无线通信ARQ协议仿真与实验系统

资 源 简 介

本系统是一个完整的无线网络通信实验平台，核心功能在于实现多种典型的ARQ（自动重传请求）协议，包括停止等待协议（Stop-and-Wait）、后退N帧协议（Go-Back-N）以及选择性重传协议（Selective Repeat）。系统通过构建包含发射机、无线衰落信道（如AWGN或Rayleigh信道）和接收机在内的闭环仿真环境，精确模拟了数据链路层在复杂电磁环境下的差错控制行为。其具体实现方法包含序列号生成、数据帧封装、CRC循环冗余校验码应用、ACK/NACK反馈信令处理以及重传定时器超时机制。应用场

详 情 说 明

基于MATLAB的无线通信ARQ协议仿真与实验系统

项目介绍

本系统是一个专门用于无线网络通信教学与研究的仿真平台，聚焦于数据链路层的差错控制技术。系统通过MATLAB编程，完整模拟了发射机、带有加性高斯白噪声（AWGN）的无线信道以及接收机的通信全过程。其核心目标是展示和对比三种经典的自动重传请求（ARQ）协议：停止等待协议（Stop-and-Wait）、后退N帧协议（Go-Back-N）以及选择性重传协议（Selective Repeat）。通过本系统，用户可以直观地观察到在不同信噪比（SNR）环境下，不同重传机制对系统吞吐量和误包率的实际影响。

功能特性

1. 协议全覆盖：完整实现了SW、GBN和SR三种链路层重传协议的逻辑仿真。
2. 差错检测机制：内置手动实现的CRC-3循环冗余校验算法，模拟真实的帧校验过程。
3. 物理层仿真：等效模拟BPSK调制解调过程，并在信道中加入可调功率的AWGN噪声。
4. 动态参数配置：支持自定义信噪比范围、数据包长度、发送窗口大小、最大重传次数等关键参数。
5. 性能闭环分析：系统不仅计算吞吐量（Throughput），还统计误包率（PER），并自动生成对比曲线图。
6. 模块化设计：代码逻辑清晰，功能函数分解明确，便于二次开发或扩展。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 硬件要求：标准PC即可，无需高性能GPU或特殊DSP硬件。
3. 工具箱要求：本系统采用纯脚本编写，不依赖特定的通信工具箱（Communications Toolbox），具备极强的通用性。

核心实现逻辑

系统运行流程严格遵循无线通信的物理层与数据链路层交互规范：

1. 初始化阶段：定义信噪比序列、仿真包总数、CRC校验多项式以及各协议所需的窗口跨度。
2. 循环仿真阶段：针对每一个SNR点，依次调用三个协议仿真函数。
3. 协议执行细节：

• 停止等待协议：每发送一个数据包即停下等待校验结果，若失败则重传，直至收到ACK或达到最大重传上限。
• 后退N帧协议：按照滑动窗口连续发送包，若序列中的某个包校验失败，发送端会从该包开始及其后续所有包重新发送，体现了按序接收的特点。
• 选择性重传协议：允许接收端缓存失序到达的包，发送端仅对校验失败的特定数据包进行重传，显著提升信道利用率。

1. 信号处理模拟：数据包在传输前进行BPSK映射（0->-1, 1->1），在信道中叠加高斯噪声，接收端通过零电平判决进行硬件解调。
2. 结果生成：最终将统计数据转化为可视化图表，展示吞吐量随SNR上升而提高、误包率随SNR上升而下降的趋势。

关键函数与算法分析

1. 停止等待仿真函数：利用while循环实现单包确认机制。其核心在于逻辑变量acked的切换，只有在CRC校验通过时，成功计数值才增加，确保了传输的可靠性。

1. 后退N帧仿真函数：引入了next_frame_to_send和ack_expected两个指针维护发送状态。模拟了发送端窗口填满逻辑，当发生错误时，通过重置发送指针强制执行“回退”动作，真实反映了该协议的非选择性重传特性。

1. 选择性重传仿真函数：使用布尔逻辑数组ack_status记录每个原始数据包的确认状态。通过ptr_base指针滑动来管理当前活跃窗口，只针对状态为false的包触发传输尝试，实现了高效率的精准重传。

1. CRC校验算法：系统手动实现了位异或（bitxor）运算来模拟模2除法。add_crc函数负责在原始序列后拼接校验码，check_crc函数负责验证余数是否为零。这种底层实现方式有助于深入理解循环冗余校验的数学原理。

1. 信道模型函数：根据输入的SNRdB值计算噪声标准差。该函数实现了从位流到电平信号的转换、加噪以及反向判决，是衡量ARQ协议在不同坏信道环境下表现的基础。

使用方法

1. 启动MATLAB并进入主程序所在的文件夹。
2. 在命令行窗口输入主程序名称并回车。
3. 程序自动开始仿真并在命令行实时显示当前计算的SNR进度。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出包含“归一化吞吐量”和“误包率（PER）”两个子图的性能分析界面。
5. 命令行窗口会同步打印出一份包含SNR、SW吞吐量、GBN吞吐量和SR吞吐量的对比报表。