В этом примере показано, как симулировать базовый MAC ALOHA или CSMA/CA с помощью Simulink ®, Stateflow ® и Communications Toolbox™.
ALOHA: ALOHA является основополагающим протоколом случайного доступа, который начал действовать в 1971 году. В ALOHA узлы передают пакеты, как только они доступны, без измерения беспроводной несущей. В результате беспроводные пакеты могут сталкиваться с приемником, если они передаются одновременно. Следовательно, успешный прием пакета подтверждается передачей короткого пакета подтверждения. Если подтверждение не получено достаточно своевременно, то пакет данных передается в более поздний момент времени, определяемый, например, двоичным экспоненциальным обратным вызовом.
CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avaidance - это улучшенная схема произвольного доступа, согласно которой беспроводные узлы сначала ощущают беспроводную среду перед передачей своих пакетов данных. Если среда измеряется занятой, то передачи задерживаются, например, в соответствии с двоичным экспоненциальным отставанием. Предотвращение столкновения обеспечивается: (i) ожиданием интервала между кадрами (IFS) после того, как канал был определен как бездействующий, (ii) передачей только после определенного количества (не обязательно непрерывных) измеренных временных интервалов простоя, выбранных случайным образом из окна конфликта (т.е. адаптивного диапазона возможных длительностей обратного вызова), (iii) запросом обмена Из этих трех методов этот пример моделирует первые два (окно IFS и конфликт). CSMA/CA используется в Ethernet, IEEE ® 802,11 и IEEE 802,15,4, помимо других стандартов.
Этот пример моделирует трехузловую сеть PHY/MAC. Все узлы находятся в пределах области значений; передачи между двумя узлами могут быть приняты третьим узлом и мешать ему.
Строение по умолчанию позволяет передавать системы координат данных от узла 1 к узлу 3, от узла 3 к узлу 2 и от узла 2 к узлу 1. Системы координат 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 либо ALOHA, либо CSMA/CA, как определяется коммутатором верхнего уровня. MAC- систем координат кодируются или декодируются с формы сигнала PHY с помощью основанного на QPSK слоя PHY.
Слой MAC работает с очень тонкой временной шкалой (каждые 0,8 микросекунды), так как длительность отката обычно намного короче, чем длительность системы координат данных. В результате модель Simulink основана на скаляре (то есть длина большинства сигналов равна 1), и слои MAC/PHY не обрабатывают системы координат, то есть пакеты выборок.
Каждый радиопередатчик является совместной реализацией PHY и MAC, обеспечивающей как операции приема, так и операции передачи. Левая сторона следующей схемы соответствует слою PHY, в то время как правая сторона соответствует слою ссылки передачи данных (MAC и управление логической ссылкой).
В цепи приемной стороны приемопередатчик декодирует слой PHY принятых форм волны и передает соответствующий модуль данных протокола MAC (MPDU) на уровень MAC, который обрабатывает данные и системы координат подтверждения.
На цепь со стороны передачи Ссылки слоя данных инициирует передачи MAC- системы координат либо тогда, когда Ссылка управления логическим подслоем определяет, что вводится новая система координат данных, либо когда MAC- подслоя нужно передать подтверждение для принятой системы координат данных. Системы координат MAC данных сгенерированы путем предварительной подготовки заголовка MAC и добавления нижнего колонтитула MAC CRC к полезной нагрузке, которая является входом от более высокого, третьего слоя (слоя сети). MAC- систем координат подтверждения не содержат полезную нагрузку; они содержат только заголовок MAC и нижний колонтитул CRC.
Подслой Logical Link Control (LLC) отвечает за внедрение пакетов данных в приемопередатчик. В основном он реализован с использованием диаграммы Stateflow. Межаривальное время пакета распределено экспоненциально, что соответствует пуассоновскому процессу.
Затем диаграмма Stateflow отсчитывает время взаимного поступления пакета до прибытия следующего пакета. Этот график также моделирует сегментацию больших пакетов в меньшие системы координат данных путем определения количества дополнительных передач систем координат («TxMore»).
Когда MAC-коммутатор верхнего уровня установлен в ALOHA, MAC-подсистема слоя ссылки данных по существу действует как следующая диаграмма Stateflow:
Левая часть графика отвечает за подтверждение полученной системы координат данных. Перед передачей подтверждения передатчик сначала ожидает короткого межкадрового интервала (SIFS). Затем он выводит положительный сигнал 'TxAckOn' на время системы координат подтверждения.
Правая сторона графика отвечает за передачу системы координат данных. Перед передачей системы координат данных передатчик сначала ожидает короткого межкадрового интервала (SIFS). Затем он передает сигнал, не чувствуя беспроводную среду, путем вывода положительного сигнала 'TxDataOn' на время системы координат данных. Впоследствии узел ожидает приема подтверждения в течение определенного временного интервала. Если подтверждение получено перед тайм-аутом, завершается передача текущей системы координат данных. Если это не так, то узел входит в состояние обратной связи и каждый раз удваивает свое окно конкуренции (CW), за исключением первого образца обратной связи. Длительность резервного копирования выбирается случайным образом из интервала [0, CW]. Если достигнуто максимальное количество попыток обратного вызова, приемопередатчик объявляет отказ в передаче этой системы координат данных.
Когда MAC-коммутатор верхнего уровня установлен в CSMA/CA, MAC-подсистема слоя ссылки данных по существу действует как следующая диаграмма Stateflow:
CSMA/CA графика имеет некоторое сходство с графиком ALOHA, но также имеет некоторые различия:
Приемопередатчик определяет беспроводную среду.
Системы координат данных не передаются до истечения длительности межкадрового интервала (IFS), поскольку беспроводная среда была измерена как бездействующая.
Обратный счетчик уменьшается только, когда среда измеряется как бездействующая.
Передатчик: Передатчик выполняет QPSK модуляцию на битах MPDU. Скорость передачи битов составляет 20 МГц, а скорость передачи символов - 10 МГц. Символы QPSK затем фильтруются фильтром приподнятого косинуса подсистемы «Tx/Rx Switch».
Канал: Отфильтрованная форма волны PHY проходит через сетевой канал, который накладывает многолучевой и белый гауссов шум. Сетевой канал позволяет каждому узлу принимать наложенные сигналы, переданные несколькими другими узлами. Многолучевое замирание применяется с помощью блока NetworkChannel System. Белый шум добавляется с помощью многоканальной возможности блока AWGN Channel.
Приемник: Приемопередатчики обрабатывают сигнал сигнал только, когда его амплитуда превышает определенный порог (см. «Подсистема обнаружения сигналов»). Впоследствии принятая форма волны выравнивается с помощью эквалайзера обратной связи принятия решения (DFE); этот компонент уменьшает межсимвольную интерференцию (ISI), вызванную многолучевым замиранием, исправляет небольшие смещения временных параметров символа и смещения несущей, и его быстрая сходимость подходит для пакетированных сетей. Затем демодулируются выравниваемые символы QPSK. Соответствующие биты передаются на детектор CRC в порядок для идентификации начала системы координат, длины полезной нагрузки PHY и типа системы координат (данные или подтверждение).
Симуляция модели показывает одну возможность для каждого приемопередатчика. Каждые возможности изображают переданный сигнал (верхние оси) и обратный счетчик (нижние оси) для каждого приемопередатчика.
В то же время модель верхнего уровня изображает пропускную способность по узлам в трех блоках отображения. Пропускная способность вычисляется путем измерения количества успешно подтвержденных пакетов данных.
Используемая схема MAC может переключаться между ALOHA и CSMA/CA (по умолчанию). Изменение схемы MAC на ALOHA приводит к снижению пропускной способности узла для скорости поступления пакетов по умолчанию. Это связано с тем, что пакеты ALOHA сталкиваются чаще, так как узлы не чувствуют беспроводную несущую.
Скорость поступления пакетов может быть настроена через диалоговую маску каждого узла. Точка насыщения сети может быть эмпирически и итеративно найдена, например, путем постепенного увеличения одной и той же скорости поступления пакета для каждого узла. Увеличение низкой скорости прибытия может увеличить пропускную способность узла; увеличение высоких частот прибытия (после точки насыщения) на самом деле может оказать пагубный эффект на пропускную способность, так как пакеты сталкиваются и узлы выполняют обратный вызов чаще.
Если коэффициенты прибытия непропорциональны для каждого узла, то могут быть установлены сценарии несправедливости. Для примера один узел может очень часто захватывать носитель и поддерживать окно низкой конкуренции, в то время как другие узлы могут возвращаться в течение длительного времени и только спорадически обращаться к носителю.
Вы можете изменить случайный seed узлов в их блочной маске, чтобы включить различные сценарии случайного доступа. Для примера для заданной скорости поступления пакета случайный seed определяет, как скоро происходит первая передача.
N. Abramson, The ALOHA System Final Technical Report, NASA Advanced Research Projects Agency, 11 октября 1974 г.
Стандарт IEEE для управления доступом к среде беспроводной локальной сети (MAC) и физическим Слоем (PHY) Спецификаций, ноябрь 1997. P802.11
