多址接入ALOHA协议仿真设计说明

1、 . PAGE37 / NUMPAGES43题 目 HYPERLINK :/27/ZhiDao/ViewReport.aspx?No=28926 o 多址接入ALOHA协议仿真 多址接入ALOHA协议仿真学生 王超 学号 1113014107 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子1103班 指导教师 吴燕 _ 完成地点 博远楼实验室 2015 年 6月 10 日毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 11304107 学生 王超 一、毕业论文设计题目 HYPERLINK :/27/ZhiDao/ViewReport.aspx?No=28926 o 多址接入ALOHA协

2、议仿真 多址接入ALOHA协议仿真二、毕业论文设计工作自 2015 年 1月 10 日 起至 2015 年 6 月 15 日止三、毕业论文设计进行地点: 物电学院实验室 四、毕业论文设计的容要求：学习了解多址接入协议基本原理，多址接入协议的分类，多址接入协议的仿真模型，包括通信信道，包的产生，碰撞，业务量， 吞吐量，平均传输时延等名词概念。在此基础上重点掌握学习ALOHA协议，以与协议评价的性能指标以与这些指标之间的关系。在此基础上建立业务仿真模型，考察存在捕获效应和不存在捕获效应情况下的协议性能，最终得到反映协议性能的参数指标仿真图（业务量，吞吐量，协议延迟），并进行分析。最后撰写毕业设计论

3、文（应包括方案设计、比较与论证、分析与计算、相关设计文件以与心得体会等）。 进度安排： 1月10日3月20日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3月21日4月20日：完成系统整体框架设计，搭建系统，并提交中期检查报告。 4月21日5月20日：完成参数设计并仿真，准备作品验收。 5月21日6月15日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 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（理工学院 物电学院 电子信息工程专业，2011级3班， 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

4、背景与其工作原理，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、业务量与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与时延之间的关系，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 Simulation of multiple access ALOHA protocolWangChao(Grade11,Class03,Major Electronic Information Engineering,Institute of phys

5、ics and Telecommunications Dept.,Shaanxi University of Technology Hanzhong 723000,Shaanxi)Tutor:WuYanAbstract:This paper first introduced the research background of multiple access protocol and working principle, for the study of the ALOHA protocol were in detail, analyzing the system throughput, bu

6、siness volume and average transmission delay, performance indicators. Then according to the protocol, in the MATLAB platform to build simulation model, the ALOHA protocol simulation and carries on the analysis to the income data, to verify the relationship between the throughput and the amount of tr

7、affic and delay, provide a reference to improve the performance of the protocol.Keywords:Multiple access protocol; ALOHA; Matlab simulation; performance analysis目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28343 1绪论 PAGEREF _Toc28343 1 HYPERLINK l _Toc2131 1.1研究的目的 PAGEREF _Toc2131 1 HYPERLINK l _Toc2642 1.2研究主要

8、容 PAGEREF _Toc2642 1 HYPERLINK l _Toc15185 2 多址接入协议2 HYPERLINK l _Toc22807 2.1 网络体系结构2 HYPERLINK l _Toc11372 2.1.1 OSI参考模型2 HYPERLINK l _Toc12199 2.1.2 TCP/IP协议模型2 HYPERLINK l _Toc25779 2.2 性能的描述与评估3 HYPERLINK l _Toc9730 2.3多址接入协议概述4 HYPERLINK l _Toc10928 2.4多址接入协议分类4 HYPERLINK l _Toc17670 2.4.1 调度多

9、址接入协议5 HYPERLINK l _Toc13910 2.4.2 随机多址接入协议5 HYPERLINK l _Toc13602 2.5 ALOHA的基本原理6 HYPERLINK l _Toc17784 3多址接入协议建模8 HYPERLINK l _Toc8053 3.1 多址接入协议仿真模型8 HYPERLINK l _Toc7407 3.2 通信信道模型8 HYPERLINK l _Toc15588 3.3 协议评价指标9 HYPERLINK l _Toc29003 3.4 业务源模型10 HYPERLINK l _Toc11131 4 多址接入协议仿真 PAGEREF _Toc1

10、1131 11 HYPERLINK l _Toc27670 4.1 网络拓扑模型 PAGEREF _Toc27670 11 HYPERLINK l _Toc17299 4.2 ALOHA协议的程序流程 PAGEREF _Toc17299 11 HYPERLINK l _Toc20543 4.3 ALOHA协议的仿真结果与分析 PAGEREF _Toc20543 14 HYPERLINK l _Toc8969 总结 PAGEREF _Toc8969 15 HYPERLINK l _Toc4665 致 PAGEREF _Toc4665 16 HYPERLINK l _Toc6572 参考文献 PA

11、GEREF _Toc6572 17 HYPERLINK l _Toc8509 附录A 英文文献18 HYPERLINK l _Toc6655 附录B 中文翻译 PAGEREF _Toc6655 26 HYPERLINK l _Toc1477 附录C 源程序 PAGEREF _Toc1477 341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

12、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

13、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一样的信道容量。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

14、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与其应用开展研究。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，对其数据与性能指标进行分析，进一步分析了不同类型的多址系统的优缺点。 本文主要容

15、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外研究现状、研究的主要成果和发展趋势以与本文主要研究容。 第二章为理论基础，介绍多址接入技术的分类与工作原理，然后重点阐述随机多址接入技术的原理以与性能的评价指标。 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

16、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（Open Systems Interconnection）七层模型和TCP/IP（Transmission ControlProtocol/ Internet Protocol）四层模型1。2.1.1 OSI参考模型 早在1983 年，国际标准化组织（International Standard Organization , 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。

17、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)。它负责在网络的两个实体之间建立一条端到端的信道，

18、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

19、路层又可细分为媒体接入控制MAC(Medium AccessControl)子层和逻辑链路控制LLC(Logic Link Control)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。2.1.2 TCP/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 协议、SMTP 协议和FTP 协议等4。TCP/IP 体系结构中的运输层和O

20、SI 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体系结构应用层应用层表示层会话层运输层运输层网络层网际层数据链路层网络接口层物理层图2.1 OSI 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

21、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、要求接入的数量以与通信时长的函数。接入延时概率是指一个接入

22、请求无法被与时接纳时，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

23、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。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

24、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一样的容量。(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。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

25、与，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围，但却都在同一基站的通信围。(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（

26、随机接入）协议，以与CDMA协议8。如图2.2所示。多址接入协议竞争（随机接入）协议非竞争（调度）协议 重复随机接入 带保留随机接入按需分配固定分配CDMA混合CDMA DS/FH、TDMA/CDMA纯CDMADS、FH、TH隐式显式 ALOHAS-ALOHA令牌环 传递FDMATDMA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

27、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

28、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

29、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），以与带有集中控制的ALOH

30、A（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，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

31、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，以与“隐终端”问题9。2.5 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

32、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

33、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2.3 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 (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=bR

34、t(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秒的时间间隔没有其他的消息到达。 后一分组 前一分组 t 本分组t 2t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

35、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，在秒时间间隔有K 个新消息到达的概率可以表示为泊松分布： K0 (2-4)式中：为消息的平均到达率。 将式中的用总业务到达率代替，K 用0 代替，就表示在一个的时间间隔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和平均拒收率之和。Ps=/ (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

36、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

37、入点，以与多个终端。其关系如图3.1所示。终端1包传输到达 缓冲区 接入（Buffer） 协议包产生终端2到达 缓冲区 接入（Buffer) 协议包产生 接入协议 缓冲区 （Buffer）终端3：终端N到达到达 缓冲区 接入（Buffer） 协议包产生 缓冲区 接入（Buffer） 协议通信信道包产生图3.1数据包通信系统在仿真系统模型中，终端具有一样的性能，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

38、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。在理论分析常假设是有限呼叫源模型9。3.2 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一样的。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，以与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模如下：路径损耗：接收到的信号功率随着接入点

39、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 (3-1)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。3.3 协议评价指标(1)产生的业务量单位时间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（bps）,需要传输的数据比特数Tt,则有 (3-2)如果数

40、据包为0，则G=0.(2)吞吐量 单位时间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，并且在单位时间成功传输的数据包个数为n,则有 (3-3)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0.此外,在所有的单位时间,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

41、量G，吞吐量S与平均传输时延D。对一个理想的协议来说，吞吐量与业务量之间的关系为 （3-4）如图3.2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理想特性1实际特性吞吐量1 业务量图3.2吞吐量与业务量之间的关系3.4业务源模型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：在一段时间间隔产生的数据包的个数仅与该段

42、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，产生两个与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，两个数据包之间服从负指数分布。 当不同终端发送的数据包发生碰撞时，在重传之前要随机退避一段时间，该时间服从负指数分布，我们可以将这个负指数分布的参数与业务产生的泊松过程参数设为一样的值，以便给出理论分析结果。4 多址接入协议仿真4.1 网络拓扑模型本次仿真的基本网络拓扑是星形拓扑，在一个圆形仿真区域的中心配置了一个接入点(AP)，假设接入点位置坐标为(0，0，h)，其中h 为接入点距离地面的高度，终端则随机分布在距离原点为r

43、 的圆形平面，同时，把终端的坐标位置都归一化到整数点上，网络拓扑模型如图4.1 所示。假设多个终端使用一种随机接入协议接入接入点，每个接入终端具有一样的配置，配置有一个缓冲区，终端产生的数据包在被正确传输之前存储在缓冲区中，缓冲区中的数据包以先入先出的方式进行处理。为简化分析，这里假设所有终端的缓冲区无限大，即不会由于缓冲区大小限制造成阻塞13。Z接入点Y X 终端图4.2网络拓扑模型4.2 ALOHA 的程序流程 图4.3是纯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

44、进行一些参数的初始化，然后根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与业务量与平均传输

45、时延的关系图，直观的反映出协议的性能。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N个时隙在下一个时隙开始时刻发送数据包否否没有发生碰撞考虑捕获效应否是是接收的信号功率大于捕获门限是否发送成功，更新数据包个数成功发送的数据包达到要求数目统计吞吐量和平均传输时延是图4.3 ALOHA协议仿真流程图4.3 ALOHA 协议的仿真结果与分析根据已经得出ALOHA 协议吞吐量S 与业务量G之间的理论关系式为: (4-1)在上述关系式中，当G=0.5 时，最大吞吐量S 为0.184。可以看出，在这种通信方式下,因为存在碰撞，所以信道的利用率是很低的11。利用Matlab

46、 编写程序对ALOHA 协议的仿真结果如图4.4和图4.5所示。图4.4 ALOHA协议的吞吐量与业务量关系图4.5 ALOHA协议的延迟与业务量的关系从图4.4可以看出，在无捕获效应时，ALOHA 协议的最大吞吐量约为0.184，ALOHA 协议吞吐量S 与业务量G之间的理论关系式为: (4-2)当G=0.5时，最大吞吐量S 为0.184，仿真结果与理论值吻合的很好；在存在捕获效应时，从图4.4可以看出最大吞吐量为约为0.23。这是因为当不存在捕获效应时，只要数据包发生碰撞，则所有的数据包都被丢弃，而当存在捕获效应时，要比较数据包功率的相对大小，数据包功率最大，并且大于接收信号功率门限的数据

47、包依然可以正确解调。在这里数据包的功率指的是发送的数据包与成功接收的数据包的比值；接收信号功率门限指的是成功接收数据包的最大门限值。 从图4.5可以看出，有捕获效应时的延迟随业务量的增加基本呈线性增加，而无捕获效应的延迟随业务量的增加呈指数增加。综合以上结果可以看ALOHA 协议在业务量较少时，性能较好，而当业务量增大时，性能随业务量的增加而迅速恶化。总结现代通信网络的复杂和频谱资源的紧缺，使如何分配信道的接入权成为一个非常关键的问题。无论是在局域网中、还是无线通信网络中，接入技术在解决数据冲突和提高网络吞吐量等方面都表现出了出色的功能，在实际应用中，由于业务的突发性与实时性，还存在一定的问题

48、。因此随着网络业务的复杂与增多，研究信道接入技术，根据网络业务特征有效地分配信道资源，提高资源的利用率，改善网络性能，仍然是通信网络研究的重要容。本文首先介绍了多址接入协议的研究背景与主要成果，从常用的网络参考模型入手，对目前广泛研究的纯ALOHA 协议进行了详细阐述具体分析了这协议的基本原理、系统吞吐量、平均传输时延等性能指标，然后基于Matlab 平台进行建模仿真，对所得数据进行了分析，进而比较得出不同类型的多址系统的优缺点，为提高协议性能提供了参考。ALOHA 和CSMA 协议作为基础的随机多址接入协议，目前仍广泛应用。其中ALOHA 协议适合应用于用户负载较低的场合，随着用户数量或发送

49、信息量的增加，这种完全随机接入的协议将使冲突概率增大，传输性能降低。CSMA 协议在性能上虽然优于ALOHA，但是在服务质量保证（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。随着音频、视频等多媒体业务的普与，以与工业应用方面等的特殊要求，使得传统的ALOHA 和CSMA 协议逐渐显得有些捉襟见肘，尤其是在无线局域网方面的CSMA/CA 系统，目前人们对无线网络的呼声也越来越高，当然对网络质量的要求也是越来越苛刻。为适应多媒体业务接入需要，接下来仍需要对多址接入协议进行深入的研究。致本课题的研究是在吴燕老师的精心

50、指导下完成的，感她在我学习期间给我的关心、鼓励和帮助。从论文的选题到最后的定稿，吴老师都给予了我悉心的指导，并给了我一个学习与提高的机会，使我的毕业论文能顺利的完成。吴老师严谨的治学态度、渊博的学识、刻苦专研的科研精神和兢兢业业的工作态度都给我留下了深刻的印象，将对我以后的学习和工作产生深远的影响。在此，本人对导师表示深深的敬意和最诚挚的感。 感理工学院为我提供了优良的学习条件，优雅的学习环境，理工学院浓厚的学术氛围将使我终身难忘。在大学四年中，我学到了很多知识，开阔了视野，感到受益匪浅。感信息与科学工程学院与里仁学院的老师们的指导和帮助！ 最后，感我的父母和家人，他们殷切的期望是我不断进取的

51、动力，他们在各方面都给予了我最无私的帮助和支持，同时，也感所有关心和帮助过我的同学和朋友们！参考文献1王承恕.通信网基础M：人民邮电，2003：2王秉钧.ALOHA 协议的性能分析M通信技术1994(3)：11-143钱华林.Non-persistent CSMA 协议的容量(J)计算机学报1984(3)：194-2004程水英.无线通信中的多址技术与其发展(J)今日电子2004(12)：47-505希仁.计算机网络(M)：电子工业，2011：23-326邵金基于OPNET 的随机接入技术仿真(J)华中师大学硕士学位论文.2007：7徐洋,朱近康无线通信中的随机接入协议研究(J)通信技术200

52、8，41(11)：8谦，式巨无线局域网MAC 接入性能分析(J)无线电工程2003，(6)：9学勇.详解MATLAB/Simulink 通信系统建模与仿真(M)：电子工业，2011：318-34310王申涛，浩，周熙几种随机接入协议的仿真性能比较分析(J)计算机与现代化2006(10)：101-10411佘明辉，东风基于随机多址协议的系统吞吐量分析(J)大学学报2010，28(1)：13-1912徐明远，邵玉斌.Matlab 仿真在现代通信中的应用(M)：电子科技大学，2011：81-9913静基于Matlab 的通信系统仿真(M)：航空航天大学，2010：59-70附录A 英文文献ASAF

53、ALOHA Protocol for Dense RFID SystemsS. Srinivasa Rao E. G. Rajan K. LalkishorePublished online: 28 June 2011 Springer Science+Business Media, LLC. 2011AbstractRFID tags are used for varied applications in large numbers. Human Trackingis one suchimportant application wherein the RFID system detects

54、the presence of a tag in adense tag environment. Quick estimation of the number of tags in the field at a desired levelof accuracy is one of themost common requirements in the present scenario. Identification oftags has become a critical area which need more time and unsuitable inmany situations; es

55、peciallywhere tag set is dense. We introduce a novel medium access control (MAC) protocolfor Radio Frequency Identification (RFID) systems which exploits the statistical informationcollected at the reader. The protocol, termed Adaptive Slot Adaptive Frame (ASAF) ALOHAprotocol, is motivated to signif

56、icantly improve the total read time performance of the currentlysuggested MAC protocols for RFID systems by minimizing the collisions of the tags.In order to perform this task, ASAF estimates the dynamic tag population and adapts theframe size and number of slots simultaneously in the subsequent rou

57、nd via a simple policythat maximizes an appropriately defined function.We demonstrated that ASAF is better thanthe current RFID MAC protocols.We also considered the case where suddenly if the numberof tags increases, the running frame with adapted slots gets flushed away and new framewithincreasednu

58、mber of slots gets adapted automatically by the system showing the robustnessin this case as well.Keywords :ASAF ;ALOHA ;EPC ;RFID1 IntroductionRadio Frequency Identification (RFID) is the most efficient and reliable way to identify anentity and collect data 1,2. In a system, tags with unique identi

59、ties communicate with anRFID reader using a single multiple access channel 3,4. This is essentially considered as aderivative of wireless sensor network. In such a network environment, design of an efficientMAC protocol is of utmost importance. There are various factors leading to the performancedeg

60、radation and the system is said to be operational only if the tags in the range of readerfield are successfully identified in a short amount of time.In recent years, many attempts have been made to tackle the tag-collision problem. Themethods suggested for RFID systems can be classified into two cat