ALOHA和CSMA/CA分组无线网络

这个示例使用:

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这个例子展示了如何使用模拟的Simulink，Stateflow®和通信工具箱™碱性ALOHA或CSMA / CA MAC。万博1manbetx

出身背景

阿罗哈:ALOHA的是，在1971年在ALOHA开始运作开创性随机存取协议，节点发送的数据包只要这些是可用的，而不感测的无线载体。其结果是，无线数据包可能是当它们被同时发送在接收机处发生碰撞。因此，成功的分组接收通过发送短确认分组确认。如果未接收到确认足够及时的，则数据分组是重发在稍后的时刻确定的，例如，通过二进制指数退避。

CSMA/CA：载波侦听具有冲突避免的多址是一种改进的随机接入方案，根据该无线节点发送它们的数据分组之前第一感测所述无线平台。如果介质被感测到忙，则传输被推迟，例如，根据二进制指数退避。防撞被使能：(我)在信道被感知为空闲后等待帧间间隔(IFS)持续时间，（ⅱ）仅在从争用窗口（即，可能退避持续时间的自适应范围）随机选择一定数量（不一定连续）的感测空闲时隙之后进行传输，(iii)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。

默认配置启用从节点1到节点3、从节点3到节点2以及从节点2到节点1的数据帧传输。确认帧从节点3发送到节点1，从节点2发送到节点3，从节点1发送到节点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层编码到PHY波形或从PHY波形解码。

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模型是基于标万博1manbetx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)。

在接收侧链，收发器解码接收到的波形的PHY层，并传递相应的MAC协议数据单元（MPDU）给MAC层，其处理数据和确认帧。

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）子层负责将数据包注入收发器。它主要使用状态流程图来实现。数据包到达间隔时间呈指数分布，对应于泊松过程。

然后，状态流程图倒计时数据包到达时间，直到下一个数据包到达。该图表还通过确定附加帧传输（“TxMore”）的数量，对将大数据包分割成更小的数据帧进行建模。

ALOHA MAC层

当顶层MAC开关设置为ALOHA时，数据链路层的MAC子系统基本上操作为以下状态流图表：

图表的左侧负责确认接收到的数据帧。在发送确认之前，发射机首先等待较短的帧间间隔（SIFS）。然后，在确认帧的持续时间内，它输出一个正的“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，没有通过在数据帧期间输出正“TxDataOn”信号来感应无线媒体。随后，节点等待在特定时间间隔内接收确认。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，则节点进入退避状态，并且除第一个退避实例外，每次都将其争用窗口（CW）加倍。退避持续时间从[0，CW]间隔中随机选择。如果达到退避尝试的最大次数，则收发机宣布传输此数据帧失败。

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图表与ALOHA图表有一些相似之处，但也有一些不同之处：

收发机感知无线媒体。
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。
退避计数器递减，只有当介质被感测空闲。

实体层

发射机：发射机对MPDU位执行QPSK调制。比特率为20 MHz，符号率为10 MHz。随后使用“Tx/Rx开关”子系统的升余弦滤波器对QPSK符号进行滤波。

频道：将过滤的PHY波形通过网络信道，其中规定的多径衰落和白高斯噪声。网络通道允许每个节点接收由多个其它节点发送叠加的信号。多径衰落是使用施加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:只有当信号波形的振幅超过某个阈值时，收发器才会对其进行处理（参见信号检测子系统）。随后，使用判决反馈均衡器（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），校正了较小的符号定时偏移和载波偏移，其快速收敛适用于分组网络。接下来，解调均衡的QPSK符号。相应的位被传递到CRC检测器，以便识别帧开始、PHY有效负载长度和帧类型（数据或确认）。

模拟结果

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发射信号（顶轴）和退避计数器（底轴）。

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。

再探

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。
如果到达率是不相称的每个节点，那么不公平的情况可以成立。例如，一个节点可以是捕捉介质非常频繁和维持低的争用窗口，而其他节点可以回退时间长和只是偶尔访问介质。
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。