Ad-Hoc无线网络无线电传输与传播仿真系统

资 源 简 介

该模拟器专门用于仿真无线电传输、传播及接收的全过程，其核心研究对象包括自组无线网络（Ad-hoc radio networks）中的信号冲突现象以及介质访问控制层（MAC-layer）的运行机制。系统架构高度灵活，支持在任意数量的无线传感器节点（motes）上部署不同的应用程序。系统的无线电定义（涉及传播模型和MAC层协议）以及顶层应用均采用插件化设计，这种结构使得研究人员可以方便地替换和扩展特定的通信模型。目前，该工具集成了三种关键的无线电定义文件：radio_channel.m用于基础通道仿真，rad

详 情 说 明

Ad-Hoc无线网络无线电传输与传播仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的专用仿真系统，旨在模拟移动自组网（Ad-Hoc Networks）中的无线电传输、信号传播以及数据接收的全过程。系统重点研究无线信号在物理空间中的衰减特性、信号冲突现象以及介质访问控制层（MAC层）的运行机制。通过高度灵活的架构，研究人员可以在模拟的无线传感器节点上部署不同的应用程序，并测试多种无线信道模型。

功能特性

• 高度灵活的插件化设计：系统的应用层逻辑与无线电物理层定义完全解耦，支持用户在不修改核心逻辑的前提下，通过配置参数快速切换不同的通信协议和信道模型。
• 多维度无线电建模：内置三种核心信道模型，包括基于距离的基础模型、引入阴影衰减的信干噪比（SINR）模型，以及模拟小尺度衰落的瑞利衰落（Rayleigh Fading）模型。
• 冲突检测与干涉模拟：系统精确计算同一时隙内所有发射节点对接收节点产生的功率叠加，通过信干噪比评估信号是否能被成功解码，以此模拟真实环境中的信号冲突。
• 典型应用场景支持：内置多种网络应用范例，涵盖了一维与二维拓扑下的洪泛算法、生成树协议的构建以及针对通信冲突的演练演示。
• 实时可视化监控：仿真过程中可实时观察网络拓扑演化、节点状态变化、信号传输范围、数据包吞吐量以及各节点的链路传输成功率。

使用方法

1. 在MATLAB环境中打开脚本文件。
2. 找到仿真参数配置（cfg）区域，根据需求修改节点数量（node_count）、区域大小（area_size）、发射功率（tx_power）等参数。
3. 通过修改配置中的模型名称来切换环境（例如将信道模型设为 'sinr' 或 'rayleigh'）。
4. 通过修改应用类型参数选择运行不同的案例（如 'flood2d' 或 'spantree'）。
5. 运行脚本，系统将开启可视化窗口并展示仿真过程，结束后将在命令行输出统计报告。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 硬件要求：支持图形化输出的计算设备，基础内存配置即可满足30-100个节点的实时仿真。

实现逻辑与算法分析

1. 系统初始化阶段 系统首先根据配置参数在指定区域内随机分布无线节点。每个节点拥有独立的状态维护空间，包括空间坐标、通信状态（空闲、发射、接收）、数据统计信息（发送数、接收数、冲突数）以及特定协议所需的元数据（如洪泛序列号、生成树父节点、跳数信息）。

2. 核心仿真循环 系统采用离散时间步长管理仿真进程，每个时间步长执行以下逻辑：

• 应用逻辑决策：由应用层插件决定当前哪些节点需要发起发射任务。该模块会根据不同的协议逻辑（如周期性广播、条件触发或概率重传）输出发射列表。
• 物理传播计算：传播模块根据所有发射节点的位置，计算它们到全网所有接收节点的信号功率。这里实现了路径损耗算法（遵循距离平方反比定律），并根据选定的模型引入高斯阴影衰减或瑞利衰落增益。
• 冲突与接收处理：对于每个非发射状态的节点，系统计算其收到的最强信号与其余所有信号（即干扰）及背景噪声的比值。只有当信干噪比（SINR）超过设定的门槛值时，该信号才被视为接收成功，否则记录为一次通信冲突。

3. 应用案例实现细节

• 洪泛算法（Flood1D/2D）：实现了典型的广播机制。在二维洪泛中，为了缓解“广播风暴”导致的严重冲突，代码引入了概率重传逻辑，即节点在收到新包后以特定概率决定是否转发。
• 生成树协议（Spantree）：仿真了根节点周期性发布信标的过程。节点根据收到的跳数（Hop Count）信息选择最优路径（最近跳数）并更新父节点，从而在动态的网络中构建并维护一棵覆盖全网的树状拓扑。
• 冲突演示（Collision Demo）：通过强制指定相邻节点在相同时隙发射，用于展示物理层信号重叠导致的接收失败现象。

4. 统计与可视化算法

• 拓扑绘制：利用散点图展示节点位置，利用连线表示生成树的逻辑链路，并动态绘制发射节点的传输范围圆圈。
• 性能评估：通过实时计算链路成功率（成功接收数 / (成功接收数 + 冲突数)）来量化网络质量。仿真结束后，系统会汇总总发射包数、网络覆盖率等核心指标。

关键过程说明

• SINR计算公式：系统严格遵循信干噪比定义，即 $SINR = P_{signal} / (sum P_{interference} + N_0)$。通过这种方式，系统不仅能模拟节点是否由于距离太远收不到信号，还能模拟由于周围发射源过多导致的“吵闹”环境影响。
• 衰落实现：在瑞利衰落模型中，系统通过两个独立正态分布产生复项信道增益，体现了无线信号在复杂多径环境下的随机剧烈大幅度波动。