ALOHA和CSMA/CA分组无线网络

这个示例使用:

开放模式

这个例子展示了如何使用Simulink®，statflow®和Communications Toolbox™来模拟基本的ALOHA或CSMA金宝app/CA MAC。

背景

阿罗哈:ALOHA是一种开创性的随机访问协议，于1971年开始运行。在ALOHA中，节点在数据包可用时立即发送数据包，而不感知无线运营商。因此，如果同时发送无线数据包，可能会在接收端发生碰撞。因此，通过发送一个简短的确认数据包来确认数据包接收成功。如果没有及时收到确认信息，数据包将在稍后的瞬间重新发送，例如，由二进制指数回退决定。

CSMA / CA:带冲突避免的载波感知多址访问是一种改进的随机访问方案，无线节点在传输数据包之前首先感知无线媒体。如果介质被感知为繁忙，那么传输将被延迟，例如，根据二进制指数后退。避免碰撞是通过以下方式启用的:(我)在信道被感知为空闲后等待帧间间隔(IFS)持续时间，(2)仅在从竞争窗口(即可能的后退持续时间的自适应范围)中随机选择一定数量(不一定是连续的)的感知空闲时隙后发送，(3)交换请求发送帧和清除发送帧(RTS和CTS)。在这三种方法中，本示例对前两种方法(IFS和争用窗口)进行建模。CSMA/CA已被用于以太网、IEEE®802.11和IEEE 802.15.4等标准。

概述

这个例子模拟了一个三节点的PHY/MAC网络。所有节点都在范围内;两个节点之间的传输可以被第三个节点接收并干扰。

缺省情况下，支持节点1到节点3、节点3到节点2、节点2到节点1的数据帧传输。确认帧从节点3传送到节点1，从节点2传送到节点3，从节点1传送到节点2。

MAC方案可以是ALOHA或CSMA/CA，由顶级交换机决定。MAC帧使用基于qpsk的PHY层对PHY波形进行编码或解码。

MAC层以非常精确的时间尺度(每0.8微秒)运行，因为回退持续时间通常比数据帧的持续时间短得多。因此，Simulink模型是基于标金宝app量的(即，大多数信号的长度等于1)，MAC/PHY层不处理帧，即批次的样本。

无线电收发机

每个无线电收发机是一个联合PHY和MAC实现，使接收和发送操作。下一个图的左侧对应PHY层，右侧对应数据链路层(MAC和逻辑链路控制)。

在接收端链上，收发器解码接收波形的PHY层，并将相应的MAC协议数据单元(MPDU)传递给MAC层，MAC层处理数据和确认帧。

在发送端链上，当逻辑链路控制子层确定注入了新的数据帧时，或者当MAC子层需要发送接收到的数据帧的确认信息时，数据链路层发起MAC帧传输。数据MAC帧是由前置MAC头和附加CRC MAC页脚到负载生成的，负载是来自更高的第三层(网络层)的输入。确认MAC帧不包含有效载荷;它们只包含MAC页眉和CRC页脚。

逻辑链路控制

逻辑链路控制(LLC)子层负责向收发器注入数据包。它主要是使用状态流程图来实现的。包到达时间呈指数分布，对应泊松过程。

然后，状态流图计算数据包到达间隔时间，直到下一个数据包到达。这个图表还通过确定附加帧传输的数量(“TxMore”)对大数据包分割为小数据帧建模。

阿罗哈MAC层

当顶级MAC交换机设置为ALOHA时，数据链路层MAC子系统的运行状态基本如下图所示:

图表的左侧负责确认接收到的数据帧。在发送确认信息之前，发射机首先等待一个短帧间间隔(SIFS)。然后，它在确认帧的持续时间内输出一个正的“TxAckOn”信号。

图表的右侧负责传输数据帧。在发送数据帧之前，发射机首先等待一个短的帧间间隔(SIFS)。然后，它传送信号，没有通过在数据帧的持续时间内输出正的TxDataOn信号来感知无线媒体。随后，节点在一定的时间间隔内等待收到应答。如果在超时前收到确认，则当前数据帧传输结束。如果不是，则节点进入回退状态，除了第一个回退实例外，每次都将争用窗口加倍。回退持续时间从[0,CW]间隔中随机选择。如果达到了最大的回退次数，那么收发器就声明传输该数据帧失败。

CSMA / CA MAC层

当顶级MAC交换机设置为CSMA/CA时，数据链路层的MAC子系统本质上的工作状态流程图如下:

CSMA/CA图与ALOHA图有一些相似之处，但也有一些不同之处:

收发器感知无线媒体。
由于无线媒体被感知为空闲，数据帧在帧间间隔(IFS)持续时间过去之前不被传输。
只有当介质被感知为空闲时，后退计数器才会减少。

物理层

发送器:发射机对MPDU位执行QPSK调制。比特率为20mhz，符号率为10mhz。QPSK符号随后用“Tx/Rx Switch”子系统的上升余弦滤波器进行滤波。

渠道:滤波后的PHY波形通过一个网络信道，该信道存在多径衰落和高斯白噪声。网络通道允许每个节点接收由多个其他节点传输的叠加信号。多径衰落应用NetworkChannel系统的块。利用AWGN信道块的多信道能力增加白噪声。

接收方:只有当信号的幅值超过某个阈值时，收发器才会对信号波形进行处理(参见信号检测子系统)。随后，采用决策反馈均衡器(DFE)对接收波形进行均衡;该器件减少了多径衰落引起的码间干扰(ISI)，纠正了小的码元定时偏移和载波偏移，其快速收敛适用于分组网络。接下来，对均衡的QPSK符号进行解调。相应的位被传递给CRC检测器，以识别帧开始、PHY有效载荷长度和帧类型(数据或确认)。

仿真结果

模型仿真显示了每个收发器的一个作用域。每个范围描述每个收发器的传输信号(上轴)和后退计数器(下轴)。

同时，顶级模型用三个显示块描述每个节点的吞吐量。吞吐量是通过测量成功确认数据包的数量来计算的。

进一步的探索

使用的MAC方案可以在ALOHA和CSMA/CA(默认)之间切换。将MAC方案更改为ALOHA会降低默认包到达率的节点吞吐量。这是因为节点无法感知无线运营商，所以ALOHA包冲突更频繁。
数据包到达率可以通过每个节点的对话掩码定制。网络饱和点可以通过经验和迭代找到，例如，逐渐增加每个节点相同的包到达率。提高低到达率可以提高节点吞吐量;增加高到达率(超过饱和点)实际上会对吞吐量产生不利影响，因为包冲突和节点后退更频繁。
如果每个节点的到达率不成比例，那么就可以建立不公平场景。例如，一个节点可能非常频繁地捕获媒体并保持低的争用窗口，而其他节点可能会退出很长时间，只偶尔访问媒体。
您可以在其块掩码处更改节点的随机种子，以启用不同的随机访问场景。例如，对于给定的数据包到达率，随机种子决定第一次传输发生的时间。