基于MATLAB的MAC協議仿真分析

朱逢園 黨旺

摘要：隨者無線網絡技術和互聯網的快速發展，無線局城網憑借著靈活、力便等優勢，已經被廣泛應用。本文以MATLAB軟件為主要開發工具，分析了MAC層的DCF訪問機制，在MATLAB平臺上實現IEEE 802.11系列標準協議中關鍵物理層技術和MAC層接入機制的性能仿真和驗證。

關鍵詞：無線局域網;MAC;DCF

中圖分類號：TN929?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）10-0039-01

1?序言

隨著無線網絡技術的快速發展，MAC作為媒體訪問控制協議，其主要作用是控制每個通信節點對信道的訪問，解決沖突，實現高效共享。近年來，許多研究者致力于IEEE802.11無線網絡性能的分析、研究和改進，但大部分工作局限于無AP無線局域網的性能，能夠用于提高AP通信能力（通常稱為提高節點的優先級）的研究很少，本文將系統研究無線網絡中常用的MAC層協議，并對其進行仿真。

2?IEEE802.11 MAC接入控制協議概述

MAC層的功能主要由層協議來完成，層協議定義了訪問媒體的規則。層協議決定了網絡容量，系統頻率利用率、網絡性能等，以及無線媒體訪問控制的協調功能，包括分布式協調功能、協調功能、協調功能混合等[1]。

2.1 CSMA/CA載波偵聽機制

該技術是利用載波傳感技術來比較待測信號與參考點。如果信號強度低于參考點，則說明頻帶尚未使用。工作站可以使用這個帶寬發送和接收數據。反之，如果信號強度高于參考點，說明當前傳輸介質處于忙碌狀態，則工作站必須延遲傳輸時間，繼續檢測傳輸介質，直到傳輸介質處于空閑狀態，才能傳輸幀。在標準中，物理層評估無線媒體的空閑時間，并使用物理載波截取該層對無線傳輸介質的占用情況進行估計，利用網絡分配向量進行估計，實現虛擬截取，避免不必要的傳輸嘗試。只有當兩種監聽機制的監聽結果空閑時，才可以認為無線媒體處于空閑狀態。

DCF（Distributed Coordination Function ）采用載波偵聽多址訪問沖突避免的方法控制訪問信道。接入機制以為主，在傳輸數據之前，無線媒體會被檢查是否處于空閑狀態。為了避免沖突，在使用信道時，其他站點會隨機分配一段后退時間[2]。

2.2 DCF機制仿真及分析。文章主要基于MATLAB平臺來完成仿真分析，基于時隙同時處理多個STA的通信，程序的正確運行通過標志位來實現。當STA需要發送數據時，需要知道信道此時的狀況，如果信道處于空閑狀態，則等待DIFS時間后進行傳輸，需要注意的是如果上—幀傳輸失敗則需要等待EIFS時間后傳輸;如信道是忙狀態，則無法傳輸，需要繼續等待空閑狀態的到來，退避算法在等待DIFS時間后便會啟動。發送端模塊主要包括：數據產生、錯誤概率模擬、退避過程、ACK接收檢測。假設STA有Z幀需要傳輸，在每個時隙中，都需進行物理偵聽和虛擬偵聽，來確定信道的狀態，如果是空閑，則檢查接入STA的數量，如果只有一個站點，直接接入Wlan-simulation函數傳輸數據;如果有多個站點在競爭，則啟動退避算法，占據信道的STA接入函數傳輸數據;如果忙碌，使用信道傳輸數據的STA等待接收ACK幀，待信道進入空閑狀態DIFS時間后開啟退避過程[3]。

仿真條件：物理層采用DSSS方式（競爭窗口初始值CWmin=32，極限退避時間階數m=5，SlotTime=20 ，傳輸速率2Mbps），誤碼率0，分組總長度50slots，各STA處于飽和狀態。

從圖看出，對比值的結果非常接近，隨著STA數的增加，WLAN的有效吞吐量呈現衰減程度增大的趨勢。通過MATLAB編寫仿真程序模擬無接入點的WLAN的DCF協議，并繪制圖表如圖3-2。有接入點的WLAN得有效吞吐量與無接入點的WLAN的有效吞吐量的1/（n+1）十分接近[4]。

由于實際中物理信道不可能是完全可靠的。首先定義誤包率PER：數據分組錯誤的概率，這里假設數據分組中只要有一位數據發生誤碼，整個數據分組就不能被正確接收。所以它和誤碼率有如下關系：

其中L是數據分組長度，根據協議標準，只要發送端沒有接收到ACK，競爭窗口就會加倍，因此，完全可以將發生誤碼的情況考慮進來。

仿真假定STA數量為5，從圖3-3中看出，有效吞吐量隨誤碼率單調遞減。但這里所選取的誤碼率是十分大的，實際情況中誤碼率一般在10-6數量級[5]，所以影響是比較有限的。

3?總結

無線局域網的不斷發展，使得人們對WLAN的要求也越來越高，MAC層的接入機制對提升系統性能的重要性。本文主要研究了DCF接入機制。采用MATLAB工具，完成對MAC層接入機制DCF模塊的仿真分析。要提高系統吞吐量，除了在接入信道算法上需要做改進外，偵聽技術上的改進也非常重要，今后將作進一步研究。

參考文獻：

[1]羅振東.下一代WLAN技術標準802.11ac/ad[J].現代電信科技，2011（12）：10-14.

[2]彭泳，程時端.一種自適應無線局域網協議[J].軟件學報，2013（04）.

[3]馮正勇.基于IEEE802.11eEDCA的下行信道動態無競爭接入機制[J].計算機應用研究，2011.20（8）：3083-3085

[4]李云，陳前斌，隆克平等.通過自適應調整最小競爭窗口最大IEEE802.11DCF的飽和吞吐量[J].電子與信息學報，2011.28（10）：1930-1934.

[5]阮象華，徐德軍.OFDM系統中定時偏移的估計技術[J].電視技術，2001年11期.