机载战术网多信道S-ALOHA协议设计与分析

针对机载战术网(airborne tactical network, ATN)高动态、大尺度、节点稀疏分布、通信业务多样等特征,以及高可靠、低时延的信息传输需求,提出一种新的多信道时隙ALOHA(multi-channel slotted-ALOHA, MC-S-ALOHA)协议。该协议采用一种基于活跃节点数量的退避机制,其竞争窗口的大小随网络中活跃节点数量的变化而自适应动态调整。针对提出的协议,通过对网络中忙碌信道数量和活跃节点数量建立二维马尔可夫链模型、对节点发送缓冲区建立一维马尔可夫链模型,理论推导了网络吞吐量、分组端到端时延和分组成功传输概率的数学表达式。仿真结果验证了理论推导的准确性,并表明该协议能够有效满足ATN的性能需求。

基于排队论的一种高吞吐量信道分配协议设计

针对复杂多变的认知无线电系统中难以为次用户高效分配信道的问题,提出了一种高吞吐量信道分配协议——TKMA协议。该协议根据主用户(PU)活动、次用户(SU)实时业务需求、信道条件等信息构建用户信道的效用矩阵,在保障PU通信质量的前提下以SU系统总效用值最大化为目标进行信道分配,并利用改进Kuhn-Munkras算法结合轮询调度进行求解。为了评估该协议性能,建立了通用的多用户多信道认知无线电系统模型,利用排队理论描述数据包传输过程,并通过马尔可夫稳态求解推导出SU的性能指标。实验结果表明,与以往提出的化简方法和传统的公平随机分配协议相比,使用TKMA协议在SU系统总的吞吐量、平均时延、平均队长、拒绝率等指标上都取得了更优的结果,证明了所提协议和系统模型的有效性。

基于OSPF协议Hello报文隐蔽信道构建研究

现有存储型网络隐蔽信道的研究主要根据不同协议中不同字段来隐藏信息。在众多协议中,例如TCP、UDP协议,对其研究较多,而OSFP使用广泛却在国内研究较少。针对OSPF协议下的Hello报文进行分析可以构建网络隐蔽信道的字段。从所有可能字段中选择Authentication、Router Dead Interval和Neighbor三个字段分别使用随机值模式、值调制模型和序列模式进行构建三种隐蔽信道,利用微协议技术优化信道,并将三种隐蔽信道组合成一个传输速率更高的隐蔽信道模型。经过验证,该模型具有一定的可行性和隐蔽性,可为存储型网络隐蔽信道构建技术提供一定的理论支持和技术支撑。

支持多信道绑定的HINOC MAC层协议一致性测试

本文研究了支持多信道绑定的HINOC MAC层协议一致性测试的实现机制,基于协议一致性测试方法框架,提出支持多信道绑定的HINOC MAC层协议一致性测试方案,并对多信道接纳流程进行测试,验证了支持多信道绑定的HINOC MAC层协议一致性测试方法的有效性和正确性。

降低控制开销的太赫兹无线个域网双信道MAC协议

针对现有的太赫兹无线个域网双信道媒体访问控制(Medium Access Control, MAC)协议在节点需要双向通信时采用半双工通信方式和对于已通信过的节点再次通信且位置未发生改变时信息控制开销较大而影响网络性能的问题,提出一种低控制开销的太赫兹无线个域网双信道MAC协议(Low Control Overhead dual-channel MAC protocol, LCO-MAC).LCO-MAC协议通过在通信双方节点同时有向对方发送数据的需求时,采用点对点全双工通信机制通过一次信息控制帧的交互完成信道预约和自适应省略允许发送帧/测试帧机制,降低信息交互过程的控制开销,提高吞吐量来提升网络性能.仿真结果表明,与TAB-MAC协议和EF-MAC协议相比,本文所提出的协议信息控制开销降低了至少12.6%、网络吞吐量和信道利用率提升分别不少于11.3%和12%.

太赫兹网络中基于优先级调度的低开销双信道MAC协议

针对现有太赫兹通信网络双信道MAC协议存在控制开销冗余和在竞争信道时缺少优先级调度策略等问题,提出了一种太赫兹网络中基于优先级调度的低开销双信道MAC协议(Low Overhead Dual-channel MAC Protocol Based on Priority Scheduling,LO-PSMAC),包含通信距离预判、优先级调度策略的CSMA/CA和精简THz频段MAC帧三种机制,可有效提升信道利用率和整体网络吞吐量,同时减小控制开销和降低数据平均时延。仿真结果表明,所提协议与现有太赫兹双信道MAC协议相比,MAC层吞吐量和信道利用率分别提升了7.14%和14.75%,数据平均时延降低了14.21%。

基于循环神经网络的SPMA协议信道状态智能检测改进算法

为实现对时敏目标的快速探测、定位和打击,战术瞄准网络技术(TTNT)对战术信息接入信道、交互传输的实时性、可靠性提出高要求。TTNT采用基于统计优先的多址接入(SPMA)协议,通过周期性计算统计平均的思想,估计当前信道状态,控制战术信息接入信道的时机。该思想仅适用于流量相对平稳的情况,在流量非平稳时会导致较大的信道状态检测误差。针对此问题,引入流量预测技术,提出基于循环神经网络的SPMA协议信道状态智能检测改进算法。利用循环神经网络的学习特点学习历史流量数据的隐含特征,构建流量预测器对瞬时时刻的流量脉冲到达数进行实时预测,从而准确获取当前信道状态。实验结果表明:所提算法对信道状态的检测结果更接近真实值,显著降低了信道忙闲状态的误判率。

基于信道状态判决的随机接入协议退避算法

针对二进制退避(binary exponential backoff, BEB)算法存在的“饥饿效应”及其与数据链网络作战场景不匹配的问题,通过对现有信道状态判决方法进行改进,结合数据链网络的作战应用场景,提出了基于信道状态判决的退避算法,使退避窗口的设置与节点数据的优先级以及当前信道负载密切相关。对系统的吞吐量和端到端时延进行了理论分析和仿真验证,通过分析仿真结果可知,无论是在系统吞吐量或是在端到端时延方面,所提算法的性能明显优于现有退避算法,保证了高优先级数据链信息发送的实时性。

基于深度强化学习的水声网络公平跨层MAC协议

针对水声通信异构网络中信道分配不公和节点能量受限的问题,基于深度强化学习方法,提出跨层联合优化公平信道接入和功率控制的媒介访问控制(POCL-MAC)协议。根据反馈ACK包获知时延状态下的信道冲突结果和接收机处信噪比,基于深度强化学习的状态、动作和奖励序列自主学习,调整认知用户的接入时隙和发射功率;采用公平函数实现异构网络中认知用户和主用户吞吐量性能的比例公平。设计了一个联合状态序列和独立式奖励函数,在不增加神经网络复杂度的前提下,提高跨层联合优化的子动作决策准确度。仿真结果表明,相比于传统DRL算法,所提算法实现了接近于最优公平性吞吐量性能,同时具有更好的能量利用效率。

Ad Hoc网络SPMA接入协议研究

为了解决现有介质访问控制子层(Media Access Control,MAC)协议无法较好地满足Ad Hoc网络资源接入的需求,提出了一种统计优先级多址接入(Statistic Priority-based Multiple Access,SPMA)协议,该协议是一种无中心节点控制的随机接入协议,适合节点移动性强、拓扑频繁变化的场景。首先介绍了SPMA协议的运行机制,重点研究了SPMA协议的信道负载统计方法,提出了MAC层信道负载统计方法,与物理层脉冲统计方法相比实现更简单;其次分析了在多跳场景下存在的问题,提出了多跳信道负载统计方法,同时为了克服周期性统计方法带来的滞后性问题,引入了基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的时间序列预测模型。实验结果表明,所提方法能够准确反映信道真实状态,提高网内节点信息传输的实时性和可靠性。

基于802.11的多信道MAC协议性能分析

为了改善无线网络中信道带宽的利用率,提高网络的吞吐量性能,已有研究提出了采用多信道MAC协议的方法,将单个信道分割成控制子信道和数据子信道进行联合使用.针对基于802.11DCF的该类型MAC协议,采用离散Markov链对DCF的退避机制进行建模分析,研究了多信道下两种MAC机制的饱和吞吐量性能与信道带宽分配比例的关系,分析了网络节点数、数据分组大小和DCF竞争窗口等对优化多信道带宽分配的影响,并将多信道MAC机制下的网络性能与单信道MAC机制进行了对比.分析和仿真结果表明,采用优化的信道带宽分配,多信道的MAC机制可以一定程度上提高网络的吞吐量性能.但是,当允许控制帧以最大信道速率传输时,多信道MAC机制吞吐量性能并不比单信道MAC机制好.

延迟容忍及冲突避免的水声网络S-Aloha协议

在S-Aloha协议的基础上,针对水声信道传播延时高的特点,设计了一种适合于水声网络的DTCAS-Aloha协议。该协议中,发送节点首先根据传播延时调整开始发送数据包的时刻,使数据包第1个比特到达目的节点的时刻与时隙同步。同时,节点通过提取侦听到数据包的信息和传播延时获取周围邻节点的忙时间和相应的忙状态,从而判断本节点即将发送的数据包或ACK在任意节点处是否会发生碰撞,达到避免冲突和提高吞吐量的目的。仿真结果表明,与原始S-Aloha协议相比,DTCASAloha协议在集中式单跳网络和分布式多跳网络中均具有较高的吞吐量和较低的冲突率。

基于空分复用的多信道机间紫外光通信定向MAC协议

为了弥补飞行编队任务分配情况和不同模式下紫外光定向通信存在"耳聋"问题的缺陷,采用一种基于空分复用的多信道机间紫外光通信定向信道接入协议,建立了机间紫外光通信网络模型。通过在紫外节点安装多个不同方向的紫外收发装置来实现多信道信息交换,并仿真验证了多信道通信使"耳聋"问题得到明显缓解,提高了网络吞吐量,降低了网络时延,使得网络性能显著改善。结果表明,多信道通信与单信道通信相比,网络吞吐量增加,平均时延减小,网络性能大幅度提高,并且采用三信道通信模式通信效果最佳。

认知无线电网络分布式多信道MAC协议

在认知无线电网络中,MAC协议用于信道感知、选择和接入控制。以单网卡多信道MAC(MMAC)协议为基础,依据IEEE 802.22标准定义的静默期管理的两阶段感知策略,提出一种认知无线电网络分布式多信道MAC(CR-MMAC)协议。将两阶段感知机制和分布式协商融入MMAC协议,利用空闲频谱进行数据传输,并在MMAC协议ATIM窗的数据信道协商阶段引入预约机制,以避免选择同一信道的认知节点对在后续数据传输阶段再利用CSMA/CA造成的竞争碰撞。仿真对比分析表明,CR-MMAC协议能提高网络吞吐量、降低通信时延,综合性能优于MMAC协议。

异步多信道无线传感器网络MAC协议

针对无线传感器网络中控制信道饱和问题以及三重隐终端问题,提出了一种异步多信道MAC协议——RIM(receiver-initiated MAC).RIM利用接收端开始的传输机制有效地解决了控制信道饱和问题,同时采用了基于概率的随机信道选择机制避免了三重隐终端问题.而且,RIM支持一种简单且可靠的异步广播机制.通过基于马尔可夫链的理论分析,得到了RIM中节点的最优占空比.为验证RIM的实际性能,进行了模拟和真实实验.实验结果表明,与其他多信道MAC协议相比,随着信道数及网络负载的增加,RIM增加了网络吞吐量,降低了传输所消耗的能量,同时也提高了广播的可靠性,达到了能量有效的目的.

基于多信道预约的传感器网络MAC协议研究

针对传感器网络中三重隐终端问题,提出了一种基于自适应占空比的多信道MAC协议—MCR,MCR通过多信道预约机制高效地解决了该问题。在理论分析中,通过最小化节点平均信道切换次数的下界得出了节点的最优占空比。为验证MCR中多信道预约和自适应占空比机制的性能,进行了模拟和真实实验,实验结果表明,与其他MAC协议相比,随着信道数及网络负载的增加,MCR提高了网络吞吐量,降低了传输所消耗的能量。

基于报文监听的Ad Hoc网络双信道接入协议

首先提出了基本的报文监听协议DCMA_BPS,并对控制报文的长度和协议的特性进行了分析,又提出了信道接入协议DCMA_PSBI,通过BI控制报文来阻止隐终端发送数据报文。仿真分析表明,DCMA_PSBI是一种非常高效实用的基于报文监听的Ad Hoc网络双信道接入协议。

多接口协作的高吞吐多信道MAC协议

多接口多信道MAC协议存在接口利用率不高等问题。为此,提出MIC-MAC协议在多接口节点模型中增加虚拟MAC层,利用单接口的成功握手信息建立源—目标节点之间所有接口同步传输的关系,提高了吞吐量和控制帧效率。另外,成功传输的节点选取当前信道作为下次传输的决策信道可以有效改善隐藏终端问题。实验结果表明在单跳网络中,与MIMC-SMAC、IEEE 802.11协议相比,吞吐量分别提高了100%~200%;在多跳网络中有效改善了碰撞和隐藏终端问题。

Ad Hoc网络载波监听双信道接入协议

为了解决由隐终端和暴露终端引起的数据报文冲突问题,在对Ad Hoc网络双信道接入协议进行研究的基础上,提出了载波监听双信道接入协议(dual channel multiple access,DCMA),包括基本的载波监听协议(basic carrier sens ing,BCS)和忙指示载波监听协议(carrier sensing busy indication,CSBI).研究了DCMA控制报文的长度以及其解决隐终端和暴露终端的能力.通过仿真对DCMA的性能进行了分析和比较.结果表明,CSBI通过载波监听和忙指示(busy in dication,BI)报文完全解决了隐终端和暴露终端问题,在高负荷时其吞吐量比802.11 DCF提高了近50%.

HM-MAC:一种支持广播的多信道传感器网络MAC协议

针对单Radio多信道MAC协议需要全网时间同步、占用大量正交信道、多信道隐终端较多以及单跳多信道广播数据大量丢失等问题,提出了一种基于竞争的多信道MAC协议——HM-MAC.该协议无需全网时间同步,通过动态预约技术降低了正交信道占用量,利用握手机制减少了多信道隐终端数目,同时,HM-MAC采用基于概率的广播发送者协调机制,减少了广播数据丢失,提高了广播效率.在理论上分析了所用信道数目、多信道隐终端数目以及广播效率等性能参数.实验结果表明:HM-MAC可以有效地解决多信道隐终端数目较多的问题,显著地提高了广播效率和网络吞吐量.