基于MATLAB的MAC协议仿真分析

朱逢园 党旺

摘要：随者无线网络技术和互联网的快速发展，无线局城网凭借着灵活、力便等优势，已经被广泛应用。本文以MATLAB软件为主要开发工具，分析了MAC层的DCF访问机制，在MATLAB平台上实现IEEE 802.11系列标准协议中关键物理层技术和MAC层接入机制的性能仿真和验证。

关键词：无线局域网;MAC;DCF

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）10-0039-01

1 序言

随着无线网络技术的快速发展，MAC作为媒体访问控制协议，其主要作用是控制每个通信节点对信道的访问，解决冲突，实现高效共享。近年来，许多研究者致力于IEEE802.11无线网络性能的分析、研究和改进，但大部分工作局限于无AP无线局域网的性能，能够用于提高AP通信能力（通常称为提高节点的优先级）的研究很少，本文将系统研究无线网络中常用的MAC层协议，并对其进行仿真。

2 IEEE802.11 MAC接入控制协议概述

MAC层的功能主要由层协议来完成，层协议定义了访问媒体的规则。层协议决定了网络容量，系统频率利用率、网络性能等，以及无线媒体访问控制的协调功能，包括分布式协调功能、协调功能、协调功能混合等[1]。

2.1 CSMA/CA载波侦听机制

该技术是利用载波传感技术来比较待测信号与参考点。如果信号强度低于参考点，则说明频带尚未使用。工作站可以使用这个带宽发送和接收数据。反之，如果信号强度高于参考点，说明当前传输介质处于忙碌状态，则工作站必须延迟传输时间，继续检测传输介质，直到传输介质处于空闲状态，才能传输帧。在标准中，物理层评估无线媒体的空闲时间，并使用物理载波截取该层对无线传输介质的占用情况进行估计，利用网络分配向量进行估计，实现虚拟截取，避免不必要的传输尝试。只有当两种监听机制的监听结果空闲时，才可以认为无线媒体处于空闲状态。

DCF（Distributed Coordination Function ）采用载波侦听多址访问冲突避免的方法控制访问信道。接入机制以为主，在传输数据之前，无线媒体会被检查是否处于空闲状态。为了避免冲突，在使用信道时，其他站点会随机分配一段后退时间[2]。

2.2 DCF机制仿真及分析。文章主要基于MATLAB平台来完成仿真分析，基于时隙同时处理多个STA的通信，程序的正确运行通过标志位来实现。当STA需要发送数据时，需要知道信道此时的状况，如果信道处于空闲状态，则等待DIFS时间后进行传输，需要注意的是如果上—帧传输失败则需要等待EIFS时间后传输;如信道是忙状态，则无法传输，需要继续等待空闲状态的到来，退避算法在等待DIFS时间后便会启动。发送端模块主要包括：数据产生、错误概率模拟、退避过程、ACK接收检测。假设STA有Z帧需要传输，在每个时隙中，都需进行物理侦听和虚拟侦听，来确定信道的状态，如果是空闲，则检查接入STA的数量，如果只有一个站点，直接接入Wlan-simulation函数传输数据;如果有多个站点在竞争，则启动退避算法，占据信道的STA接入函数传输数据;如果忙碌，使用信道傳输数据的STA等待接收ACK帧，待信道进入空闲状态DIFS时间后开启退避过程[3]。

仿真条件：物理层采用DSSS方式（竞争窗口初始值CWmin=32，极限退避时间阶数m=5，SlotTime=20 ，传输速率2Mbps），误码率0，分组总长度50slots，各STA处于饱和状态。

从图看出，对比值的结果非常接近，随着STA数的增加，WLAN的有效吞吐量呈现衰减程度增大的趋势。通过MATLAB编写仿真程序模拟无接入点的WLAN的DCF协议，并绘制图表如图3-2。有接入点的WLAN得有效吞吐量与无接入点的WLAN的有效吞吐量的1/（n+1）十分接近[4]。

由于实际中物理信道不可能是完全可靠的。首先定义误包率PER：数据分组错误的概率，这里假设数据分组中只要有一位数据发生误码，整个数据分组就不能被正确接收。所以它和误码率有如下关系：

其中L是数据分组长度，根据协议标准，只要发送端没有接收到ACK，竞争窗口就会加倍，因此，完全可以将发生误码的情况考虑进来。

仿真假定STA数量为5，从图3-3中看出，有效吞吐量随误码率单调递减。但这里所选取的误码率是十分大的，实际情况中误码率一般在10-6数量级[5]，所以影响是比较有限的。

3 总结

无线局域网的不断发展，使得人们对WLAN的要求也越来越高，MAC层的接入机制对提升系统性能的重要性。本文主要研究了DCF接入机制。采用MATLAB工具，完成对MAC层接入机制DCF模块的仿真分析。要提高系统吞吐量，除了在接入信道算法上需要做改进外，侦听技术上的改进也非常重要，今后将作进一步研究。

参考文献：

[1]罗振东.下一代WLAN技术标准802.11ac/ad[J].现代电信科技，2011（12）：10-14.

[2]彭泳，程时端.一种自适应无线局域网协议[J].软件学报，2013（04）.

[3]冯正勇.基于IEEE802.11eEDCA的下行信道动态无竞争接入机制[J].计算机应用研究，2011.20（8）：3083-3085

[4]李云，陈前斌，隆克平等.通过自适应调整最小竞争窗口最大IEEE802.11DCF的饱和吞吐量[J].电子与信息学报，2011.28（10）：1930-1934.

[5]阮象华，徐德军.OFDM系统中定时偏移的估计技术[J].电视技术，2001年11期.