基于Aloha协议的通信性能仿真分析系统

资 源 简 介

本仿真项目旨在详细模拟经典随机接入协议Pure Aloha（纯Aloha）与Slotted Aloha（时隙Aloha）的工作过程及其性能差异。系统核心功能包含模拟多个独立节点在竞争信道上的数据包产生与发送逻辑，其中数据包的到达间隔严格遵循泊松分布过程。在Pure Aloha模块中，系统实时监测数据包在时间轴上的重叠情况，精准识别碰撞冲突并计算易损时间窗口；在Slotted Aloha模块中，系统构建离散的时隙结构，强制所有数据包在时隙起点对齐发送。该仿真程序能够自动统计大量随机实验中的成功传输数、碰撞总

详 情 说 明

Aloha协议通信性能仿真分析系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的通信协议仿真平台，专门用于研究随机接入网络中的两种基础协议：纯Aloha（Pure Aloha）与时隙Aloha（Slotted Aloha）。通过数值计算与离散事件模拟，系统对比了在不同网络负载（Load）条件下信道的吞吐量（Throughput）表现。该工具能够直观演示随机竞争机制对通信信道利用率的影响，并定量分析由于数据包冲突导致的性能衰减。

功能特性

• 双平衡仿真架构：同步实现了纯Aloha与时隙Aloha两种物理层接入逻辑，支持在相同实验初始条件下进行性能横向对比。
• 严格泊松过程模拟：通过控制数据包到达的时间间隔，准确模拟了多用户随机接入时流量的统计特性。
• 高精度冲突检测：实现了时域重叠冲突判定机制，精确捕捉短时间窗口内的信号干涉。
• 多维度性能评估：不仅计算传统的系统吞吐量，还统计了传输成功率、负载负荷等关键指标。
• 自动可视化分析：仿真结束后自动生成直观的性能对比曲线图，包括仿真观测值与数学理论值的拟合对比。

系要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 工具箱需求：建议安装 Statistics and Machine Learning Toolbox（用于调用泊松分布随机数生成函数）。

实现逻辑说明

1. 仿真控制流程 系统首先定义了一系列的归一化负载参数G（从0.01到3.0），代表单位时间内尝试发送的平均数据包数量。针对每一个负载点，系统会自动触发两个独立的仿真引擎（纯Aloha与时隙Aloha），运行设定数量的样本实验，最后汇总统计数据。

2. 纯Aloha (Pure Aloha) 实现逻辑

• 到达时间生成：根据给定的负载G，计算到达率lambda。利用指数分布的反函数方法（-log(rand)/lambda）生成每个数据包的到达时间间隔，并通过累加获得绝对时间戳。
• 冲突判定准则：系统遍历所有产生的数据包，检查每个包在其发送时间点前后的易损窗口（2倍包长度）内是否存在其他数据包。若包i与包i-1或包i+1的时间差小于数据包长度L，则判定为发生碰撞。
• 统计计算：将未发生碰撞的包计为成功传输，通过（成功包数 * 包长度 / 总仿真时长）计算得出实际吞吐量。

3. 时隙Aloha (Slotted Aloha) 实现逻辑

• 离散结构构建：系统将仿真时间划分为等长的时隙，强制所有数据包在时隙边界处对齐。
• 泊松抽样：利用泊松分布生成每个时隙内落入的数据包数量。
• 传输规则模拟：

* 若某个时隙内产生的包数量正好等于1，则认为该时隙传输成功。 * 若数量大于1，则判定为碰撞（冲突），该时隙所有包均发送失败。 * 若数量等于0，则时隙空闲。

• 统计计算：吞吐量被定义为成功发送的时隙总数与总时隙数的比值。

4. 结果可视化逻辑 程序内置了绘图模块，能够将仿真得到的离散数据点与理论公式（S = G * exp(-2G) 和 S = G * exp(-G)）生成的连续曲线绘制在同一坐标系下。通过双子图布局，系统展示了吞吐量随负载的变化趋势以及信道接入成功率的下降趋势。

关键算法与细节分析

• 易损时间（Vulnerable Time）算法：在纯Aloha模块中，系统严格遵守2L时长原则。这意味着任何两个包只要在时间轴上存在哪怕极微小的交叠，系统都会通过逻辑索引将这些包全部标记为无效，这准确还原了实际无线电环境中信号叠加导致的解码失败。
• 归一化处理：为了简化计算，代码将数据包长度L统一设置为1，将时间轴和吞吐量的计算均建立在归一化标准之上，使得仿真结果具有通用参考价值。
• 泊松过程转换：在时隙Aloha中，虽然也可以用时间戳模拟，但代码采用了更高效的“每时隙抽样法”。这种方法通过poissrnd函数直接模拟宏观统计特性，在大样本量下不仅保证了数学上的严谨性，还显著提升了仿真运行效率。
• 吞吐量与载荷平衡：系统通过实时计算总观察时长（ arrival_times(end) + L ）来作为分母，修正了由于随机过程导致的仿真时间波动，确保了实验测得的S值（吞吐量）在高负载下的稳定性。

使用方法

1. 启动MATLAB，并将当前工作目录切换至本项目文件夹。
2. 在命令行窗口输入主程序名称并回车。
3. 系统将自动开始循环计算不同负载下的通信表现。
4. 仿真完成后，MATLAB将弹出性能分析图表，同时在命令行窗口通过文本形式输出纯Aloha与时隙Aloha的峰值吞吐量数据及其对应的负载点。