WiFi MAC层协议性能仿真系统

资 源 简 介

本项目是一个专门用于模拟和分析WiFi MAC层运行机制的MATLAB仿真平台，完整实现了IEEE 802.11系列标准中的核心媒体访问控制功能。系统基于离散事件驱动的建模方法，深入刻画了CSMA/CA协议的逻辑流程，包括物理载波侦听与基于网络分配矢量（NAV）的虚拟载波侦听机制。核心算法涵盖了二进制指数退避过程，能够精确模拟争用窗口的变化、不同类型的帧间隔（如SIFS、DIFS）以及四次握手（RTS/CTS/Data/ACK）机制以解决隐藏终端问题。该模型支持多节点并发接入场景，允许用户自定义节点位置、

详 情 说 明

基于IEEE 802.11标准的WiFi MAC层协议性能仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的离散时间驱动（Discrete Time-Driven）WiFi MAC层协议仿真平台。系统专注于IEEE 802.11标准中的核心机制，特别是分布式协调功能（DCF）下的载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）协议。通过对物理载波侦听、虚拟载波侦听（NAV）、退避算法以及四次握手机制的精密建模，该系统能够深入分析无线网络在多节点并发访问环境下的动态行为，并量化评估网络吞吐量、时延和冲突概率指标。

功能特性

1. 完整的握手机制实现：支持RTS（请求发送）、CTS（允许发送）、Data（数据传输）以及ACK（确认帧）的四次握手全过程。
2. 虚拟载波侦听（NAV）：实现了基于网络分配矢量的预约机制，节点可根据侦听到的帧长度信息更新自身的NAV状态，有效缓解隐藏终端问题。
3. 二进制指数退避（BEB）算法：模拟了争用窗口（CW）在冲突发生后的指数级增长以及成功传输后的重置过程。
4. 灵活的网络拓扑构建：支持在自定义区域内随机分布节点，并根据欧几里得距离计算节点间的通信可达性。
5. 动态流量模型：采用泊松分布简化的随机业务到达模型，模拟真实世界的网络负载需求。
6. 多维性能统计可视化：系统可自动生成累计吞吐量图、节点负载平衡柱状图、NAV状态时序图以及网络拓扑覆盖图。

系统要求

• 软件版本：MATLAB 2020a 或更高版本（需支持 struct 和基本绘图函数）。
• 硬件配置：基础运行内存 4GB 以上，CPU 双核及以上即可流畅运行仿真循环。

仿真实现逻辑说明

仿真系统通过一个主循环驱动，每个循环代表一个时隙（Slot），具体实现逻辑如下：

1. 环境与参数初始化

* 设置基础时序参数：如20us的时隙长度（Slot Time）、SIFS（10us）以及DIFS（50us）。 * 计算各协议帧占用的时隙数：根据预设的载荷大小（如8000bit）和物理带宽（11Mbps）计算RTS、CTS、DATA、ACK各帧的时延跨度。 * 生成空间拓扑：在100x100的二维空间内布置节点，并设定通信半径（60m）以判定节点间的信号覆盖范围。

1. 节点状态机管理

每个节点被建模为一个独立的状态机，包含以下核心状态转换： * IDLE（空闲）：检测到缓冲区有数据包到达后，进入DIFS等待状态。 * DIFS_WAIT（DIFS等待）：执行物理载波侦听。若信道在DIFS期间保持空闲，则进入退避逻辑。 * BACKOFF（退避）：从[0, CW]中随机选取退避计数，信道空闲时递减。 * SEND_RTS / WAIT_CTS：退避归零后发送RTS并侦听冲突。若成功，则锁定信道并通知通信覆盖范围内的其他节点更新NAV。 * SEND_DATA / WAIT_ACK：在获取CTS后执行数据传输，并在接收到ACK后完成一次成功的传输任务。 * NAV_BUSY（NAV占用）：当节点监听到其他节点的握手信号时，进入该状态直到NAV计时器归零。

1. 冲突检测模型

在RTS发送阶段，系统会检查当前信道中是否存在两个或多个节点同时处于发送状态。如果发生并发发送，则判定为冲突（Collision），触发二进制指数退避算法：争用窗口翻倍，节点重新进入退避循环。

1. NAV机制的实现细节

当一个节点成功启动RTS/CTS过程时，系统会遍历所有在该节点通信半径内的其他节点，并基于后续握手过程所需的全部时间周期设置其NAV计时器值。在NAV计时期间，节点状态被强制锁定为繁忙，从而实现虚拟载波侦听。

1. 数据采集与后处理

* 吞吐量统计：实时累计成功接收的Payload大小。 * 时延分析：基于总仿真时间和成功传输次数，计算平均报文访问时延。 * 冲突率监测：通过计数器记录RTS碰撞次数与成功传输次数的比值。

核心算法与代码细节分析

1. 二进制指数退避逻辑

系统在发生冲突时通过公式 CW = min(CW_max, (CW+1)*2 - 1) 来更新争用窗口。这一机制通过动态调整竞争激烈程度，有效防止了在大节点规模下的持续碰撞，体现了802.11标准在公平性与效率之间的平衡。

1. 逻辑信道状态判定

仿真通过判断 active_sending（当前处于发送状态的节点数量）来界定信道物理状态。只有当物理信道处于空闲且节点的NAV计时器为0时，节点才允许进行退避计数的递减，完整复刻了物理载波侦听与虚拟载波侦听的并行处理逻辑。

1. 空间相关性处理

虽然代码在冲突判断上做了简化处理，但在NAV更新时严格遵循了距离矩阵。只有在通信范围（comm_range）内的节点才会受到NAV干扰，这为后续研究隐藏终端问题（即两个节点互不可见但同时发向同一个接收端导致的冲突）提供了基础拓扑支持。

1. 自动化结果解析

仿真结束后，系统会自动进行数据清洗，将Slot单位的时间序列转换为对应的毫秒级数据。可视化模块通过多窗口绘图，展示了节点负载的分布情况。例如，通过条形图可以看出各节点发送成功的包数，从而直观判断网络是否存在明显的长期不公平现象。