多址接入ALOHA协议仿真设计.doc
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1、题 目 多址接入ALOHA协议仿真 学生姓名 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 学生姓名 王超 一、毕业论文设计题目 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、毕业论文设计的内容要求: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
2、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,以及协议评价的性能指标以及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、相关设计文件以及心得体会等)。 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
3、。 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 II陕西理工学院毕业设计多址接入ALOHA协议仿真王超(陕西理工学院 物电学院 电子信息工程专业,2011级3班,陕西 汉中 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背景及其工作原理,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、业务量及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
4、吞吐量与业务量及时延之间的关系,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 physics and Telecommunications Dept.,Shaanxi University of Technology Hanzhong 723000,Shaanxi)Tutor:WuYan Abstract:Th
5、is 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, business volume and average transmission delay, performance indicators. Then according to the protocol, in the MAT
6、LAB 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 traffic and delay, provide a reference to improve the performance of the protocol. Keywords:Multiple access protoc
7、ol; ALOHA; Matlab simulation; performance analysis目录1绪论11.1研究的目的11.2研究主要内容12 多址接入协议22.1 网络体系结构22.1.1 OSI参考模型22.1.2 TCP/IP协议模型22.2 性能的描述与评估32.3多址接入协议概述42.4多址接入协议分类42.4.1 调度多址接入协议52.4.2 随机多址接入协议52.5 ALOHA的基本原理63多址接入协议建模83.1 多址接入协议仿真模型83.2 通信信道模型83.3 协议评价指标93.4 业务源模型104 多址接入协议仿真114.1 网络拓扑模型114.2 ALOHA协
8、议的程序流程114.3 ALOHA协议的仿真结果及分析14总结15致谢16参考文献17附录A 英文文献18附录B 中文翻译26附录C 源程序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
9、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
10、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相同的信道容量。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
11、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 课题研究主要内容 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及其应用开展研究。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,对其数据及性能指标进行分析,进一步分析了不同类型的多址系统的优缺点。 本文主要内容分为四个章节,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内外研究现状、研究的主要成果和发展趋势以及本文主要研究内容。 第二章为理论基
12、础,介绍多址接入技术的分类及工作原理,然后重点阐述随机多址接入技术的原理以及性能的评价指标。 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
13、。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。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
14、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)。它负责在网络内的两个实体之间建立一条端到端的信道,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
15、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
16、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HTTP 协议、SMTP 协议和FTP 协议等4。TCP/IP 体系结构中的运输层和OSI 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
17、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
18、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、要求接入的数量以及通信时长的函数。接入延时概率是指一个接入请求无法被及时接纳时,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
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