基于matlab的多址接入协议仿真大学论文.doc

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1、目录1.绪论11.1.研究的目的和意义11.2.论文研究的背景11.3.论文研究内容安排12.多址接入协议概述32.1.网络参考模型32.1.1.OSI参考模型32.1.2.TCP/IP参考模型32.2.多址接入协议概述42.2.1.多址接入协议的分类42.3.随机多址接入协议52.3.1.完全随机多址接入协议52.3.2.纯ALOHA（非时隙ALOHA）协议62.3.3.时隙ALOHA协议92.3.4.CSMA协议112.4.本章小结133.多址接入协议仿真模型143.1.仿真系统模型143.2.仿真场景的建立143.3.通信信道模型153.4.业务源模型153.5.仿真时对碰撞的处理153

2、.6.本章小结154.随机多址接入协议的仿真164.1.程序流程图164.1.1.仿真基本流程图164.1.2.纯ALOHA协议的仿真程序流程图174.1.3.时隙ALOHA协议的仿真程序流程图184.1.4.非持续性载波监听（np-CSMA）协议的仿真程序流程图204.2.仿真结果和分析214.2.1.纯ALOHA协议的仿真214.2.2.时隙ALOHA协议的仿真224.2.3.非持续性载波监听（np-CSMA）协议的仿真244.3.本章小结255.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

3、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；CSMASimulation of Mult

4、iple Access protocol based on MATLABAbstractIn the communicate network, we must abide by some rules to exchange date successfully. Such rules is referred to as network protocol. Multipleaccess is the principle which ensure successfully information transmissions by the users who use the same transmis

5、sion medium. Multiple access is necessary when the resource is used by more than one independent user. Random multiple access protocol is the competitive mode of multiple access.In this paper, the classification, basic principle and performance parameter of multiple access were studied firstly. Seco

6、ndly, the simulation model of multiple access was set up. The simulation of ALOHA protocol and non-persistent CSMA protocol was also realized by MATLAB. Finally, the parameter was analyzed.The efficiency of the pure ALOHA who has simple working principle is very low. Slot-ALOHA protocol is improved

7、on the original basis, but its performance is still poor. The utilization of channel has been greatly improved with CSMA protocol by the use of carrier sense.Key Words: Multiple Access protocol, ALOHA Protocol, 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

8、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

9、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

10、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

11、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（Open Systems Interconnection）和四层协议体系结构TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet P

12、rotocol）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（International Standard Organization）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、应用层构成王吉. 浅析OSI七层协议在互联网中的效应J. 价值工程,2010,03:153.，其各层名称和实现功能如图2.1所示。图2.1 OSI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

13、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（Vinton G.Cerf）和卡恩（Bob Kahn）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聂新明,文元美,罗丽. 基于6LoWPAN的WSN网络与CAN总线互联集成J. 科学技术与工程,2011,04:868-873.。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

14、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。OSI TCP/IP图2.2 OSI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

15、. 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协议金山,吴翔宇,倪淑燕. 两种接入协议在临近空间通信网中的应用分析J. 电子测量技术,2015,09:135-138.，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孙加敏. 超短波跳频电台多址接入技术研究D.西安电子科技大学,2012.。固定分配多址接入协议主要有FDMA协议和TDMA协议张光辉. 多跳Ad Hoc网络中时分多址接入协议研究D.西安电子科技大学,2006.，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

16、，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刘涛. LTE网络中M2M业务随机接入拥塞避免研究D.西安电子科技大学,2013.。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（Additive Link On-line HAwaii Sys

17、tem）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2.4 ALOHA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

18、在总线式网络中工作邵金侠. 基于OPNET的随机接入技术仿真D.华中师范大学,2007.。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徐玉滨,宋立媛,沙学军. 基于自相似业务模型的实时调度算法研究J. 电子与信息学报,2006,01:158-162.。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张义超. 一种无线分组综合

19、接入系统的研究D.东南大学,2004.。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

20、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（offered load）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王继高. 基于移动通信系统随机接入过程的研究D.南京理工大学,2006.。显然，0Sr); if length(indx)=0 break end mxy(:,indx)=randsrc(2,length(indx),-r:r);mxy(3,ind

21、x); %超过r重新生成位置坐标enddistance=sqrt(sum(ones(Mnum,1)*bxy).-mxy).2); %终端距离接入点的距离mrnd=randn(1,Mnum); %每个终端的阴影衰落%*仿真参数*G=0.1:0.1:1,1.2:0.2:2; %理论业务量for indx=1:length(G) %* 初始化相关参数 * Tint =-Ttime/log(1-G(indx)/Mnum); %数据包产生间隔的期望值 Rint =Tint; %数据包重传间隔的期望值 Spnum=0; %成功传输的包个数 Splen=0; %成功传输的符号的个数 Tplen=0; %成功传输的符号数 Wtime=0; %传输延迟时间(s) mgtime =-Tint*log(1-rand(1,Mnum); %初始数据包产生时刻 mtime =mgtime; %终端的状态改变时刻 Mstate =zeros(1,Mnum); %终端状态 Mplen(1:Mnum)=Plen; %每个终端传输的数据包长度大小 now_time =min(mtime); %* 仿真循环 *