IEEE 802.11 CSMA/CA MAC Behavior Simulator

目錄結構

MINI802.11SIM/
├── .vscode/
│   ├── settings.json
│   ├── tasks.json
├── include/            # 所有標頭檔（宣告 struct 與函數原型）
│   ├── station.h       # STA 結構與相關函數宣告
│   ├── event.h         # 事件佇列結構與操作函數宣告
│   └── logger.h        # 模擬統計與 log 函數宣告
├── src/                # 程式主體原始碼
│   ├── main.c          # 主模擬程式（tick-by-tick 控制流程）
│   ├── station.c       # 各 STA 的狀態機與傳輸邏輯實作
│   ├── event.c         # 事件佇列的增刪與排序實作
│   └── logger.c        # 統計記錄與模擬輸出格式化
└── README.md

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實作背景：MiniWiFiSim 是什麼？

本實作為一個簡化的 Wi-Fi MAC 協定模擬器，主要模擬 IEEE 802.11 Distributed Coordination Function (DCF) 中的 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance） 機制。DCF 是目前 Wi-Fi 網路中最常見的傳輸控制機制。

在此模擬中，我們建構一個離散事件系統，模擬多個 STA（Station）在共享通道上進行封包傳輸、等待 DIFS、執行 Backoff、偵測碰撞、處理 ACK 等操作。雖然細節已簡化，但整體邏輯仍忠實反映 Wi-Fi 的核心媒體存取行為。

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模擬簡介

本模擬為一個以 C 語言撰寫之 IEEE 802.11 DCF (Distributed Coordination Function) 協定的 MAC 層簡化模擬器，支援：

• CSMA/CA 傳輸流程（含 DIFS, Backoff, SIFS, ACK 等）
• 多 STA 環境模擬與競爭機制
• 隨機新資料產生事件
• 模擬時間以 tick 為單位，逐 tick 處理傳送與事件行為

本模擬器可協助觀察各種環境參數對於 throughput、collision 等效能指標的影響。

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Figure: State transition flowchart of a simulated STA in my CSMA/CA implementation

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模擬設定（固定參數）

• Frame Tx Time : 3 ticks
• ACK Tx Time : 1 tick
• SIFS : 1 tick
• DIFS : 3 ticks
• Contention Window Min : 7
• Contention Window Max : 31
• MAX_RETRY : 5
• Total Tick Time : 100
• 每組參數模擬執行次數：3 次（取平均）

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模擬結果摘要（平均值）

Case	#STA	NewFrame%	Throughput	Collisions	Busy(%)	Idle(%)	Success/STA	Tx/STA	SuccessRate
Case A	3	50%	8.66	2.33	45.33%	54.67%	2.89	3.67	80.03%
Case B	3	90%	7.67	3.33	43.33%	56.67%	2.55	3.78	67.90%
Case C	10	50%	5.67	13.67	40.33%	59.67%	0.57	1.97	29.20%
Case D	10	90%	4.67	18.00	38.00%	62.00%	0.47	2.27	20.77%

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結果分析總結

Throughput 表現

• Case A （3 STA, 50%） throughput 最高（8.66），顯示在低負載、小規模網路下，整體傳輸效率最佳，且碰撞機率低。
• Case B （3 STA, 90%） throughput 雖略降為 7.67，但仍維持良好水準，代表在小規模網路中，即使傳送需求高，也不會立即造成效能崩潰。
• Case C、D （10 STA） throughput 明顯下降，尤其是 Case D（4.67），表明大規模網路下，即便有更高的 frame 產生率，也無法補償因碰撞頻率過高所導致的效能損耗。

碰撞與成功率

• 碰撞數從 Case A（2.33） 穩定地升高至 Case D（18.00），顯示隨著 STA 數增多，channel 競爭變得劇烈。
• 成功率（Success Rate）對應下降：
  • Case A：80.03%
  • Case D：20.77%
  • 即便 Case D 的總傳送次數最多（22.7 次），但平均每次傳送成功的比例卻最低（僅 20.77%）， 顯示在高密度 + 高流量下，碰撞損失非常嚴重，多數傳送都沒有成果。

Channel 使用情形

• Busy Tick 比例 最高為 Case A（45.33%），表示小規模網路中的傳送行為較集中、頻率穩定。
• Case D 反而 Busy Tick 降至 38.00%，說明傳送雖多，但碰撞造成了大量「無效佔用」與時間浪費。

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IEEE 802.11 標準相符性檢查

• ✅ 正確實作 DIFS → Backoff → TX → SIFS → ACK
• ✅ 傳送需等待媒介 idle 並倒數 DIFS
• ✅ 失敗會重傳並調整 contention window
• ✅ 傳送後會依據是否收到 ACK 進行流程切換
• ✅ Slot-based 倒數與碰撞處理皆符規範

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未來工作與擴充方向

功能性擴充

• RTS/CTS 避免 hidden node 問題
• 支援多通道與多基地台
• 模擬 PIFS 與 PCF 模式
• 實作 queue buffer 模型（非單一封包）

統計與視覺化

• 整合 throughput/collision 隨時間變化圖表
• 視覺化模擬

精準性提升

• 模擬更細緻時間單位與干擾（noise）
• 加入距離衰減、傳輸速率變動等物理層參數

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▶️ 操作說明與執行範例

✅ 編譯與執行步驟

本實作已提供 VS Code 的建置設定，使用者只需以下步驟即可執行模擬器：

1. 下載並開啟本實作於 VS Code
2. 按下 Ctrl + Shift + B
   • VS Code 將自動呼叫 tasks.json 中的 gcc 編譯指令，將所有程式編譯成 wifi_sim 執行檔。
3. 在終端機執行：

   ./wifi_sim

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執行輸出範例（節錄）

[0] STA 0 enter DIFS (wait 3)
[0] STA 1 enter DIFS (wait 3)
[0] STA 2 enter DIFS (wait 3)
[3] STA 0 starts BACKOFF (retry = 0, slot = 2)
[3] STA 1 starts TRANSMIT (retry = 0, slot = 0)
[3] STA 2 starts BACKOFF (retry = 0, slot = 2)
[6] Receiver got frame from STA 1, wait SIFS (1 tick) resend ACK
[8] STA 1 received ACK successfully!
[8] STA 0 enter DIFS (wait 3)
[8] STA 2 enter DIFS (wait 3)
[9] STA 1 has a new frame to send
[9] STA 1 enter DIFS (wait 3)
[11] STA 0 resumes BACKOFF (slot = 2)
[11] STA 2 resumes BACKOFF (slot = 2)
[12] STA 1 starts BACKOFF (retry = 0, slot = 7)
[13] STA 0 starts TRANSMIT
[13] STA 2 starts TRANSMIT
STA 0 COLLISION!!!
STA 2 COLLISION!!!
[16] STA 1 enter DIFS (wait 3)
[18] STA 0 enter DIFS (wait 3)
[18] STA 2 enter DIFS (wait 3)
[19] STA 1 resumes BACKOFF (slot = 6)
[21] STA 0 starts BACKOFF (retry = 1, slot = 10)
[21] STA 2 starts BACKOFF (retry = 1, slot = 11)
[25] STA 1 starts TRANSMIT
...

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模擬結束後會自動輸出總結報告：

===== Simulation Summary =====
Simulation Parameters:
- Total STA             : 3
- Total Tick Time       : 100
- New Frame Prob (%)    : 50
...

Aggregate Results:
- Total throughput     : 8
- Total collisions     : 2
- Total busy ticks     : 46 (46.00%)
- Total idle ticks     : 54 (54.00%)
- Overall success rate : 72.7%
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