一种基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议*

2016-07-01代亚楠俞能海

通信技术 2016年2期

关键词：吞吐量

代亚楠，张　驰，俞能海

(1.中国科学院电磁空间信息重点实验室，中国科学技术大学电子工程与信息科学系，安徽合肥 230027;2.装甲兵学院，安徽蚌埠 233050)

一种基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议*

代亚楠1,2，张驰1，俞能海1

(1.中国科学院电磁空间信息重点实验室，中国科学技术大学电子工程与信息科学系，安徽合肥 230027;2.装甲兵学院，安徽蚌埠 233050)

摘要：常用的多频率MAC协议大多需要至少一条固定不变的公共频率，为了改进这一缺陷，并进一步提升协议的网络吞吐量，提出一种基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议。该协议不需要公共的同步频率，也不需要公共的控制频率，它以公共密钥产生的跳频序列做为虚拟公共安全信道，采用跳频的模式既保证了全局的同步，又保证了各节点安全有效地进行频率分配与接入协商。通过理论分析和仿真实验表明，在节点负载处于较大程度时，所提出的MAC协议依然能够保持很高的网络吞吐量。

关键词：跳频;虚拟公共安全信道;全局同步;频率协商;吞吐量

0引言

在多节点多频率组成的无线网络中，多频率媒体接入(MAC)协议是提高其网络吞吐量的关键技术之一。多频率MAC协议控制着所有在无线频率上发送和接收的数据包，它的性能直接决定了无线资源的利用率[1]。多频率MAC协议主要解决两方面内容：频率协商和接入控制。频率协商负责为众多的通信节点协商分配各自相应的频率，从而消除数据包之间的冲突，使尽量多的节点对可以同时进行通信。接入控制则负责确定节点接入相应频率的时机，避免数据传输之间的冲突以及解决多频率带来的隐藏/暴露终端等相关问题[2]。利用完善的多频率MAC协议，多对节点可以无冲突地在不同频率上进行数据传输，有效地缩短传输延时，提高带宽利用率及网络吞吐量。

经过研究者不断地探索，已经存在很多成熟的多频率MAC协议。DCA[3]、MMAC[4]、CAM-MAC[5]等协议，均在众多频率中选取一个频率作为公共控制频率，各节点在此公共频率上进行频率协商，然后在各自协商好的普通频率上进行数据传输。HRMA[6]、CHMA[7]等协议，则不需要固定的公共控制频率，各节点以相同的跳频序列进行跳频，有数据传输需求的节点在当前跳变到的频率上进行频率预约协商，然后在预约成功的当前频率上，进行数据传输。这种MAC协议虽不需要公共的控制频率，却需要一个公共的同步频率。除了以上两种需要一条公共频率的MAC协议外，还存在RDT[8]、xRDT[9]等协议，在这种协议中每个节点为自己选择了一个固定的接收频率，只要自己处于空闲状态，便在接收频率上等待信息接收。

综上所述，无论是公共控制频率，还是公共同步频率，以及固定接收频率，以上几种MAC协议中都有至少一个频率是固定不变的，如此一来固定频率的使用次数必然大大多于其他普通频率。这种情况也就导致频繁使用的固定频率极易被攻击者发现，如果攻击者针对公共固定频率进行干扰，那么其MAC协议的性能必将大打折扣，网络吞吐量也将急剧下降。

针对这个问题，本文提出一种基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议。本协议不需要公共的固定同步频率，也不需要公共的固定控制频率，它以公共密钥产生的跳频频率序列为虚拟公共安全信道，在此虚拟信道内采用跳频的模式既保证了全局的同步，又保证了各节点能够安全地进行频率的分配与接入协商。通过理论分析和仿真实验表明，本文提出的MAC协议能够在节点负载处于较高水平时，依然保持很高的网络吞吐量。

1基于TOD的多节点跳频同步机制

本文提出的基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议需要全局的跳频同步，为保证节点从入网开始便保持同步，本协议采用基于时间信息TOD的跳频同步机制。该机制利用跳频的方式发送与接收TOD同步信息，从而避免使用固定的公用同步频率，提升了各节点同步的安全性。

基于时间信息TOD的跳频同步机制综合了精确时钟法、同步字头法、自同步法三种同步方法[10]。在该方法中发送端将携带有TOD时间信息的同步头置于跳频信号的最前面，接收端根据同步字头的特点，从接收到的跳频信号中把它们识别出来，从而捕获到发送端的TOD同步信息，以修正本端的TOD及其他同步信息，从而实现收发双方的快速同步。

1.1时间信息TOD的含义及帧格式

时间信息TOD(Time of Day)就是跳频图案实时状态信息或实时时钟信息，其格式为一串二进制数字码。实时时钟信息包括年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等；状态信息指伪码发生器实时的码序列状态[11]。根据这些信息，接收端就可以知道发送端当前跳频驻留时间的频率和下一跳驻留时间应当处在什么频率上，从而使收发端跳频器同步工作。

除了关键的低段TODI信息外，发送端要传递的同步信息帧还包含前导序列、帧同步、网号及缓冲等内容[11]，具体格式见图1。

图1同步信息帧具体结构

1.2基于时间信息TOD的跳频同步过程

各节点用来发送和接收上述同步信息帧的频率称为同步频率，它是由高段TODH信息和原始公共密钥根据一定算法，从所有频率中计算出一个子集而得到的。它随着TODH值的变化而变化，每经过一段时间便更换一个频率，经过一定周期后，同步频率就变成一个全新频率子集。

在发送与接收同步信息的过程中，发送方要根据自己的TOD值确定发送TOD信息的同步频率，并在同步频率上将同步信息帧进行跳频发送。而同时接收方也要根据自己的TOD值确定同步扫描频率，并在同步扫描频率上进行扫描。一般系统都会设定收发双方有若干条同步频率是一样的，在这些相同的同步频率上，接收方若是扫描到K个特征码，则完成了对同步信号的初步捕获。接下来，接收端要对同步信号进行跟踪与解码。

在整个同步过程中，为提高同步信息的安全性，发送端经常会将整体TOD信息进行分割分组，并对每组TOD信息进行编码，然后在每跳中相继发出。因此，在对同步信号的跟踪过程中，接收端可以一个个对分割分组后的TOD信息进行解码。经过扫描捕获、跟踪解码后，接收端便可以用发送方的TOD信息修正自己的TOD，从而完成了跳频同步。

2基于虚拟公共安全信道的MAC协议

2.1基本思想

本文提出的基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议，是在跳频预约MAC协议(HRMA[6]协议)的基础上进行的改进。

图2是原始HRMA协议帧的框架图，其主要存在两方面的问题：一是使用了固定的公共同步频率，并且该协议中的同步机制主要是针对节点入网后的同步修正与保持，并没有解决入网同步和后入网节点同步的问题。二是在协商时隙内，依然保留有同步阶段，并且同步阶段的时间远远大于其他协商阶段，这样就造成了在节点负载较大的情况下，吞吐量急剧下降的情况。

图2　HRMA协议帧框架

基于上述两方面的问题，本文所提基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议都进行了针对性改进。一是采用了基于时间信息TOD的多节点跳频同步机制，该机制中同步信息的发送与接收采用的是跳频模式，避免了使用固定的公共同步频率。而跳频所用的同步频率更是周期性不断变化的，同时在发送过程中，发送方又对时间信息TOD进行了分组与编码，这些措施共同保证了同步过程的安全性。

二是将同步时隙与协商时隙完全分开，基于TOD的跳频同步机制具有良好的同步效果，不需要每个时隙都进行一次同步，因此本协议将协商阶段与同步阶段完全分开，从而使得在节点负载较大的情况下，本协议的吞吐量依然保持在较高水平。

基于以上两点改进，在本文所提出的多频率MAC协议中，各节点拥有一个共同的跳频密钥，即拥有一个相同的跳频序列，从而入网同步之后的各节点可以按照此跳频序列进行同步跳频，这个大家都知道的跳频序列便形成一个虚拟的公共安全跳频信道。之所以将此信道称为“虚拟”的，是因为该信道的频率用法在同步阶段和协商阶段并不相同，即信道频率的组成是变化的。在协商阶段，当各个节点跳到虚拟公共安全跳频信道中的某一频率上时，有数据传输的节点若侦测到该频率空闲，它便和目的节点利用RTS/CTS握手机制进行竞争。竞争成功后，它与目的节点便对此空闲频率形成预约，紧接着在该频率上进行数据传输。由于频率已经被预约，所以其他节点无法在其上进行数据传输，因此预约当前频率的两节点能够不受外界影响的进行通信，从而避免了传输冲突。

2.2频率和时间的分配

在本协议不同的阶段中，频率的分配与用法并不相同。在同步阶段，所有的频率构成一个大的跳频频率组，各节点按照一定算法从频率组中取出一个子集作为自己的同步频率。在同步阶段之后的频率预约协商阶段，此时所有频率被划分为M=L/2个频率对，即(fi,fi*)，i=1,2,…,M。每个频率对中fi用于传输数据，包括预约包(HR)、请求发送包(RTS)、准备接收包(CTS)以及普通数据包[6]。而fi*则是用于发送和接收确认信息，这个确认信息就是关于fi上数据传送的情况。

相应的，本协议中时间也被划分为许多大小相同的两类时隙：同步时隙和协商时隙。同步时隙所对应的频率即为各节点的同步频率，我们把每个协议帧的第一个同步时隙称为初始同步时隙，节点在该时隙内主要完成入网同步。同时为了保证后入网的节点能够迅速同步，以及维持已入网各节点的始终同步，可以视具体情况每隔一段时间便插入一个同步时隙，我们将这些周期性插入的同步时隙称为勤务同步时隙。这两种同步时隙既保证了节点的初入网同步，又保证了后入网同步以及同步维持。

协商时隙包含HR阶段、RTS阶段和CTS阶段，相应的，每个阶段分别用来发送和接收HR包、RTS包和CTS包。每个协商时隙所对应的频率即为相应分配的fi，我们称之为当前时隙的当前频率。该频率fi在协商时隙内用来发送HR、RTS、CTS三类数据包，而当fi一旦在该协商时隙内被相应节点对预约成功，则从下一个时隙开始，fi便称为该对节点的专属的数据传输频率，直至数据成功收发结束。

综上所述，若干同步时隙和M个协商时隙相间构成了一个抗干扰MAC协议帧框架，这里以M=5为例，如图3所示。

图3　基于虚拟公共安全信道的MAC协议帧框架

2.3接入与预约

在各节点开始通信之前，首先要完成各节点间的同步。在每个MAC协议帧的开始即初始同步时隙上，按照基于时间信息TOD的多节点跳频同步机制，IDmax节点在同步频率上发送自己的时间信息TOD，其余节点则在扫描频率上进行捕获跟踪解码，最终实现所有节点间TOD信息的一致性，达到节点初始入网的同步。在其后周期插入的勤务同步时隙上，若IDmax节点之前没有预约任何频率，即没有与其他节点进行过任何数据传输，那么它仍然作为发送者在同步频率上发送TOD信息，其他节点仍然继续进行TOD的接收。反之，若在当前勤务同步时隙之前，IDmax节点预约过任何一个频率，即与其他节点进行过至少一次数据传输，那么在此勤务同步时隙上，则由IDmax-1节点作为发送者，在其同步频率上发送自己的时间信息TOD，以此类推，从而完成各个勤务时隙的同步。

各节点在完成初始同步之后，便进入到频率预约协商阶段。所有节点按照相同的跳频序列在虚拟的公共安全信道内进行伪随机跳频，若在当前时隙的当前频率上，一个空闲节点有数据包要发送，它便视情况而进行分类操作。下面将结合图4所示的数据传输图和图5所示的预约流程图，对本协议的具体预约协商过程进行详细描述。

若此时，当前时隙内的RTS阶段并未开始，那么它便要侦测当前时隙内有无HR包，即当前频率有无被预约。如果被预约了，那么它就要随机推延几个时隙重新尝试。如果没有被预约，那么它就向目标节点发送一个RTS包，然后等待CTS包。目的节点成功收到RTS后，便在CTS阶段向源节点发送一个CTS包。接着，如果源节点没有收到这个CTS包，那么它便推迟几个时隙，再次尝试预约。而如果源节点收到了CTS，那么这对节点便对当前频率进行预约，并在CTS阶段之后，开始传输普通数据包，一直到数据传输完毕[6]，见图4(b)。

图4　基于虚拟公共安全信道MAC协议数据传输原理

若在空闲节点有数据包要传送的时刻，当前时隙内的RTS阶段已经开始，那么源节点便直接推延几个时隙再重新尝试，因为此时的时隙长度已经不够节点预约当前频率了。

在CTS阶段结束之前，所有节点包括空闲节点不管有无数据传输，都停留在当前频率[12]。而在CTS阶段结束之后，即进入到下一个时隙之时，预约了频率的节点停留在原频率上进行下一步数据传输。而没有预约到频率的空闲节点，再跳到下个时隙所分配的频率，进行上述预约过程。而成功预约了上一个频率的两个节点，则已开始传输普通数据包。若此数据包过大，无法在一个MAC帧范围内传输完毕，那么发送端会在数据包的前端告知接收端，然后接收端会在下一个MAC帧相同时隙的HR阶段发送一个HR包，通知自己的邻居节点，将要再次预约当前频率。而发送端接收到这个HR包之后，也会发出一个RTS包，通知自己的邻居节点，当前信道继续被预约[6]。从而使得跳到当前频率的所有节点，得到当前频率被预约的消息，避免了通信冲突。接着在CTS阶段，两节点就不要再传输CTS包，而是继续原数据包的传输。循环往复，直至数据包传输完毕,见图4(a)。

当源节点传送完毕数据包之后，它便跳到相应的fi*信道上，等待目的节点在该信道上发回的确认信息ACK。接收到ACK之后，一次完整的预约频率传输数据过程便完成了，见图5。

图5　基于虚拟公共安全信道MA

3协议吞吐量近似分析

3.1理论近似分析

在本协议的吞吐量理论分析和仿真实验过程中，为了简单起见，我们假设各节点成对称的超立方体拓扑结构分布[6]。每个节点都具有N个邻居节点，而每个邻居节点彼此间都是相互隐蔽的。这样一来，我们就可以从任何一个节点的角度，去研究整个网络的吞吐量。整个网络具有M条可用频率(M>N)，每个节点配置一个半双工天线，使得其每次只能调到一个频率上。在本文的分析中，我们将每个节点成功发送或接受数据包的概率定义为协议吞吐量，可见在设定的系统模型中，协议吞吐量S最大为0.5。

对于每一个节点，数据包成泊松分布到达，其平均到达速率为λ。协议中每个时隙大小为η，则节点的标准化负载量为：

G=λη

(1)

假设每个数据包为d个时隙的长度，而且开始传输于某一个时隙的起始时刻，结束传输于某一个时隙的结束时刻。从而，一个数据包在某一时隙结束传输的概率为:

q=1/d

(2)

一个数据包在某一时隙未结束传输的概率为：

p=1-q

(3)

为了集中主要精力在MAC协议性能的分析上，我们忽略传输时延、处理时间等的影响，与数据包长度d相比，它们对于协议性能的影响微不足道[6]。另外在本协议中，由于同步时隙与协商时隙是完全分开的，而且在文献[10]中已经对基于TOD的同步性能进行了详细分析，因此在本节，我们主要针对于MAC协议的协商阶段进行仿真分析。

通过上节MAC协议的原理阐述，我们可以知道，任何一个节点要想成功地进行数据发送与接收，都必须先成功地进行RTS-CTS包交换。因此，节点的空闲阶段一定处于数据包收发阶段之前，并且要占用整个时隙长度。依此我们可以得出结论，只有当一个处于空闲状态的节点在当前时隙成功地发送或接收一个RTS包，以成功开启后续的数据传输的时候，该节点在当前时隙才会结束空闲状态，转而进入数据包收发阶段[6]。我们用PSTRTS和PSRRTS分别表示当前时隙空闲节点成功发送与接收RTS包的概率，则当前时隙空闲节点结束其空闲状态的概率为：

qI=PSTRTS+PSRRTS

(4)

为了计算式(4)中的参数，我们用PCF|T和PCF|R分别表示在当前频率上，该节点正在发送和接收数据包的概率[12]。并从当前时隙的前一个时隙开始，依次向前进行编号，分别记为时隙1、时隙2……我们用P(i)表示一个数据包在时隙i开始启动传输的概率，用P(T|i)=pi-1表示一个数据包从时隙i开始启动传输，到了当前时隙仍然在继续进行传输的概率。通过上节我们知道，两个时隙除了节点所在频率不一样外，其他的完全一样，所以P(i)=P(j)，从而得到：

(5)

我们再用PHR表示一个节点发送HR包的概率，用PX表示一个节点在下一个时隙还要在当前频率上继续进行现在的数据传输的概率，它们分别为：

PHR=pPRPCF|R

(6)

PX=pPTPCF|T

(7)

在协商时隙中，HR阶段、RTS阶段和CTS阶段时长大小都一样，均为η/3，所以在一个时隙内一个节点有数据包到达的概率为：

PA=1-e-λη/3=1-e-G/3

(8)

假设空闲节点和所有邻居节点之间的数据传输是独立的，则一个节点为了开启数据传输而发送RTS包的概率为：

PRTS=PIPA(1-PHR)N-1

(9)

依据上面的推导，现在我们来推出PSTRTS的计算公式。在当前时隙一个空闲节点能够向它的任意一个邻居节点，成功地发送RTS请求包，必须满足以下几个条件：(i)在当前时隙的HR阶段，该节点有数据包到达；(ii)除了目的节点外，该空闲节点的所有邻居节点都不会发送HR包，即在下一个时隙它们都不会在当前的频率上继续接收数据包；(iii)目的节点的其他邻居节点都不发送RTS包，或者都不会在下一个时隙的当前频率继续传输数据；(iv)目的节点是空闲的并且不会发送RTS包，这里所说目的节点不发送RTS包表示两种可能情况[6]，一种是当前时隙内目的节点没有数据包到达，另一种是虽然有数据包到达，但至少它的一个邻居节点发出HR包。

根据这4个条件，我们可以得出：

PSTRTS=PA(1-PHR)N-1(1-PRTS-PX)N-1PI×

(10)

对上式进行简化，可以得到：

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

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

(11)

从而可以估算出：

(12)

将式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)代入式(11)中，便可得出PSTRTS的表达式，继而在代入式(4)中得出qI的表达式，最终代入式(12)中，便可得出：

PI=f(PI)

(13)

这是一个关于PI的非线性方程，可以利用迭代的方法解出PI。在下面不同参数值的仿真过程中，我们平均进行8次迭代即可得出近似解。

最终我们便得出协议的吞吐量：

(14)

3.2仿真结果及分析

图6、图7分别是本协议的吞吐量仿真图以及与HRMA吞吐量的比较仿真图。

图6　不同数据包长度下的网络吞吐量

图7　两种MAC协议吞吐量比较

图6是在不同的数据包长度参数下，本协议的吞吐量仿真图。仿真环境中，邻居节点数N=20，可用频率数M=40，图中三条曲线分别是数据包长度d=200,100,50的时候，本协议的吞吐量情况。从图中可以看出，当所传输数据包的长度d增加时，网络吞吐量也随之增加。这是因为本文提出的协议有效地避免了数据传输之间的冲突，当数据包长度较大时，传输节点可以在预约的频率上安全高效地一直进行数据传输，而不受其他节点的影响，从而提高了频率利用率，降低了通信开销。

由于本文假设的系统模型中M>N，即无论网络模型中节点个数N为多大，可用频率M总是大于N，所以M与N参数对于网络吞吐量的影响小于数据包长度d，d也成为了影响本文协议最重要的参数指标。M与N相比而言，频率数M的变化对吞吐量S的影响更是微小，这是因为只要M>N，对于每个节点来说都还存在着大量的可用频率，它们向当前频率预约竞争的成功率就不受影响。

图7是基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议与HRMA协议的吞吐量对比仿真图。仿真环境中，邻居节点数N=20，可用频率数M=40，数据包长度d=100。从图中可以看出，在节点负载接近0.5的时候，HRMA协议的吞吐量趋近于零，这是因为该协议时隙中，同步阶段占据了绝大多数时长，当负载变大的时候，其协商阶段的冲突急剧增大，从而影响了吞吐量。而基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议因为协商时隙中HR、RTS和CTS三个阶段平分了时隙长度，增大了各自的时长，使得节点负载较大的时候，依然能够有效地进行频率协商，提高了频率利用率，继而使得其网络吞吐量仍然处于较高水平。

4结语

基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议以公共密钥产生的跳频序列为虚拟共安全信道，各节点在此虚拟公共安全信道上以跳频的方式，结合基于时间信息TOD的同步机制进行全局同步，结合RTS/CTS竞争预约机制进行频率分配与协商。在整个协议的各个过程中，既不需要公共的固定同步频率，也不需要公共的固定控制频率，从而很好地保证了多节点多频率通信的安全性和高效性。通过仿真分析，基于虚拟公共安全信道的多频率MAC协议其吞吐量随着数据包长度的增大而不断提高，并且能够在节点负载较大时，依然保持很高的网络吞吐量。

目前，对于MAC协议的改进方案主要集中于提升网络吞吐量和降低节点能耗[13]等方面，本文所提出的MAC协议主要重点在于提升网络吞吐量，下一步我们将就缩短同步时隙长度，提升协商时隙利用率以降低节点能耗做进一步的研究。

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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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.61371192)

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

中图分类号：TN915

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0174-08

作者简介：