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基于Matlab的ALOHA协议仿真设计(2)
图1 数据包通信仿真模型
2.2通信信道
在ALOHA协议仿真过程中,无线通信系统信道建模与有线通信系统是不同的。
(1)在有线通信系统信道建模时,信道属于时不变信道,假设数据包在传输过程中无差错产生,并且各终端传输到接入点的信号功率是相同的。
(2)在无线通信系统信道建模时,信道是时变的。在ALOHA协议仿真中,需要注意路径损耗(两端点之前距离产生的损耗)和阴影衰落(两点间障碍物造成的损耗)。对两种损耗分别建模如下:
11路径损耗:平均接收功率(dBm)与发射机和接收机两点之间距离的对数成反比,即
其中,d为发射天线与接收天线两点间的距离;d0为参考距离,由测试决定;n为路径衰落指数,它的值一般在2-5之间。
22阴影衰落:信号在无线信道传播产生的阴影衰落是随机变化的,属于随机过程,从而使得接收端的接收信号功率也是随机变化的。因此,需要随机模型描述信号的阴影衰落。本仿真实验使用的模型是对数正态阴影模型,该模型衰落的标准差一般在6-10dB之间。
2.3碰撞处理
无论是有线通信模型还是无线通信系统模型,当若干个数据包在信道中同时传输时,必然会发生碰撞,针对有线通信和无线通信信道建模,本仿真实验分别对发生碰撞的数据包做如下处理:
(1)有线通信信道模型:如果数据包一旦发送碰撞,立即丢弃该数据包,然后将数据包作为发送失败处理,没有发生碰撞的数据包依次传送到接收端。
(2)无线通信信道模型:数据包的传输功率与距离以及信道条件密切相关,数据包即使发生碰撞,最大接收功率的数据包也可能正确传输到接收端。这种现象被称为捕获效应。在无线信道中,有些数据包没有发生碰撞,但是当接收端收到的数据包信号功率小于解调需要的最小功率,数据包也会出现错误。
根据实际通信仿真模型,发送端确定信道传输的数据包是否准确,并将检验结果发送给给接收端。如果数据包传输发生错误,发送端将随机等待一段时间后,再次将数据包传送到信道中。
2.4业务量分析
在ALOHA协议仿真过程中,数据业务量是指单位时间内信道正确传输的数据包和传输错误重传的数据包之和,将信道传输业务量记为G,数据包传输速率为R(bps),信道传输总的数据比特数为Tt,则有
其中,当数据包为0,则G=0。
2.5吞吐量计算
在ALOHA协议仿真过程中,信道吞吐量指单位时间内信道成功传输到接入点的数据包总量。如果将吞吐量记为S,数据包传输速率记为R(bps),数据包平均包含的信息比特数记为T,并且假设信道内单位时间正确传输的数据包个数为n,则有
当信道无任何数据包传输,或者信道有数据包传输,但是所有传输的数据包都发送碰撞而数据丢失,则吞吐量为0。当信道在单位时间内无差错传输了所有数据包,则吞吐量为1。
2.6ALOHA协议评价指标
针对ALOHA协议仿真的评价指标主要有系统产生的业务量G,吞吐量S及信道平均传输时延D。假设系统协议最理想的情况下,则有
当系统产生的业务量较少时,吞吐量和业务量成正比的关系,当系统产生的业务量大于系统设定的门限值时,吞吐量和业务量成反比关系。
3ALOHA协议仿真及结果分析
3.1ALOHA协议仿真过程
ALOHA协议是针对计算机通信而设计的,采用的是无线信道传输,接入点是一个无线电收发信机,通过无线信道将数据包传送给系统所有终端设备。假设每个终端设备都有一个地址来。同时终端也有和接入点一样的无线收发信机,所以也能收到来自接入点的数据。当需要向接入点发送信息时,就随机的用同一信道发出去,接入点收到后则应答。由于各终端具有可能发送信息给接入点,所以,有可能发生碰撞。一旦发生碰撞,则两个或两个以上用户的信息就被破坏,接入点无法应答。各终端收不到应答,过一定时间,再随机的重发,直到接入点应答为止。
ALOHA协议吞吐量S与业务量G之间的理论关系式为
其中,假设是无限呼叫源模型,当G=0.5时,最大吞吐量为0.184。
ALOHA协议仿真场景示意图如图2所示。在该仿真场景中,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,终端则随机的分布在距离原地(0,0)为r的圆形平面内,也可以设定终端距离地面的距离不为0。同时,把终端的坐标位置都归一化到整数点上。终端与接入点之间可以是有线信道,也可以是无线信道。
文章来源:《信息通信技术与政策》 网址: http://www.xxtxzz.cn/qikandaodu/2020/0914/755.html