一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議*

代亞楠，張　馳，俞能海

(1.中國(guó)科學(xué)院電磁空間信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子工程與信息科學(xué)系，安徽 合肥 230027;2.裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050)

?

一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議*

代亞楠1,2，張馳1，俞能海1

(1.中國(guó)科學(xué)院電磁空間信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子工程與信息科學(xué)系，安徽 合肥 230027;2.裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050)

摘要：常用的多頻率MAC協(xié)議大多需要至少一條固定不變的公共頻率，為了改進(jìn)這一缺陷，并進(jìn)一步提升協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提出一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議。該協(xié)議不需要公共的同步頻率，也不需要公共的控制頻率，它以公共密鑰產(chǎn)生的跳頻序列做為虛擬公共安全信道，采用跳頻的模式既保證了全局的同步，又保證了各節(jié)點(diǎn)安全有效地進(jìn)行頻率分配與接入?yún)f(xié)商。通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，在節(jié)點(diǎn)負(fù)載處于較大程度時(shí)，所提出的MAC協(xié)議依然能夠保持很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

關(guān)鍵詞：跳頻;虛擬公共安全信道;全局同步;頻率協(xié)商;吞吐量

0引言

在多節(jié)點(diǎn)多頻率組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，多頻率媒體接入(MAC)協(xié)議是提高其網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)鍵技術(shù)之一。多頻率MAC協(xié)議控制著所有在無(wú)線頻率上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包，它的性能直接決定了無(wú)線資源的利用率[1]。多頻率MAC協(xié)議主要解決兩方面內(nèi)容：頻率協(xié)商和接入控制。頻率協(xié)商負(fù)責(zé)為眾多的通信節(jié)點(diǎn)協(xié)商分配各自相應(yīng)的頻率，從而消除數(shù)據(jù)包之間的沖突，使盡量多的節(jié)點(diǎn)對(duì)可以同時(shí)進(jìn)行通信。接入控制則負(fù)責(zé)確定節(jié)點(diǎn)接入相應(yīng)頻率的時(shí)機(jī)，避免數(shù)據(jù)傳輸之間的沖突以及解決多頻率帶來(lái)的隱藏/暴露終端等相關(guān)問(wèn)題[2]。利用完善的多頻率MAC協(xié)議，多對(duì)節(jié)點(diǎn)可以無(wú)沖突地在不同頻率上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效地縮短傳輸延時(shí)，提高帶寬利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

經(jīng)過(guò)研究者不斷地探索，已經(jīng)存在很多成熟的多頻率MAC協(xié)議。DCA[3]、MMAC[4]、CAM-MAC[5]等協(xié)議，均在眾多頻率中選取一個(gè)頻率作為公共控制頻率，各節(jié)點(diǎn)在此公共頻率上進(jìn)行頻率協(xié)商，然后在各自協(xié)商好的普通頻率上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。HRMA[6]、CHMA[7]等協(xié)議，則不需要固定的公共控制頻率，各節(jié)點(diǎn)以相同的跳頻序列進(jìn)行跳頻，有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前跳變到的頻率上進(jìn)行頻率預(yù)約協(xié)商，然后在預(yù)約成功的當(dāng)前頻率上，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種MAC協(xié)議雖不需要公共的控制頻率，卻需要一個(gè)公共的同步頻率。除了以上兩種需要一條公共頻率的MAC協(xié)議外，還存在RDT[8]、xRDT[9]等協(xié)議，在這種協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)為自己選擇了一個(gè)固定的接收頻率，只要自己處于空閑狀態(tài)，便在接收頻率上等待信息接收。

綜上所述，無(wú)論是公共控制頻率，還是公共同步頻率，以及固定接收頻率，以上幾種MAC協(xié)議中都有至少一個(gè)頻率是固定不變的，如此一來(lái)固定頻率的使用次數(shù)必然大大多于其他普通頻率。這種情況也就導(dǎo)致頻繁使用的固定頻率極易被攻擊者發(fā)現(xiàn)，如果攻擊者針對(duì)公共固定頻率進(jìn)行干擾，那么其MAC協(xié)議的性能必將大打折扣，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也將急劇下降。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議。本協(xié)議不需要公共的固定同步頻率，也不需要公共的固定控制頻率，它以公共密鑰產(chǎn)生的跳頻頻率序列為虛擬公共安全信道，在此虛擬信道內(nèi)采用跳頻的模式既保證了全局的同步，又保證了各節(jié)點(diǎn)能夠安全地進(jìn)行頻率的分配與接入?yún)f(xié)商。通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的MAC協(xié)議能夠在節(jié)點(diǎn)負(fù)載處于較高水平時(shí)，依然保持很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1基于TOD的多節(jié)點(diǎn)跳頻同步機(jī)制

本文提出的基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議需要全局的跳頻同步，為保證節(jié)點(diǎn)從入網(wǎng)開(kāi)始便保持同步，本協(xié)議采用基于時(shí)間信息TOD的跳頻同步機(jī)制。該機(jī)制利用跳頻的方式發(fā)送與接收TOD同步信息，從而避免使用固定的公用同步頻率，提升了各節(jié)點(diǎn)同步的安全性。

基于時(shí)間信息TOD的跳頻同步機(jī)制綜合了精確時(shí)鐘法、同步字頭法、自同步法三種同步方法[10]。在該方法中發(fā)送端將攜帶有TOD時(shí)間信息的同步頭置于跳頻信號(hào)的最前面，接收端根據(jù)同步字頭的特點(diǎn)，從接收到的跳頻信號(hào)中把它們識(shí)別出來(lái)，從而捕獲到發(fā)送端的TOD同步信息，以修正本端的TOD及其他同步信息，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的快速同步。

1.1時(shí)間信息TOD的含義及幀格式

時(shí)間信息TOD(Time of Day)就是跳頻圖案實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘信息，其格式為一串二進(jìn)制數(shù)字碼。實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息包括年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒、微秒等；狀態(tài)信息指?jìng)未a發(fā)生器實(shí)時(shí)的碼序列狀態(tài)[11]。根據(jù)這些信息，接收端就可以知道發(fā)送端當(dāng)前跳頻駐留時(shí)間的頻率和下一跳駐留時(shí)間應(yīng)當(dāng)處在什么頻率上，從而使收發(fā)端跳頻器同步工作。

除了關(guān)鍵的低段TODI信息外，發(fā)送端要傳遞的同步信息幀還包含前導(dǎo)序列、幀同步、網(wǎng)號(hào)及緩沖等內(nèi)容[11]，具體格式見(jiàn)圖1。

圖1同步信息幀具體結(jié)構(gòu)

1.2基于時(shí)間信息TOD的跳頻同步過(guò)程

各節(jié)點(diǎn)用來(lái)發(fā)送和接收上述同步信息幀的頻率稱為同步頻率，它是由高段TODH信息和原始公共密鑰根據(jù)一定算法，從所有頻率中計(jì)算出一個(gè)子集而得到的。它隨著TODH值的變化而變化，每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間便更換一個(gè)頻率，經(jīng)過(guò)一定周期后，同步頻率就變成一個(gè)全新頻率子集。

在發(fā)送與接收同步信息的過(guò)程中，發(fā)送方要根據(jù)自己的TOD值確定發(fā)送TOD信息的同步頻率，并在同步頻率上將同步信息幀進(jìn)行跳頻發(fā)送。而同時(shí)接收方也要根據(jù)自己的TOD值確定同步掃描頻率，并在同步掃描頻率上進(jìn)行掃描。一般系統(tǒng)都會(huì)設(shè)定收發(fā)雙方有若干條同步頻率是一樣的，在這些相同的同步頻率上，接收方若是掃描到K個(gè)特征碼，則完成了對(duì)同步信號(hào)的初步捕獲。接下來(lái)，接收端要對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行跟蹤與解碼。

在整個(gè)同步過(guò)程中，為提高同步信息的安全性，發(fā)送端經(jīng)常會(huì)將整體TOD信息進(jìn)行分割分組，并對(duì)每組TOD信息進(jìn)行編碼，然后在每跳中相繼發(fā)出。因此，在對(duì)同步信號(hào)的跟蹤過(guò)程中，接收端可以一個(gè)個(gè)對(duì)分割分組后的TOD信息進(jìn)行解碼。經(jīng)過(guò)掃描捕獲、跟蹤解碼后，接收端便可以用發(fā)送方的TOD信息修正自己的TOD，從而完成了跳頻同步。

2基于虛擬公共安全信道的MAC協(xié)議

2.1基本思想

本文提出的基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議，是在跳頻預(yù)約MAC協(xié)議(HRMA[6]協(xié)議)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。

圖2是原始HRMA協(xié)議幀的框架圖，其主要存在兩方面的問(wèn)題：一是使用了固定的公共同步頻率，并且該協(xié)議中的同步機(jī)制主要是針對(duì)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后的同步修正與保持，并沒(méi)有解決入網(wǎng)同步和后入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)同步的問(wèn)題。二是在協(xié)商時(shí)隙內(nèi)，依然保留有同步階段，并且同步階段的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他協(xié)商階段，這樣就造成了在節(jié)點(diǎn)負(fù)載較大的情況下，吞吐量急劇下降的情況。

圖2　HRMA協(xié)議幀框架

基于上述兩方面的問(wèn)題，本文所提基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議都進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)。一是采用了基于時(shí)間信息TOD的多節(jié)點(diǎn)跳頻同步機(jī)制，該機(jī)制中同步信息的發(fā)送與接收采用的是跳頻模式，避免了使用固定的公共同步頻率。而跳頻所用的同步頻率更是周期性不斷變化的，同時(shí)在發(fā)送過(guò)程中，發(fā)送方又對(duì)時(shí)間信息TOD進(jìn)行了分組與編碼，這些措施共同保證了同步過(guò)程的安全性。

二是將同步時(shí)隙與協(xié)商時(shí)隙完全分開(kāi)，基于TOD的跳頻同步機(jī)制具有良好的同步效果，不需要每個(gè)時(shí)隙都進(jìn)行一次同步，因此本協(xié)議將協(xié)商階段與同步階段完全分開(kāi)，從而使得在節(jié)點(diǎn)負(fù)載較大的情況下，本協(xié)議的吞吐量依然保持在較高水平。

基于以上兩點(diǎn)改進(jìn)，在本文所提出的多頻率MAC協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)共同的跳頻密鑰，即擁有一個(gè)相同的跳頻序列，從而入網(wǎng)同步之后的各節(jié)點(diǎn)可以按照此跳頻序列進(jìn)行同步跳頻，這個(gè)大家都知道的跳頻序列便形成一個(gè)虛擬的公共安全跳頻信道。之所以將此信道稱為“虛擬”的，是因?yàn)樵撔诺赖念l率用法在同步階段和協(xié)商階段并不相同，即信道頻率的組成是變化的。在協(xié)商階段，當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到虛擬公共安全跳頻信道中的某一頻率上時(shí)，有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)若偵測(cè)到該頻率空閑，它便和目的節(jié)點(diǎn)利用RTS/CTS握手機(jī)制進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)成功后，它與目的節(jié)點(diǎn)便對(duì)此空閑頻率形成預(yù)約，緊接著在該頻率上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于頻率已經(jīng)被預(yù)約，所以其他節(jié)點(diǎn)無(wú)法在其上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此預(yù)約當(dāng)前頻率的兩節(jié)點(diǎn)能夠不受外界影響的進(jìn)行通信，從而避免了傳輸沖突。

2.2頻率和時(shí)間的分配

在本協(xié)議不同的階段中，頻率的分配與用法并不相同。在同步階段，所有的頻率構(gòu)成一個(gè)大的跳頻頻率組，各節(jié)點(diǎn)按照一定算法從頻率組中取出一個(gè)子集作為自己的同步頻率。在同步階段之后的頻率預(yù)約協(xié)商階段，此時(shí)所有頻率被劃分為M=L/2個(gè)頻率對(duì)，即(fi,fi*)，i=1,2,…,M。每個(gè)頻率對(duì)中fi用于傳輸數(shù)據(jù)，包括預(yù)約包(HR)、請(qǐng)求發(fā)送包(RTS)、準(zhǔn)備接收包(CTS)以及普通數(shù)據(jù)包[6]。而fi*則是用于發(fā)送和接收確認(rèn)信息，這個(gè)確認(rèn)信息就是關(guān)于fi上數(shù)據(jù)傳送的情況。

相應(yīng)的，本協(xié)議中時(shí)間也被劃分為許多大小相同的兩類時(shí)隙：同步時(shí)隙和協(xié)商時(shí)隙。同步時(shí)隙所對(duì)應(yīng)的頻率即為各節(jié)點(diǎn)的同步頻率，我們把每個(gè)協(xié)議幀的第一個(gè)同步時(shí)隙稱為初始同步時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙內(nèi)主要完成入網(wǎng)同步。同時(shí)為了保證后入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)能夠迅速同步，以及維持已入網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的始終同步，可以視具體情況每隔一段時(shí)間便插入一個(gè)同步時(shí)隙，我們將這些周期性插入的同步時(shí)隙稱為勤務(wù)同步時(shí)隙。這兩種同步時(shí)隙既保證了節(jié)點(diǎn)的初入網(wǎng)同步，又保證了后入網(wǎng)同步以及同步維持。

協(xié)商時(shí)隙包含HR階段、RTS階段和CTS階段，相應(yīng)的，每個(gè)階段分別用來(lái)發(fā)送和接收HR包、RTS包和CTS包。每個(gè)協(xié)商時(shí)隙所對(duì)應(yīng)的頻率即為相應(yīng)分配的fi，我們稱之為當(dāng)前時(shí)隙的當(dāng)前頻率。該頻率fi在協(xié)商時(shí)隙內(nèi)用來(lái)發(fā)送HR、RTS、CTS三類數(shù)據(jù)包，而當(dāng)fi一旦在該協(xié)商時(shí)隙內(nèi)被相應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)預(yù)約成功，則從下一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始，fi便稱為該對(duì)節(jié)點(diǎn)的專屬的數(shù)據(jù)傳輸頻率，直至數(shù)據(jù)成功收發(fā)結(jié)束。

綜上所述，若干同步時(shí)隙和M個(gè)協(xié)商時(shí)隙相間構(gòu)成了一個(gè)抗干擾MAC協(xié)議幀框架，這里以M=5為例，如圖3所示。

圖3　基于虛擬公共安全信道的MAC協(xié)議幀框架

2.3接入與預(yù)約

在各節(jié)點(diǎn)開(kāi)始通信之前，首先要完成各節(jié)點(diǎn)間的同步。在每個(gè)MAC協(xié)議幀的開(kāi)始即初始同步時(shí)隙上，按照基于時(shí)間信息TOD的多節(jié)點(diǎn)跳頻同步機(jī)制，IDmax節(jié)點(diǎn)在同步頻率上發(fā)送自己的時(shí)間信息TOD，其余節(jié)點(diǎn)則在掃描頻率上進(jìn)行捕獲跟蹤解碼，最終實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)間TOD信息的一致性，達(dá)到節(jié)點(diǎn)初始入網(wǎng)的同步。在其后周期插入的勤務(wù)同步時(shí)隙上，若IDmax節(jié)點(diǎn)之前沒(méi)有預(yù)約任何頻率，即沒(méi)有與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行過(guò)任何數(shù)據(jù)傳輸，那么它仍然作為發(fā)送者在同步頻率上發(fā)送TOD信息，其他節(jié)點(diǎn)仍然繼續(xù)進(jìn)行TOD的接收。反之，若在當(dāng)前勤務(wù)同步時(shí)隙之前，IDmax節(jié)點(diǎn)預(yù)約過(guò)任何一個(gè)頻率，即與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行過(guò)至少一次數(shù)據(jù)傳輸，那么在此勤務(wù)同步時(shí)隙上，則由IDmax-1節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送者，在其同步頻率上發(fā)送自己的時(shí)間信息TOD，以此類推，從而完成各個(gè)勤務(wù)時(shí)隙的同步。

各節(jié)點(diǎn)在完成初始同步之后，便進(jìn)入到頻率預(yù)約協(xié)商階段。所有節(jié)點(diǎn)按照相同的跳頻序列在虛擬的公共安全信道內(nèi)進(jìn)行偽隨機(jī)跳頻，若在當(dāng)前時(shí)隙的當(dāng)前頻率上，一個(gè)空閑節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，它便視情況而進(jìn)行分類操作。下面將結(jié)合圖4所示的數(shù)據(jù)傳輸圖和圖5所示的預(yù)約流程圖，對(duì)本協(xié)議的具體預(yù)約協(xié)商過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述。

若此時(shí)，當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)的RTS階段并未開(kāi)始，那么它便要偵測(cè)當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)有無(wú)HR包，即當(dāng)前頻率有無(wú)被預(yù)約。如果被預(yù)約了，那么它就要隨機(jī)推延幾個(gè)時(shí)隙重新嘗試。如果沒(méi)有被預(yù)約，那么它就向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS包，然后等待CTS包。目的節(jié)點(diǎn)成功收到RTS后，便在CTS階段向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)CTS包。接著，如果源節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到這個(gè)CTS包，那么它便推遲幾個(gè)時(shí)隙，再次嘗試預(yù)約。而如果源節(jié)點(diǎn)收到了CTS，那么這對(duì)節(jié)點(diǎn)便對(duì)當(dāng)前頻率進(jìn)行預(yù)約，并在CTS階段之后，開(kāi)始傳輸普通數(shù)據(jù)包，一直到數(shù)據(jù)傳輸完畢[6]，見(jiàn)圖4(b)。

圖4　基于虛擬公共安全信道MAC協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸原理

若在空閑節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要傳送的時(shí)刻，當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)的RTS階段已經(jīng)開(kāi)始，那么源節(jié)點(diǎn)便直接推延幾個(gè)時(shí)隙再重新嘗試，因?yàn)榇藭r(shí)的時(shí)隙長(zhǎng)度已經(jīng)不夠節(jié)點(diǎn)預(yù)約當(dāng)前頻率了。

在CTS階段結(jié)束之前，所有節(jié)點(diǎn)包括空閑節(jié)點(diǎn)不管有無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，都停留在當(dāng)前頻率[12]。而在CTS階段結(jié)束之后，即進(jìn)入到下一個(gè)時(shí)隙之時(shí)，預(yù)約了頻率的節(jié)點(diǎn)停留在原頻率上進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)傳輸。而沒(méi)有預(yù)約到頻率的空閑節(jié)點(diǎn)，再跳到下個(gè)時(shí)隙所分配的頻率，進(jìn)行上述預(yù)約過(guò)程。而成功預(yù)約了上一個(gè)頻率的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，則已開(kāi)始傳輸普通數(shù)據(jù)包。若此數(shù)據(jù)包過(guò)大，無(wú)法在一個(gè)MAC幀范圍內(nèi)傳輸完畢，那么發(fā)送端會(huì)在數(shù)據(jù)包的前端告知接收端，然后接收端會(huì)在下一個(gè)MAC幀相同時(shí)隙的HR階段發(fā)送一個(gè)HR包，通知自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，將要再次預(yù)約當(dāng)前頻率。而發(fā)送端接收到這個(gè)HR包之后，也會(huì)發(fā)出一個(gè)RTS包，通知自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前信道繼續(xù)被預(yù)約[6]。從而使得跳到當(dāng)前頻率的所有節(jié)點(diǎn)，得到當(dāng)前頻率被預(yù)約的消息，避免了通信沖突。接著在CTS階段，兩節(jié)點(diǎn)就不要再傳輸CTS包，而是繼續(xù)原數(shù)據(jù)包的傳輸。循環(huán)往復(fù)，直至數(shù)據(jù)包傳輸完畢,見(jiàn)圖4(a)。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)傳送完畢數(shù)據(jù)包之后，它便跳到相應(yīng)的fi*信道上，等待目的節(jié)點(diǎn)在該信道上發(fā)回的確認(rèn)信息ACK。接收到ACK之后，一次完整的預(yù)約頻率傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程便完成了，見(jiàn)圖5。

圖5　基于虛擬公共安全信道MA

3協(xié)議吞吐量近似分析

3.1理論近似分析

在本協(xié)議的吞吐量理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們假設(shè)各節(jié)點(diǎn)成對(duì)稱的超立方體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布[6]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有N個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)彼此間都是相互隱蔽的。這樣一來(lái)，我們就可以從任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的角度，去研究整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有M條可用頻率(M>N)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)半雙工天線，使得其每次只能調(diào)到一個(gè)頻率上。在本文的分析中，我們將每個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包的概率定義為協(xié)議吞吐量，可見(jiàn)在設(shè)定的系統(tǒng)模型中，協(xié)議吞吐量S最大為0.5。

對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包成泊松分布到達(dá)，其平均到達(dá)速率為λ。協(xié)議中每個(gè)時(shí)隙大小為η，則節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化負(fù)載量為：

G=λη

(1)

假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)包為d個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，而且開(kāi)始傳輸于某一個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻，結(jié)束傳輸于某一個(gè)時(shí)隙的結(jié)束時(shí)刻。從而，一個(gè)數(shù)據(jù)包在某一時(shí)隙結(jié)束傳輸?shù)母怕蕿?

q=1/d

(2)

一個(gè)數(shù)據(jù)包在某一時(shí)隙未結(jié)束傳輸?shù)母怕蕿椋?/p>

p=1-q

(3)

為了集中主要精力在MAC協(xié)議性能的分析上，我們忽略傳輸時(shí)延、處理時(shí)間等的影響，與數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度d相比，它們對(duì)于協(xié)議性能的影響微不足道[6]。另外在本協(xié)議中，由于同步時(shí)隙與協(xié)商時(shí)隙是完全分開(kāi)的，而且在文獻(xiàn)[10]中已經(jīng)對(duì)基于TOD的同步性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，因此在本節(jié)，我們主要針對(duì)于MAC協(xié)議的協(xié)商階段進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)上節(jié)MAC協(xié)議的原理闡述，我們可以知道，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)要想成功地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，都必須先成功地進(jìn)行RTS-CTS包交換。因此，節(jié)點(diǎn)的空閑階段一定處于數(shù)據(jù)包收發(fā)階段之前，并且要占用整個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度。依此我們可以得出結(jié)論，只有當(dāng)一個(gè)處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙成功地發(fā)送或接收一個(gè)RTS包，以成功開(kāi)啟后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，該節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙才會(huì)結(jié)束空閑狀態(tài)，轉(zhuǎn)而進(jìn)入數(shù)據(jù)包收發(fā)階段[6]。我們用PSTRTS和PSRRTS分別表示當(dāng)前時(shí)隙空閑節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送與接收RTS包的概率，則當(dāng)前時(shí)隙空閑節(jié)點(diǎn)結(jié)束其空閑狀態(tài)的概率為：

qI=PSTRTS+PSRRTS

(4)

為了計(jì)算式(4)中的參數(shù)，我們用PCF|T和PCF|R分別表示在當(dāng)前頻率上，該節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的概率[12]。并從當(dāng)前時(shí)隙的前一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始，依次向前進(jìn)行編號(hào)，分別記為時(shí)隙1、時(shí)隙2……我們用P(i)表示一個(gè)數(shù)據(jù)包在時(shí)隙i開(kāi)始啟動(dòng)傳輸?shù)母怕剩肞(T|i)=pi-1表示一個(gè)數(shù)據(jù)包從時(shí)隙i開(kāi)始啟動(dòng)傳輸，到了當(dāng)前時(shí)隙仍然在繼續(xù)進(jìn)行傳輸?shù)母怕?。通過(guò)上節(jié)我們知道，兩個(gè)時(shí)隙除了節(jié)點(diǎn)所在頻率不一樣外，其他的完全一樣，所以P(i)=P(j)，從而得到：

(5)

我們?cè)儆肞HR表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送HR包的概率，用PX表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙還要在當(dāng)前頻率上繼續(xù)進(jìn)行現(xiàn)在的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕?，它們分別為：

PHR=pPRPCF|R

(6)

PX=pPTPCF|T

(7)

在協(xié)商時(shí)隙中，HR階段、RTS階段和CTS階段時(shí)長(zhǎng)大小都一樣，均為η/3，所以在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包到達(dá)的概率為：

PA=1-e-λη/3=1-e-G/3

(8)

假設(shè)空閑節(jié)點(diǎn)和所有鄰居節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是獨(dú)立的，則一個(gè)節(jié)點(diǎn)為了開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸而發(fā)送RTS包的概率為：

PRTS=PIPA(1-PHR)N-1

(9)

依據(jù)上面的推導(dǎo)，現(xiàn)在我們來(lái)推出PSTRTS的計(jì)算公式。在當(dāng)前時(shí)隙一個(gè)空閑節(jié)點(diǎn)能夠向它的任意一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，成功地發(fā)送RTS請(qǐng)求包，必須滿足以下幾個(gè)條件：(i)在當(dāng)前時(shí)隙的HR階段，該節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包到達(dá)；(ii)除了目的節(jié)點(diǎn)外，該空閑節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都不會(huì)發(fā)送HR包，即在下一個(gè)時(shí)隙它們都不會(huì)在當(dāng)前的頻率上繼續(xù)接收數(shù)據(jù)包；(iii)目的節(jié)點(diǎn)的其他鄰居節(jié)點(diǎn)都不發(fā)送RTS包，或者都不會(huì)在下一個(gè)時(shí)隙的當(dāng)前頻率繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；(iv)目的節(jié)點(diǎn)是空閑的并且不會(huì)發(fā)送RTS包，這里所說(shuō)目的節(jié)點(diǎn)不發(fā)送RTS包表示兩種可能情況[6]，一種是當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)目的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)包到達(dá)，另一種是雖然有數(shù)據(jù)包到達(dá)，但至少它的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出HR包。

根據(jù)這4個(gè)條件，我們可以得出：

PSTRTS=PA(1-PHR)N-1(1-PRTS-PX)N-1PI×

(10)

對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得到：

PSTRTS=PRTS[(1-PRTS-PX)N-1-

PA(1-PRTS-PX-PHR)N-1]

(11)

從而可以估算出：

(12)

將式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)代入式(11)中，便可得出PSTRTS的表達(dá)式，繼而在代入式(4)中得出qI的表達(dá)式，最終代入式(12)中，便可得出：

PI=f(PI)

(13)

這是一個(gè)關(guān)于PI的非線性方程，可以利用迭代的方法解出PI。在下面不同參數(shù)值的仿真過(guò)程中，我們平均進(jìn)行8次迭代即可得出近似解。

最終我們便得出協(xié)議的吞吐量：

(14)

3.2仿真結(jié)果及分析

圖6、圖7分別是本協(xié)議的吞吐量仿真圖以及與HRMA吞吐量的比較仿真圖。

圖6　不同數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖7　兩種MAC協(xié)議吞吐量比較

圖6是在不同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度參數(shù)下，本協(xié)議的吞吐量仿真圖。仿真環(huán)境中，鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)N=20，可用頻率數(shù)M=40，圖中三條曲線分別是數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度d=200,100,50的時(shí)候，本協(xié)議的吞吐量情況。從圖中可以看出，當(dāng)所傳輸數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度d增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也隨之增加。這是因?yàn)楸疚奶岢龅膮f(xié)議有效地避免了數(shù)據(jù)傳輸之間的沖突，當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較大時(shí)，傳輸節(jié)點(diǎn)可以在預(yù)約的頻率上安全高效地一直進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不受其他節(jié)點(diǎn)的影響，從而提高了頻率利用率，降低了通信開(kāi)銷。

由于本文假設(shè)的系統(tǒng)模型中M>N，即無(wú)論網(wǎng)絡(luò)模型中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N為多大，可用頻率M總是大于N，所以M與N參數(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響小于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度d，d也成為了影響本文協(xié)議最重要的參數(shù)指標(biāo)。M與N相比而言，頻率數(shù)M的變化對(duì)吞吐量S的影響更是微小，這是因?yàn)橹灰狹>N，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)都還存在著大量的可用頻率，它們向當(dāng)前頻率預(yù)約競(jìng)爭(zhēng)的成功率就不受影響。

圖7是基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議與HRMA協(xié)議的吞吐量對(duì)比仿真圖。仿真環(huán)境中，鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)N=20，可用頻率數(shù)M=40，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度d=100。從圖中可以看出，在節(jié)點(diǎn)負(fù)載接近0.5的時(shí)候，HRMA協(xié)議的吞吐量趨近于零，這是因?yàn)樵搮f(xié)議時(shí)隙中，同步階段占據(jù)了絕大多數(shù)時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)負(fù)載變大的時(shí)候，其協(xié)商階段的沖突急劇增大，從而影響了吞吐量。而基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議因?yàn)閰f(xié)商時(shí)隙中HR、RTS和CTS三個(gè)階段平分了時(shí)隙長(zhǎng)度，增大了各自的時(shí)長(zhǎng)，使得節(jié)點(diǎn)負(fù)載較大的時(shí)候，依然能夠有效地進(jìn)行頻率協(xié)商，提高了頻率利用率，繼而使得其網(wǎng)絡(luò)吞吐量仍然處于較高水平。

4結(jié)語(yǔ)

基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議以公共密鑰產(chǎn)生的跳頻序列為虛擬共安全信道，各節(jié)點(diǎn)在此虛擬公共安全信道上以跳頻的方式，結(jié)合基于時(shí)間信息TOD的同步機(jī)制進(jìn)行全局同步，結(jié)合RTS/CTS競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約機(jī)制進(jìn)行頻率分配與協(xié)商。在整個(gè)協(xié)議的各個(gè)過(guò)程中，既不需要公共的固定同步頻率，也不需要公共的固定控制頻率，從而很好地保證了多節(jié)點(diǎn)多頻率通信的安全性和高效性。通過(guò)仿真分析，基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協(xié)議其吞吐量隨著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的增大而不斷提高，并且能夠在節(jié)點(diǎn)負(fù)載較大時(shí)，依然保持很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

目前，對(duì)于MAC協(xié)議的改進(jìn)方案主要集中于提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低節(jié)點(diǎn)能耗[13]等方面，本文所提出的MAC協(xié)議主要重點(diǎn)在于提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，下一步我們將就縮短同步時(shí)隙長(zhǎng)度，提升協(xié)商時(shí)隙利用率以降低節(jié)點(diǎn)能耗做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mokdad L,Ben-Othman J,Yahya B,et al.PerformanceEvaluation Tools for QoS MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[J].Ad Hoc Networks,2014,12:86-99.

[2]WANG X,LI J.Network Coding Aware Cooperative MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Networks[J].Parallel and Distributed Systems,IEEE Transactions on,2014,25(1): 167-179.

[3]WU S L,LIN C Y,ZENG Y C,et al.A New Multi-Channel MAC Protocol with On-Demand Channel Assignment for Multi-Hop Mobile Ad Hoc Networks[C]//Parallel Architectures,Algorithms and Networks,2000.I-SPAN 2000.Proceedings.International Symposium on.IEEE,2000: 232-237.

[4]So J,Vaidya N H.Multi-Channel Mac for Ad Hoc Networks: Handling Multi-Channel Hidden Terminals using a Single Transceiver[C]//Proceedings of the 5th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing.ACM,2004: 222-233.

[5]LUO T,Motani M,Srinivasan V.CAM-MAC: A Cooperative Asynchronous Multi-Channel MAC Protocol for Ad Hoc Networks[C]//Broadband Communications,Networks and Systems,2006.BROADNETS 2006.3rd International Conference on.IEEE,2006: 1-10.

[6]YANG Z,Garcia-Luna-Aceves J J.Hop-Reservation Multiple Access (HRMA) for Ad-Hoc Networks[C]//INFOCOM'99.Eighteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE.IEEE,1999,1: 194-201.

[7]Garcia-Luna-Aceves A T.Channel Hopping Multiple Access with Packet Trains for Ad Hoc Networks[C]//In In Proc.IEEE Mobile Multimedia Communications MoMuC’00.2000.

[8]Shacham N,King P J B.Architectures andPerformance of Multichannel Multihop Packet Radio networks[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,1987,5(6): 1013-1025.

[9]Maheshwari R,Gupta H,Das S R.Multichannel MAC Protocols for Wireless Networks[C]//Sensor and Ad Hoc Communications and Networks,2006.SECON'06.2006 3rd Annual IEEE Communications Society on.IEEE,2006,2: 393-401.

[10]焦樑.短波跳頻通信系統(tǒng)同步方法研究[D].成都：電子科技大學(xué),2013.JIAO Liang.Research of Synchronization Method for Shortwave Frequency-Hopping Communication System[D].University of Electronic Science and Technology of China,2013.

[11]LI F,LI Z,LOU D,et al.Analysis and Research of Synchronization Technique for Frequency-Hopping Communication Systems[C]//Computer Science and Network Technology (ICCSNT),2011 International Conference on.IEEE,2011,3: 1968-1972.

[12]TANG Z,Garcia-Luna-Aceves J J.Hop Reservation Multiple Access for Multichannel Packet Radio Networks[J].Computer Communications,2000,23(10):877-886.

[13]田驥,蔣鈴鴿.基于節(jié)能目標(biāo)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].通信技術(shù),2012，45(09):63-66.TANG Ji,JIANG Ling-ge.An Improvement on Wireless Sensor Network based on Energy-Saving Target[J].Communications Technology,2012，45(09):63- 66.

A Multi-Frequency MAC Protocol based on Virtual Public Security Channel

DAI Ya-nan1,2，ZHANG Chi1，YU Neng-hai1

(1.Key Laboratory of Electromagnetic Space Information,Chinese Academy of Sciences, Department of Electronic Engineering and Information Science, University of Science and Technology of China,Hefei Anhui 230027,China；2.Armored Force Academy,Bengbu Anhui 233050,China)

Abstract：Most commonly-used multi-channel MAC protocols usually require at least one fixed public frequency,and for purpose to improve this defect and further enhance the throughput of the protocol,a multi-channel MAC protocol based on virtual public security channel is proposed.This protocol,requiring neither common synchronous frequency nor public control frequency,takes the frequency sequence of the public key as the virtual public security channel,adopts frequency-hopping mode to only ensures global synchronization and that all the nodes could negotiate frequency allocation and access safely and effectively.Theoretical analysis and simulation indicate that the proposed MAC protocol remains valid in maintaining high network throughput when the load is in a fairly large degree.

Key words：frequency-hopping; virtual public security channel; global synchronization; frequency negotiation; throughput

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.011

* 收稿日期：2015-09-09；修回日期：2015-12-22Received date:2015-09-09；Revised date：2015-12-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61371192)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61371192)

中圖分類號(hào)：TN915

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)02-0174-08

作者簡(jiǎn)介：

代亞楠(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ虐踩?，網(wǎng)絡(luò)安全；

張馳(1977—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全；

俞能海(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾畔㈦[藏與數(shù)據(jù)安全。