В этом примере показано, как моделировать базовый MAC ALOHA или CSMA/CA с использованием Simulink ®, Stateflow ® и Communications Toolbox™.
ALOHA: ALOHA - это основополагающий протокол произвольного доступа, который начал функционировать в 1971 году. В ALOHA узлы передают пакеты, как только они доступны, без определения несущей беспроводной связи. В результате беспроводные пакеты могут сталкиваться в приемнике, если они передаются одновременно. Следовательно, успешный прием пакета подтверждается посредством передачи короткого пакета подтверждения. Если подтверждение приема принято недостаточно своевременно, то пакет данных повторно передается в более поздний момент времени, определенный, например, двоичным экспоненциальным откатом.
CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Averance - усовершенствованная схема произвольного доступа, согласно которой беспроводные узлы сначала воспринимают беспроводную среду перед передачей своих пакетов данных. Если среда воспринимается как занятая, то передачи откладываются, например, согласно двоичному экспоненциальному откату. Предотвращение коллизий обеспечивается посредством: (i) ожидания длительности межкадрового интервала (IFS) после обнаружения канала в состоянии ожидания; (ii) передачи только после определенного количества (не обязательно смежных) считанных временных интервалов ожидания, выбранных случайным образом из окна конкуренции (т.е. адаптивного диапазона возможных длительностей задержки); (iii) обмена запросом на отправку и очисткой от отправки. Из этих трех методов в этом примере моделируются первые два (IFS и окно конкуренции). CSMA/CA используется в Ethernet, IEEE ® 802,11 и IEEE 802,15,4, среди прочих стандартов.
В этом примере моделируется трехузловая сеть PHY/MAC. Все узлы находятся в пределах диапазона; передачи между двумя узлами могут приниматься третьим узлом и создавать помехи ему.
Конфигурация по умолчанию позволяет передавать кадры данных от 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 ALOHA или CSMA/CA, как определено коммутатором верхнего уровня. Кадры MAC кодируются или декодируются из формы сигнала PHY с использованием уровня PHY на основе QPSK.
Уровень MAC работает с очень тонкой шкалой времени (каждые 0,8 микросекунды), так как длительность задержки обычно намного короче, чем длительность кадра данных. В результате модель Simulink основана на скалярах (т.е. длина большинства сигналов равна 1), и уровни MAC/PHY не обрабатывают кадры, т.е. партии выборок.
Каждый радиоприемопередатчик является совместной реализацией PHY и MAC, позволяющей как принимать, так и передавать операции. Левая сторона следующей диаграммы соответствует уровню PHY, в то время как правая сторона соответствует уровню канала передачи данных (MAC и управление логическим каналом).
В цепочке на стороне приема приемопередатчик декодирует уровень PHY принятых сигналов и передает соответствующий блок данных протокола MAC (MPDU) на уровень MAC, который обрабатывает данные и кадры подтверждения.
В цепи на стороне передачи уровень канала передачи данных инициирует передачи кадров УДС либо тогда, когда подуровень управления логическим каналом определяет, что новый кадр данных введен, либо когда подуровню УДС необходимо передать подтверждение для принятого кадра данных. Кадры УДС данных генерируются путем предварительной подготовки заголовка УДС и добавления нижнего колонтитула УДС ЦИК к полезной нагрузке, которая является входом с более высокого, третьего уровня (сетевого уровня). Кадры MAC подтверждения не содержат полезной нагрузки; они содержат только верхний и нижний колонтитулы CRC MAC.
Подуровень управления логическим каналом (LLC) отвечает за ввод пакетов данных в приемопередатчик. В основном он реализуется с помощью диаграммы Stateflow. Время между пакетами экспоненциально распределяется, что соответствует процессу Пуассона.
Затем диаграмма Stateflow подсчитывает время между поступлениями пакетов до поступления следующего пакета. Эта диаграмма также моделирует сегментацию больших пакетов на меньшие кадры данных путем определения количества дополнительных передач кадров («TxMore»).
Если для MAC-коммутатора верхнего уровня установлено значение ALOHA, подсистема MAC канального уровня передачи данных по существу работает как следующая диаграмма Stateflow:
Левая часть диаграммы отвечает за подтверждение принятого кадра данных. Перед передачей подтверждения передатчик сначала ожидает короткого межкадрового интервала (SIFS). Затем он выдает положительный сигнал «TxAckOn» в течение кадра подтверждения.
Правая часть диаграммы отвечает за передачу кадра данных. Перед передачей кадра данных передатчик сначала ожидает короткого межкадрового интервала (SIFS). Затем он передает сигнал, не считывая беспроводную среду, путем вывода положительного сигнала «TxDataOn» в течение длительности кадра данных. Затем узел ожидает приема подтверждения в течение определенного временного интервала. Если подтверждение принято перед тайм-аутом, текущая передача кадра данных завершается. Если это не так, то узел переходит в состояние задержки и каждый раз удваивает окно конкуренции (CW), за исключением первого экземпляра задержки. Длительность задержки выбирается случайным образом из интервала [0, CW]. Если достигнуто максимальное количество попыток возврата, то приемопередатчик объявляет о сбое в передаче этого кадра данных.
Если для MAC-коммутатора верхнего уровня установлено значение CSMA/CA, подсистема MAC канального уровня по существу работает как следующая диаграмма Stateflow:
Диаграмма CSMA/CA имеет некоторые сходства с диаграммой ALOHA, но она также имеет некоторые различия:
Приемопередатчик воспринимает беспроводную среду.
Кадры данных не передаются до истечения длительности межкадрового интервала (IFS), поскольку беспроводная среда считана свободной.
Счетчик задержки уменьшается только тогда, когда среда воспринимается как свободная.
Передатчик: Передатчик выполняет модуляцию QPSK для битов MPDU. Скорость передачи данных составляет 20 МГц, а скорость передачи символов - 10 МГц. Символы QPSK затем фильтруются с помощью фильтра с увеличенным косинусом подсистемы «Tx/Rx Switch».
Канал: Отфильтрованный сигнал PHY проходит через сетевой канал, что накладывает многолучевое замирание и белый гауссовый шум. Сетевой канал позволяет каждому узлу принимать наложенные сигналы, передаваемые множеством других узлов. Многолучевое замирание применяется с помощью блока «» Система «». Белый шум добавляется с использованием многоканальных возможностей блока канала AWGN.
Приемник: Приемопередатчики обрабатывают сигнал только тогда, когда его амплитуда превышает определенный порог (см. подсистема обнаружения сигнала). Затем принятый сигнал выравнивается с использованием корректора обратной связи принятия решения (DFE); этот компонент уменьшает межсимвольные помехи (ISI), вызванные замиранием многолучевого распространения, корректирует небольшие смещения синхронизации символов и смещения несущих, а его быстрая сходимость подходит для пакетированных сетей. Затем демодулируются выровненные символы КФМ. Соответствующие биты передаются на детектор CRC, чтобы идентифицировать начало кадра, длину полезной нагрузки PHY и тип кадра (данные или подтверждение).
Моделирование модели показывает один объем для каждого приемопередатчика. В каждом объеме изображен передаваемый сигнал (верхние оси) и счетчик отката (нижние оси) для каждого приемопередатчика.
В то же время модель верхнего уровня отображает пропускную способность для каждого узла 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 (по умолчанию). Изменение схемы MAC на ALOHA обеспечивает более низкую пропускную способность узла для скоростей поступления пакетов по умолчанию. Это происходит потому, что пакеты ALOHA сталкиваются чаще, поскольку узлы не воспринимают беспроводную несущую.
Скорости поступления пакетов можно настроить с помощью маски диалога каждого узла. Точка насыщения сети может быть найдена эмпирически и итеративно, например, путем постепенного увеличения одной и той же скорости поступления пакета для каждого узла. Увеличение низких скоростей поступления может увеличить пропускную способность узла; увеличение высоких скоростей поступления (за пределами точки насыщения) может фактически оказывать вредное влияние на пропускную способность по мере того, как пакеты сталкиваются и узлы чаще отступают.
Если скорости поступления непропорциональны для каждого узла, то могут быть установлены сценарии несправедливости. Например, один узел может очень часто захватывать носитель и поддерживать низкое окно конкуренции, в то время как другие узлы могут отступать в течение длительного времени и только эпизодически обращаться к носителю.
Можно изменить случайное начальное число узлов в их блочной маске, чтобы включить различные сценарии произвольного доступа. Например, для заданной скорости поступления пакета случайное начальное число определяет, как скоро происходит первая передача.
Н. Абрамсон, окончательный технический отчет системы ALOHA, Агентство перспективных исследовательских проектов НАСА, 11 октября 1974 г.
Стандарт IEEE для спецификаций управления доступом к среде беспроводной локальной сети (MAC) и физического уровня (PHY), ноябрь 1997 г. P802.11