基于Simulink的MANET（移动自组网）仿真建模示例一

amy_mhd

于 2025-03-30 19:28:29 发布

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手把手教你学Simulink——基于Simulink的MANET（移动自组网）仿真建模示例

手把手教你学Simulink——基于Simulink的MANET（移动自组网）仿真建模示例

移动自组网（Mobile Ad Hoc Network, MANET）是一种无需固定基础设施支持的动态无线网络，节点可以自由移动并动态地与其它节点建立连接。MANET在军事通信、应急救援和物联网（IoT）等领域具有广泛的应用。本示例将展示如何使用MATLAB/Simulink搭建一个简化的MANET模型，并通过仿真验证其基本功能。

一、背景介绍

MANET概述：
- 特点：
  - 无中心控制：没有固定的基站或路由器。
  - 多跳路由：数据包可能需要通过多个中间节点才能到达目标节点。
  - 动态拓扑：节点的移动性导致网络拓扑频繁变化。
- 关键技术点：
  - 路由协议：如AODV（Ad hoc On-demand Distance Vector）、DSR（Dynamic Source Routing）、OLSR（Optimized Link State Routing）。
  - MAC层协议：如IEEE 802.11 DCF（Distributed Coordination Function）。
  - 信道接入机制：避免冲突，提高信道利用率。
- 应用场景：战场通信、灾害响应、车联网等。
仿真目标：
- 搭建一个简化的MANET模型，涵盖节点移动性、路由发现、路径选择及数据包转发过程。
- 分析不同条件下的性能指标（如吞吐量、延迟、丢包率等），并探讨MANET的设计优化。

二、所需工具和环境

为了完成此MANET的仿真实现，你需要以下工具和环境：

MATLAB/Simulink：用于设计系统模型和运行仿真。
Communications Toolbox：提供必要的模块，如误码率计算、数据包处理等。
Stateflow（推荐）：用于实现复杂的路由逻辑和状态机。
Wireless Communications Toolbox（可选）：用于无线信道模拟。
Graph and Network Algorithms Toolbox（可选）：用于构建和分析网络拓扑。

确保你已经安装了上述工具箱，并且拥有有效的许可证。

三、步骤详解

步骤1：创建Simulink模型

首先，在MATLAB中启动Simulink并创建一个新的空白模型。

matlab

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% 创建新的Simulink模型
modelName = 'MANET_Simulation';
new_system(modelName);
open_system(modelName);

步骤2：设计网络拓扑

我们需要定义一个简单的MANET拓扑，包含多个节点及其初始位置。

使用 Constant 模块表示每个节点的初始位置。
假设网络中有5个节点，分布在二维平面上。

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% 定义网络拓扑（示例：5个节点）
nodes = {'Node1', 'Node2', 'Node3', 'Node4', 'Node5'};
initial_positions = [0, 0; 50, 50; 100, 0; 150, 50; 200, 0]; % 节点初始位置

% 添加节点信息模块
for i = 1:length(nodes)
    add_block('simulink/Sources/Constant', [modelName '/' nodes{i} '_Position']);
    set_param([modelName '/' nodes{i} '_Position'], 'Value', num2str(initial_positions(i, :))); % 初始化位置
end

步骤3：实现节点移动性

在MANET中，节点可以自由移动，因此需要模拟节点的位置更新。

使用 MATLAB Function 模块实现节点移动逻辑。
假设节点以随机速度和方向移动。

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% 添加MATLAB Function模块（节点移动）
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/Node_Movement']);

% 编写MATLAB Function代码
function updated_positions = fcn(current_positions, velocities, dt)
    % current_positions: 当前所有节点的位置
    % velocities: 节点的速度向量
    % dt: 时间步长
    updated_positions = current_positions + velocities * dt;
end

连接节点信息到节点移动模块。

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% 连接节点信息到节点移动模块
for i = 1:length(nodes)
    add_line(modelName, [modelName '/' nodes{i} '_Position'], ...
        [modelName '/Node_Movement'], 'autorouting', 'on');
end

步骤4：实现路由协议

我们使用AODV作为示例，实现路由发现和维护。

使用 Stateflow 实现AODV的状态机，包括路由请求（RREQ）、路由应答（RREP）和路由错误（RERR）消息的处理。

matlab

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% 添加Stateflow模块
add_block('stateflow/Chart', [modelName '/AODV_Routing_Protocol']);

% 配置Stateflow图
sf_new([modelName '/AODV_Routing_Protocol']);

编写Stateflow代码（伪代码示例）：

深色版本

// AODV状态机
enum {IDLE, ROUTE_REQUEST, ROUTE_REPLY, ROUTE_ERROR} state;

// 初始化
state = IDLE;

// 状态转移逻辑
switch(state) {
    case IDLE:
        if (data_to_send) {
            state = ROUTE_REQUEST;
        }
        break;
    case ROUTE_REQUEST:
        // 发送RREQ消息
        send_rreq();
        state = ROUTE_REPLY;
        break;
    case ROUTE_REPLY:
        // 处理RREP消息
        handle_rrep();
        state = IDLE;
        break;
    case ROUTE_ERROR:
        // 处理RERR消息
        handle_rerr();
        state = IDLE;
        break;
}

步骤5：模拟无线信道

为了模拟现实中的无线通信环境，我们可以引入噪声和干扰。

使用 AWGN Channel 模块模拟信道噪声。
使用 Packet Loss 模块模拟丢包现象。

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% 添加AWGN信道模块
add_block('comm/AWGN Channel', [modelName '/Wireless_Channel']);
set_param([modelName '/Wireless_Channel'], 'SNR', '10'); % 信噪比

% 添加丢包模块
add_block('comm/Packet Loss', [modelName '/Channel_Loss']);
set_param([modelName '/Channel_Loss'], 'LossProbability', '0.01'); % 1%丢包率

% 连接路由协议模块到无线信道模块
add_line(modelName, [modelName '/AODV_Routing_Protocol'], ...
    [modelName '/Wireless_Channel'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Wireless_Channel'], ...
    [modelName '/Channel_Loss'], 'autorouting', 'on');

步骤6：接收端处理

在接收端，执行与发送端相反的操作，逐步解封装数据。

数据包解封装：
- 提取有效载荷。
- 根据路由信息进行下一跳决策。

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% 添加MATLAB Function模块（数据包解封装）
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/Packet_Decapsulation']);

% 编写MATLAB Function代码
function payload = fcn(packet)
    % 解封装逻辑（简化版）
    payload = packet(9:end); % 假设头部长度为8字节
end

连接无线信道模块到数据包解封装模块。

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% 连接无线信道模块到数据包解封装模块
add_line(modelName, [modelName '/Channel_Loss'], ...
    [modelName '/Packet_Decapsulation'], 'autorouting', 'on');

步骤7：分析性能

为了评估系统的性能，可以计算吞吐量、延迟和丢包率等指标。

在 Sinks 库中拖拽三个 Display 模块到模型编辑区，分别显示吞吐量、平均延迟和丢包率。

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% 添加显示模块
add_block('simulink/Sinks/Display', [modelName '/Throughput']);
add_block('simulink/Sinks/Display', [modelName '/Average_Delay']);
add_block('simulink/Sinks/Display', [modelName '/Packet_Loss_Rate']);

步骤8：设置仿真参数

根据需要调整仿真时间、求解器类型和其他相关参数。

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% 设置仿真参数
set_param(modelName, 'StopTime', '10'); % 模拟运行时间为10秒
set_param(modelName, 'Solver', 'Fixed-step'); % 设置固定步长求解器
set_param(modelName, 'FixedStep', '1/1000'); % 设置固定步长为采样周期