ALOHA和CSMA/CA分组无线网络

这个例子使用了:

开放模式

这个例子展示了如何使用Simulink®、Stateflow®和Communications Toolbox™来模拟一个基本的ALOHA或C金宝appSMA/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，只要数据包可用，节点就会发送数据包，而不会感知无线运营商。因此，如果无线数据包同时传输，它们可能会在接收器上发生碰撞。因此，通过发送一个简短的确认包来确认成功的数据包接收。如果没有及时接收到确认，则数据包在稍后确定的时刻重发，例如通过二进制指数回退。

CSMA / CA:防碰撞载波侦听多路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先感知无线介质。如果介质被检测到繁忙，则传输被延迟，例如，根据二进制指数回退。通过以下方式启用碰撞避免:(我)在检测到信道空闲后等待帧间距(IFS)持续时间，(2)仅在从争用窗口(即可能回退持续时间的自适应范围)随机选择的一定数量(不一定是连续的)感知空闲时隙之后发送，(3)交换请求发送和清除发送帧(RTS和CTS)。在这三个方法中，本例对前两个方法(IFS和争用窗口)建模。CSMA/CA已应用于以太网、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。

默认配置支持节点1到节点3、节点3到节点2、节点2到节点1之间的数据帧传输。确认帧从节点3传输到节点1，从节点2传输到节点3，从节点1传输到节点2。

MAC方案可以是ALOHA，也可以是CSMA/CA，由顶级交换机决定。MAC帧使用基于qpsk的PHY层编码到PHY波形或从PHY波形解码。

MAC层以非常精细的时间尺度(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，即批量样本。

无线电收发机

每个无线电收发器都是一个PHY和MAC的联合实现，可以同时进行接收和发送操作。下图的左边对应物理层，而右边对应数据链路层(MAC和逻辑链路控制)。

在接收端链上，收发器对接收到的波形进行PHY层解码，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。

在传输端链上，当逻辑链路控制子层确定注入新的数据帧时，或者当MAC子层需要对接收到的数据帧发送确认时，数据链路层启动MAC帧传输。数据MAC帧是通过预先添加一个MAC报头并将一个CRC MAC页脚附加到来自更高的第三层(网络层)的输入的有效负载来生成的。确认MAC帧不包含有效负载;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)子层负责将数据包注入收发器。它主要是使用状态流程图实现的。报文到达间隔时间呈指数分布，符合泊松过程。

然后，状态流图计算数据包到达时间，直到下一个数据包到达。该图表还通过确定附加帧传输的数量(“TxMore”)来模拟将大数据包分割为更小的数据帧。

阿罗哈MAC层

当顶层MAC开关设置为ALOHA时，数据链路层MAC子系统的基本工作状态图如下:

图表的左侧负责确认接收到的数据帧。在发送确认之前，发送器首先等待一个短帧间距(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。在传输数据帧之前，发送器首先等待一个短帧间距(SIFS)。然后，它传送信号，没有传感无线介质，通过在数据帧的持续时间内输出一个正的“TxDataOn”信号。随后，节点在一定的时间间隔内等待接收确认。如果在超时之前收到确认，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，每次都将其争用窗口(CW)翻倍。回退时间从[0,CW]间隔中随机选择。如果达到回退尝试的最大次数，则收发器在传输此数据帧时宣布失败。

CSMA/CA MAC层

当顶层MAC开关设置为CSMA/CA时，数据链路层MAC子系统的基本工作状态图如下:

CSMA/CA图表与ALOHA图表有一些相似之处，但也有一些不同之处:

收发器感知无线介质。
在帧间距(IFS)持续时间过去之前，数据帧不会传输，因为无线介质已被感知为空闲。
只有当介质被检测到空闲时，回退计数器才递减。

物理层

发送器:发射机在MPDU位上执行QPSK调制。比特率为20mhz，符号率为10mhz。QPSK符号随后用“Tx/Rx开关”子系统的凸起余弦滤波器进行过滤。

渠道:经过滤波的PHY波形通过一个网络信道，这施加了多径衰落和高斯白噪声。该网络信道允许每个节点接收由多个其他节点传输的叠加信号。方法应用多路径衰落NetworkChannel系统的块。白噪声是使用AWGN信道块的多信道能力添加的。

接收方:收发器仅在其幅度超过一定阈值时处理信号波形(见信号检测子系统)。随后，使用决策反馈均衡器(DFE)对接收到的波形进行均衡;该组件减少了多径衰落引起的码间干扰(ISI)，纠正了小符号定时偏移和载波偏移，收敛速度快，适用于分组网络。然后，对均衡后的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范围。每个示波器描述每个收发器的传输信号(上轴)和后退计数器(下轴)。

同时，顶层模型在三个显示块中描述每个节点的吞吐量。吞吐量通过测量成功确认的数据包的数量来计算。

进一步的探索

所使用的MAC方案可以在ALOHA和CSMA/CA(默认)之间切换。将MAC方案更改为ALOHA会降低默认数据包到达率的节点吞吐量。这是因为由于节点无法感知无线运营商，所以ALOHA数据包的碰撞更加频繁。
报文到达速率可以通过每个节点的对话掩码进行定制。网络饱和点可以通过经验和迭代的方法找到，例如逐步增加每个节点的相同数据包到达率。提高低到达率可以提高节点吞吐量;提高高到达率(超过饱和点)实际上会对吞吐量产生不利影响，因为数据包碰撞和节点更频繁地后退。
如果每个节点的到达率不成比例，则可以建立不公平的场景。例如，一个节点可能非常频繁地捕获媒体，并保持较低的争用窗口，而其他节点可能会在很长一段时间内退出，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速率，随机种子决定第一次传输发生的时间。