼叫源模型，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 [9]。 通信信道模型 对无线通信系统和有线通信系统，它们的信道建模是不一样的。 (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他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包产生 包产生 包产生 包产生 缓冲区 接入 （ Buffer） 协议 缓冲区 接入 （ Buffer) 协议 缓冲区 接入 （ Buffer） 协议 缓冲区 接入 （ Buffer） 协议 到达 到达 到达 到达 接入协议 缓冲区 （ Buffer） 终端 1 终端 2 终端 3 终端 N ： ： 包传输 通信信道 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 41 页 模如下： ① 路径损耗：接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 Pr(dBm)=Pt(dBm)+10nlgd/d0 (31) ② 阴影衰落：信号在无线信道传播过程中遇到的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。 协议评价指标 (1)产生的业务量 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，通过数据速率归一化的业务量记为 G。 如果数据传输速率为Ｒ（ bps） ,需要传输的数据比特数 Tt,则有 RTrG (32) 如果数据包为 0，则 G=0. (2)吞吐量 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人别记为 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 RnTS  (33) 如果没有数据包产生，或者所有传输的数据包由于碰撞而被丢弃，则吞吐量变为最小值 ,在所有的单位时间内 ,如果所有的包都被正确传输 ,吞吐量为 1。 (3)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，通过数据包的长度进行归一化，可以得到归一化后的平均时延 D。 评估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 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  1, 1 ≥ ,1  GGGS （ 34） 如图 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 业务量 图 吞吐量与业务量之间的关系 1 吞吐量 1 理想特性 实际特性 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 41 页 每个终端都假设相互独立的随机产生数据包，并且包 产生服从 Possion 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，如果产生的数据包服从 Possion 分布，两个数据包之间服。