動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法

武警內蒙古總隊司令部通信網絡管理中心　喬　浩

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動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法

武警內蒙古總隊司令部通信網絡管理中心喬浩

【摘要】文章為提高動態頻率選擇算法的保密性和頻譜利用率，提出了一種動態刪除回歸的周期頻率選擇算法。算法在現有動態頻率選擇算法的基礎上，將“跳頻”與“跳時”相結合，利用RS序列生成初始頻率集合，根據當前信道狀態，采取刪除回歸機制形成頻率變換序列，以廣播的形式，周期性下發信道切換消息完成動態頻率選擇，實現類似慢跳頻功能，有效避免干擾同時，提高復雜電磁環境下的可靠性。仿真實驗表明，相比于現有的動態頻率算法，動態刪除回歸的周期頻率選擇算法頻譜利用率更高，抗強干擾能力突出。

【關鍵詞】動態頻率選擇；抗干擾；刪除回歸機制；OPNET

0　引言

進入21世紀以來，無線網絡呈現爆炸性增長，出現了越來越多的無線網絡標準，過多的標準工作在同一頻段上不可避免地帶來了干擾的問題，隨之而來的網絡竊聽、攻擊事件也日益增多，抗干擾和網絡安全的研究成為了重點。廣泛應用在IEEE 802.11[1]和HiperLAN[2]等無線網絡中的動態頻率選擇算法(DFS)算法，可以自適應地調整頻率躲避干擾，是一種提高抗干擾性能的有效方法。

國內外許多學者對DFS算法進行了廣泛研究，文獻[3]提出了一種基于干擾濾波值的長期衡量算法，主要應用在HiperLAN/2網絡，能夠快速的判決干擾，但是頻率重選率高，系統性能受限。文獻[4]利用鏈路LCH包的CIR0與RSS0兩個參數更新工作信道集合,并針對文獻[3]頻率重選率高的問題，引入了二次判別機制，減少了頻率重選的次數，提高了判斷的準確性，所以與長期衡量算法相比，系統發現干擾的時間明顯縮減。文獻[5]在考慮物理層干擾的前提下，為有效提升業務傳輸效率和網絡容量，利用凸優化理論以吞吐量最優為目標聯合進行優化，選擇最佳工作信道。文獻[6]在原有DFS算法基礎上，引入模擬退火算法，系統整體性能得到優化。文獻[3-5]中對動態頻率選擇算法的研究重點主要是集中在好頻率的判決方法上，僅僅是發現干擾，躲避干擾，并沒有針對系統整體性能進行優化。文獻[6]雖然優化了系統整體性能，但是其算法復雜度高。

上述動態頻率選擇算法的研究主要集中在抗干擾問題上，并沒有針對網絡的保密安全問題提出具體解決方案，而且在頻率資源有限的情況下，單一的頻率更新機制浪費了大量的頻率資源。現有動態頻率選擇算法利用周期性頻道質量掃描將可用的頻率分為“好”、“壞”兩類，當發送方發現當前使用頻率是“壞”頻率時，直接將其刪除，并從“好”頻率集合中隨機選擇一個“好”頻率代替。然而實際通信環境下，頻率的狀態可能隨時間不斷變化，系統將當前時刻的“壞”頻率刪除時，下一時刻前面的“壞”頻率可能已變為“好”頻率，實際使用的“好”頻率數目將會越來越少，系統必須重新掃描整個信道，然而重新掃描整個信道將花費大量的時間，尤其是在干擾較大或頻率狀態變化較快的情況下，系統不得不頻繁掃描信道，系統吞吐量損失嚴重，因此這種方法僅僅適用于頻率狀態相當穩定的情況。

為提高算法在強干擾環境下的適用性，本文提出一種動態刪除回歸的周期型頻率選擇算法，算法將“跳頻”與“跳時”相結合，網絡中心控制節點首先生成RS頻率序列，并根據信道質量情況，形成頻率變換序列，之后周期性下發信道切換廣播幀進行動態頻率選擇，實現了一種類似慢跳頻的過程，同時在頻率更新方面，在原有算法刪除機制的基礎上引入了回歸機制，將“壞”頻率周期性的回歸至“好”頻率集合，進一步提高頻譜的利用率。

1　算法流程

算法過程（如圖1所示）按照時間順序可分為三個階段：初始化階段、準備階段、運行階段、更新階段。各階段具體過程如下：

1）初始化階段，網絡內普通節點向控制節點發送入網請求，控制節點根據普通節點的入網請求，關聯相關普通節點并記錄所有已入網節點信息；控制節點掃描所有可用信道，根據可用信道數目N，生成相應周期的RS序列，形成初始好頻率集合fg和初始壞頻率集合fb，初始階段fg為全部可用信道，fb為空集。

圖1　算法流程

2）準備階段，控制節點利用RS序列生成頻率變化序列，并刪除f∈fb，初始化階段由于fb為空集，因此不對頻率變換表進行刪除處理，進入運行階段。

3）運行階段：控制節點網絡間隔Tdfs時長進行一次頻率變換，變換周期內，每Tdfs/m時長利用信道切換預告幀向普通節點發送信道切換聲明信息元素，普通節點只要在頻率變換之前收到通告信息，就會在下一個頻率變換時刻按照預告頻率表進行頻率切換。

4）更新階段：初始階段之后，控制節點在頻率變換周期內，統計關聯普通節點的傳輸丟包率，若丟包率大于門限值則將當前頻率f從好頻率表fg中移除，加入壞頻率集合fb。控制節點下一個RS序列周期前，根據好頻率集合fg和壞頻率集合fb，采取刪除回歸機制，更新頻率變換表，進入運行階段。

2　頻率刪除回歸機制

本文提出的頻率回歸刪除機制是在對“壞”頻率刪除的基礎上，通過周期性的引入狀態發生改變的部分“壞”頻率，保證足夠的“好”頻率數目，提高資源利用率。基本思路是在當前序列周期結束時刻，綜合考慮當前序列周期前的“壞”頻率集合中“壞”頻率的轉換成功地可能性和轉換失敗次數，將部分“壞”頻率引入下一序列周期，如果該“壞”頻率在下一序列周期被判決為“好”頻率，下一序列周期結束時則回歸至“好”頻率集合；如果被引入的“壞”頻率在下一序列周期仍然被判決為“壞”頻率，則令頻率轉換失敗次數m+1，增加其回歸周期長度，即減少其回歸機會，這樣能夠防止某些“壞”頻率反復被調度造成不必要的資源浪費。

首先定義頻率f的狀態轉移系數來表示轉換成功地可能性，

α=n/N0

式中，n為該頻率周期內成功傳輸的分組數量，N0為頻率周期內傳送的總分組數。α直接反映了頻率f在頻率周期內的質量，“壞”頻率集合中，頻率fb的質量越高，意味著其轉換為“好”頻率的概率越大，反之越小。

頻率f的轉換失敗次數為m，表示頻率f∈fb被調用后未成功轉換為好頻率的次數。

控制節點根據頻率狀態轉移系數α以及轉換失敗次數m對f∈fb進行排序形成頻率回歸參數表，如表1所示。

表1　頻率回歸參數

如表1所示，系統按照轉換失敗次數m和狀態轉移系數α對f∈fb排序，表中m0α2> …>αk，頻率轉換失敗次數按照升序排列，相同轉換失敗次數的頻率，按照狀態轉移系數降序排列。那么，轉換失敗次數小，且狀態轉移系數大的頻率排序相對靠前，反之，轉換失敗次數大，且狀態轉移系數小的頻率排序靠后。排序靠前意味著被調用的機會大，相反被調用的機會小，這樣就避免同一“壞”頻率反復被調用，增加了調用成功率，大大減少頻率質量測試次數，同時保證跳頻序列中足夠的頻率數目。

假設當前序列周期結束時，k個頻率被判定為“壞”頻率，此時壞頻率集合fb中壞頻率數量為n，轉換失敗次數為m0的頻率數量p，為并按照表1排列，控制節點端刪除回歸機制如圖2所示：

圖2　刪除回歸機制

3　仿真實驗

仿真及結果分析：

利用Matlab軟件進行仿真，仿真環境設置在半徑3km的范圍內，1個AP，10個CPE，采用PTMP模式，按照星型拓撲結構分布，節點位置隨機分布；5個干擾源，位置服從泊松分布。

1）頻率變換間隔Tdfs對系統吞吐量影響

干擾源數量為5時，不同跳頻間隔下的平均吞吐量如圖3所示，隨著頻率變換間隔的增大，系統吞吐量先增大后減小，在300ms時，系統吞吐量達到最優。頻率變換間隔越大，在單個頻點駐留的時間越長，干擾越嚴重，但是頻率變換間隔越小，系統頻率變換的速率越快，系統的損耗越大，因此算法的系統損耗與抗干擾性能之間存在這一定的制約關系，在干擾源數量一定的情況下，存在最佳頻率變換間隔使得系統吞吐量最優。

圖3　不同跳頻間隔吞吐量對比

2）可用頻點數量N對系統吞吐量的影響

干擾源數量為5，頻率變換間隔為300ms，可用頻點數量N變化時，采用不同頻率更新機制的對比如圖4所示。當有足夠可用頻點頻點時，刪除替代機制的吞吐量略優于刪除回歸機制，因為刪除回歸機制的復雜度高于刪除替代機制，而當可用頻點逐漸減少，干擾點對普通節點的干擾加劇，此時，刪除回歸機制的頻率資源利用率優勢得以體現，系統吞吐量降幅明顯低于刪除替代機制。

圖4　不同頻點數目吞吐量對比Fig.4 Throughput comparison of different number of frequency points

4　結束語

本章針對強干擾環境下，現有動態頻率選擇算法性能下降，保密能力差的問題，提出了一種動態刪除回歸的頻率選擇算法，相比傳統的動態頻率選擇算法，算法的保密性能更強，頻譜利用率更高，對強干擾環境的適應能力更強。仿真實驗分析還進一步表明，通過調整頻率變換間隔等算法相關參數，可以實現吞吐量最大化。

參考文獻

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喬浩（1975—），陜西榆林人，現供職于武警內蒙古總隊司令部通信網絡管理中心，研究方向：通信網絡。

作者簡介：