Этот пример показывает, как моделировать основной ALOHA или MAC CSMA/CA с помощью Simulink®, Stateflow® и Communications Toolbox™.
ALOHA: ALOHA является оригинальным протоколом произвольного доступа, который стал операционным в 1 971. В ALOHA узлы передают пакеты, как только они доступны, не обнаруживая оператор беспроводной связи. В результате беспроводные пакеты могут столкнуться в получателе, если они передаются одновременно. Следовательно, успешный пакетный прием подтверждается путем передачи короткого пакета подтверждения. Если подтверждение не получено достаточно своевременное, то пакет данных снова посылается в более поздний момент, определенный, например, к бинарной экспоненциальной задержке.
CSMA/CA: Множественный доступ с контролем несущей с Предотвращением Столкновения является улучшенной схемой произвольного доступа, согласно которой беспроводные узлы сначала обнаруживают беспроводной носитель прежде, чем передать их пакеты данных. Если носитель обнаруживается занятый, то передачи задерживаются, например, согласно бинарной экспоненциальной задержке. Предотвращение столкновения включено путем: (i) ожидания межкадрового интервала (IFS) длительности после того, как канал был обнаружен неактивный, (ii) передачи только после определенного числа (не обязательно непрерывный) обнаруженные слоты времени простоя, выбранные случайным образом из состязательного окна (т.е. адаптивная область значений возможной длительности возврата), (iii) обмена Request To Send и кадрами Clear to Send (RTS и CTS). Из этих трех методов этот пример моделирует первые два (IFS и состязательное окно). CSMA/CA использовался в Ethernet, IEEE® 802.11 и IEEE 802.15.4, среди других стандартов.
Этот пример моделирует сеть PHY/MAC с тремя узлами. Все узлы в области значений; передачи между двумя узлами могут быть получены и вмешаться в третий.
Настройка по умолчанию включает передачи кадра данных из узла 1 к узлу 3 от узла 3 к узлу 2, и от узла 2 к узлу 1. Кадры подтверждения передаются от узла 3 к узлу 1 от узла 2 к узлу 3, и от узла 1 к узлу 2.
Схема MAC может быть или ALOHA или CSMA/CA, как определено переключателем верхнего уровня. Кадры MAC кодируются к или декодируются от формы волны PHY с помощью основанного на QPSK слоя PHY.
Слой MAC действует в очень прекрасном масштабе времени (каждые 0.8 микросекунды), когда длительность возврата обычно намного короче, чем длительность кадра данных. В результате модель Simulink основана на скаляре (т.е. длина большинства сигналов равна 1), и слои MAC/PHY не обрабатывают кадры, т.е. пакеты выборок.
Каждый радио-приемопередатчик, объединенный PHY и реализация MAC, включающая и, получают и передают операции. Левая сторона следующей схемы соответствует слою PHY, в то время как правая сторона соответствует Слою Канала передачи данных (MAC и Управление Логической ссылкой).
На получать-боковой-цепи приемопередатчик декодирует слой PHY полученных форм волны и передает соответствующий Модуль данных о протоколе MAC (MPDU) слою MAC, который обрабатывает кадры подтверждения и данные.
На боковой цепи передачи слой Data Link инициирует передачи кадра MAC или когда подуровень Управления Логической ссылкой решает, что введен новый кадр данных или когда подуровень MAC должен передать подтверждение для принятого кадра данных. Кадры MAC данных сгенерированы путем предварительного ожидания заголовка MAC и добавления нижнего колонтитула MAC CRC к полезной нагрузке, которая является входом от выше, третий слой (сетевой слой). Кадры MAC подтверждения не содержат полезную нагрузку; они только содержат заголовок MAC и нижний колонтитул CRC.
Подуровень Управления логической ссылкой (LLC) ответственен за введение пакетов данных в приемопередатчик. Это в основном реализовано с помощью диаграммы Stateflow. Пакетное межвремя поступления экспоненциально распределяется, который соответствует Пуассоновскому процессу.
Затем диаграмма Stateflow считает в обратном порядке пакетное межвремя поступления, пока следующий пакет не прибывает. Этот график также моделирует сегментацию больших пакетов в меньшие кадры данных путем определения количества дополнительных передач кадра ("TxMore").
Когда переключатель MAC верхнего уровня установлен в ALOHA, подсистема MAC слоя Канала передачи данных по существу действует в качестве следующей диаграммы Stateflow:
Левая сторона графика ответственна за подтверждение принятого кадра данных. Прежде, чем передать подтверждение, передатчик сначала ожидает короткого межкадрового интервала (SIFS). Затем это выводит положительный сигнал 'TxAckOn' на время кадра подтверждения.
Правая сторона графика ответственна за передачу кадра данных. Прежде, чем передать кадр данных, передатчик сначала ожидает короткого межкадрового интервала (SIFS). Затем это передает сигнал, не обнаруживая беспроводной носитель, путем вывода положительного сигнала 'TxDataOn' на время кадра данных. Впоследствии, узел ждет, чтобы получить подтверждение в определенном временном интервале. Если подтверждение получено перед тайм-аутом завершена текущая передача кадра данных. Если это не, то узел вводит состояние возврата, и это удваивает свое состязательное окно (CW) каждый раз за исключением первого экземпляра возврата. Длительность возврата случайным образом выбрана из [0, CW] интервал. Если максимальное количество попыток возврата достигнуто, то приемопередатчик объявляет отказ в передаче этого кадра данных.
Когда переключатель MAC верхнего уровня установлен в CSMA/CA, подсистема MAC слоя Канала передачи данных по существу действует в качестве следующей диаграммы Stateflow:
График CSMA/CA имеет некоторые общие черты с графиком ALOHA, но это также имеет некоторые различия:
Приемопередатчик обнаруживает беспроводной носитель.
Кадры данных не передаются перед межкадровым интервалом (IFS) протекает длительность, поскольку беспроводной носитель был обнаружен как неактивный.
Счетчик возврата постепенно уменьшается только, когда носитель обнаруживается неактивный.
Передатчик: передатчик выполняет модуляцию QPSK на битах MPDU. Битрейт составляет 20 МГц, и уровень символа составляет 10 МГц. Символы QPSK впоследствии отфильтрованы с повышенным фильтром косинуса "подсистемы" Переключателя Tx/Rx.
Канал: отфильтрованная форма волны PHY проходит через сетевой канал, который налагает многопутевое исчезновение и белый гауссов шум. Сетевой канал позволяет каждому узлу получать наложенные сигналы, переданные несколькими другими узлами. Многопутевое исчезновение применяется с помощью блока NetworkChannel System. Белый шум добавляется с помощью многоканальной возможности блока AWGN Channel.
Получатель: Приемопередатчики обрабатывают форму волны сигнала только, когда ее амплитуда превышает определенный порог (см. подсистему Обнаружения Сигнала). Впоследствии, полученная форма волны компенсируется с помощью Эквалайзера обратной связи решения (DFE); этот компонент уменьшает интерференцию межсимвола (ISI), вызванный многопутевым исчезновением, исправляет смещения синхронизации мелкого символа и смещения поставщика услуг, и ее быстрая сходимость удовлетворяет packetized сетям. Затем, компенсируемые символы QPSK демодулируются. Соответствующие биты передаются детектору CRC в порядке идентифицировать, что кадр запускается, длина полезной нагрузки PHY и тип кадра (данные или подтверждение).
Симуляция модели показывает один осциллограф для каждого приемопередатчика. Каждый осциллограф изображает переданный сигнал (главные оси) и счетчик возврата (нижние оси) для каждого приемопередатчика.
В то же время модель верхнего уровня изображает пропускную способность на узел в трех блоках отображения. Пропускная способность вычисляется путем измерения количества успешно подтвержденных пакетов данных.
Используемая схема MAC может быть переключена между ALOHA и CSMA/CA (значение по умолчанию). Изменение схемы MAC к ALOHA приводит к более низкой пропускной способности узла для пакетных частот поступления по умолчанию. Это вызвано тем, что пакеты ALOHA сталкиваются более часто, когда узлы не обнаруживают оператор беспроводной связи.
Пакетные частоты поступления могут быть настроены через диалоговую маску каждого узла. Сетевая точка насыщения может быть опытным путем и итеративно найдена, например, путем постепенного увеличения той же пакетной частоты поступления для каждого узла. Увеличение низких частот поступления может увеличить пропускную способность узла; увеличение высоких частот поступления (мимо точки насыщения) может на самом деле иметь неблагоприятный эффект на пропускную способность, когда пакеты сталкиваются и возврат узлов более часто.
Если частоты поступления непропорциональны для каждого узла, то сценарии неровности могут быть установлены. Например, один узел может получать носитель очень часто и поддерживать низкое состязательное окно, в то время как другие узлы могут отступать в течение долгого времени и только эпизодически получать доступ к носителю.
Можно изменить случайный seed узлов в их маске блока, чтобы включить различные сценарии произвольного доступа. Например, для данной пакетной частоты поступления, случайный seed определяет, как скоро первая передача происходит.
Н. Абрэмсон, системный технический отчет финала ALOHA, управление перспективных исследований НАСА, 11 октября 1974
Стандарт IEEE для беспроводного Среднего управления доступом (MAC) LAN и физического уровня (PHY) спецификации, ноябрь 1997. P802.11
