什么是无线网络

无线网络是一种通信网络，它利用协议层（包括应用层、介质访问控制 (MAC) 层、物理 (PHY) 层）和射频 (RF) 信号在无线信道上的设备之间传输和接收数据。无线网络的一个特点是具有节点和表示这些节点之间连接的链路。

设计无线网络会遇到一些挑战，包括信号覆盖范围和最大距离、干扰、容量和带宽、服务质量 (QoS) 和可扩展性。为了应对这些挑战，工程师需要配置无线网络架构，设计调度和操作协议，并确保满足吞吐量、延迟和误包率等关键性能指标 (KPI)。

您可以使用 MATLAB^® 通过仿真和分析无线网络的组件来探索无线网络空间，包括：

• 无线网络拓扑
• 具有协议栈的无线节点
• MAC 算法，包括资源调度、流量优先级和 QoS
• 节点的放置及其移动性
• 信道模型和损伤

无线网络拓扑

了解无线网络的拓扑非常重要，因为它决定了网络中节点的排列情况，即节点的物理布局以及数据在这些节点之间流动的路径。

MATLAB 支持您仿真和分析不同类型的拓扑，包括：

1. 星型拓扑：一种点对点架构，其中节点直接与中央接入点通信。
2. 网状拓扑：一种对等架构，其中网络中的每个节点都与多个其他节点互连。
3. 混合式网状拓扑：结合星型拓扑和网状拓扑的特点。它通常包括一个连接到网状节点的接入点。

拓扑的选择取决于多种因素，如网络的用途、规模和所需的性能特征。

无线网络可以大致分为同构和异构类型。同构和异构指的是网络基础架构和与之相连的设备的组成和特征。同构无线网络由使用相同接入技术的节点组成，例如仅由无线局域网 (WLAN) 组件组成的网络。相反，异构无线网络集成了多种接入技术，如 WLAN、Bluetooth^® 和 5G 的组合。

无线网络中的节点

无线网络中的每个节点都有自己的协议栈。协议栈由一组网络协议和软件层组成，用于通信和参与网络。虽然每个协议栈可能因使用的具体通信标准而有所不同，但它们通常都遵循开放系统互连 (OSI) 模型提供的基本结构。

您可以使用 5G Toolbox™、WLAN Toolbox™ 和 Bluetooth Toolbox™ 跨 OSI 参考模型协议栈对网络进行建模，让您进一步理解在不同层上执行的各种功能。

例如，5G 通信网络的节点内部的堆栈可以按如下方式建模：

协议栈使节点能够在网络架构的不同层上处理各种任务和职责。它基于 OSI 模型。OSI 模型是一种概念框架，用于标准化网络中不同协议和系统的功能和交互情况。每个通信节点都运行其在不同层上执行的各种功能。

下面概述了 OSI 协议栈各层以及每层的作用：

• 物理层：它处理诸如调制、编码、发射和接收无线电波等任务。
• 数据链路层：它管理诸如信道访问、介质访问控制 (MAC)、错误检测和更正等问题。
• 网络层：它的主要职责是在网络中不同节点之间路由和转发数据包。它处理诸如 IP 寻址、路由协议和管理网络拥塞等任务。
• 传输层：它管理分段、流量控制和错误恢复等任务。TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）等协议就是在此层应用的。
• 会话层：它管理会话同步、检查点和恢复。
• 表示层：它确保应用之间以双方都能理解的格式交换数据。
• 应用层：用户应用和服务在该层与网络进行交互。该层包括 HTTP、FTP 和 SMTP 等协议。
  

无线网络中的信道

在无线网络中，信道指的是无线频谱的特定部分以及分配用于传输和接收无线信号的物理环境。信道分配将可用频谱分成若干更小的频段。每个信道均在特定中心频率上工作并使用一定带宽，即无线频谱内的一个频率范围。例如，在 2.4 GHz 频段中，各 Wi-Fi^® 信道的间隔为 5 MHz，而在 5 GHz 频段中，各信道的间隔通常为 20 MHz 或更宽。

所有失真（包括噪声、损伤和干扰）都是在信道环境中添加到传输信号的。无线工程师使用 MATLAB 研究信道建模和补偿方法，例如载波频率偏移校正、减轻干扰以及实现无线网络之间的共存。干扰发生在多个无线设备在相同或重叠的信道上工作时，它会导致信号衰减和性能降低。共存指多个无线网络或设备在同一环境中运行而不会对彼此造成明显干扰的能力。

无线网络的关键性能指标

在设计和优化无线网络时，您需要进一步考察节点级和网络级的关键性能指标 (KPI)。MATLAB 提供了一个平台来分析 KPI，例如：

• 吞吐量：给定时间内可以通过无线网络传输的数据量。
• 延迟：从开始数据传输到收到对应的响应或确认之间的时间间隔。
• 资源分配公平性：无线网络中可用网络资源在多个用户或设备之间的公平分配。
• 资源利用率：资源利用效率，以正在利用的资源占总可用资源的百分比来衡量。
• 频谱效率：可以可靠传输的数据量除以给定带宽或频率范围。
• 可实现的连接密度：网络同时容纳大量设备或用户的能力。

使用 MATLAB 进行无线网络仿真

您可以使用 MATLAB 及其无线通信工具箱对无线网络进行建模、仿真和优化。这些网络可以基于 5G 和 WLAN 等标准，也可以基于临时常规网络。标准的选择会进一步辅助指定信道、建立流量模型和协议细节的过程。

例如，您可以使用 MATLAB 用不到 15 行代码创建一个简单的网络仿真，其中还包括具有节点功能的简化工作流。此外，您还可以通过以下方式扩展、配置和自定义代码：

• 创建新网络
• 向仿真器添加节点
• 与节点交互
• 安排仿真期间要执行的操作
• 插入自定义信道模型

% 以 10ms 帧表示的仿真持续时间 
rng('default'); 
numFrameSimulation = 100; 

% 创建仿真器 
networkSimulator = wirelessNetworkSimulator.init(); 

% 创建 gNB 
gNB = nrGNB(TransmitPower=34, CarrierFrequency=2.6e9, ...
     ChannelBandwidth=5e6); 

% 创建 UE 
uePositions = [300 -400 0; 700 700 0; -1000 500 0; -1000 -500 0]; 
UEs = nrUE(Position=uePositions, TransmitPower=23); 

% 通过从 UE 连接到 gNB 形成 NR 小区
connectUE(gNB, UEs, FullBufferTraffic="on"); 

% 将节点添加到仿真器并运行仿真 
addNodes(networkSimulator, gNB); 
addNodes(networkSimulator, UEs); 
run(networkSimulator, numFrameSimulation*1e-2); 

% 读取性能度量 
gNBStats = statistics(gNB) 
ueStats = statistics(UEs); 

使用 Communications Toolbox Wireless Network Simulation Library 实现无线网络仿真的 MATLAB 代码段。

这些功能由 Wireless Network Simulation Library 实现，它是 Communications Toolbox™ 的一个免费附加功能。它提供了函数、App 和示例以帮助实现高效和可自定义的无线网络仿真。