多信道跳频网络的协议序列性能分析研究文献综述

1、论文的背景和意义

• 1. 多信道网络：

移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域内的所有移动台共用。若一个无线小区有n个信道，将用户也分成n组，每组用户分别被指定在某一信道上工作，不同组内的用户不能互换信道，这种用户占用信道的方式称为独立信道方式。在这种方式中，即使移动用户具有多信道选择的能力，也只能在规定的信道上工作。当该信道被某一用户占用时，在他们的通话结束之前，属于该信道的其他用户都不能再占用该信道通话，而此时很可能其他一些信道正空闲。这样一来就造成有些信道在紧张“排队”，而另一些信道却呈空闲状态。显然，独立信道方式对信道的利用是不充分的，通常采用可以大大提高信道的利用率的多信道共用方式。多信道共用就是多个无线信道为许多移动台所共用，或者说，国内大量用户共享若干无线信道。其目的是为了提高信道利用率。

IEEE802.11b作为一种高速（最高速率可达 11Mbps）无线局域网协议，提供了数据传输时避免冲突的基本原则——CSMA / CA （carrier sense multiple access with collision avoidance）机制，该机制在很大程度上减少了冲突的可能性。RTS（request to send）/CTS（clear to send）机制又在一定程度上解决了“站点隐藏”和“站点暴露”问题，但是如果使用单信道，则并不能从根本上解决“隐接受终端”、“暴露发送终端”和“暴露接受终端”问题。解决上述问题通常可以使用双信道接入协议，如 DBTMA（dual busy tone multiple access）。从抗干扰性和高效性出发，基于多信道的接入协议更能解决此类问题，若采取跳频措施来增加系统的鲁棒性。

多信道网络多用于军事以及民用的移动通信，无线网络中，如指挥车、无线麦克风等设备，而目前主要的信道接入技术：1）基于竞争的信道接入技术：DCF,;2)基于固定分配的信道接入技术：TDMA,CDMA,FDMA,SCDM;3)按需分配的信道接入技术：PCF。

1.2 协议序列：

随着最近自组织网络、传感器网络的发展，无反馈的随机访问协议已经成为一种值得仔细研究的技术。基于Massey的模型对无反馈的随机访问信道。这个模型的核心概念是协议序列理念。协议序列最早由 Massey 和 Mathys 于 1985 年提出, 是一种按照所提方法设计的周期性二进制序列，对于这些序列，它们的互相关应尽可能低且其周期的长度不应太长。协议序列是用于无反馈的碰撞通道的信道接入。每个用户访问根据信道一个确定的0-1模式，称为协议序列。这个协议序列中的0和1被周期性地读出，当且仅当只有一个数据包时，它才能被发送。如果2个或多个用户同时发送数据包时，就会发生碰撞。由于缺乏从接收器收到的反馈和同用户之间的合作，协议序列开始时是不能同步的并且相关延迟补偿就会产生。我们从不同的视角研究了协议序列的设计。第一个被称作时移不变性，为了最大限度地减少由于延迟补偿引起的吞吐量的波动。第二个被称作用户控制力，我们想要保证每个用户在一个周期中都能至少成功发送一次。基于上述两个原则，我们导出了序列周期的一个下界，并且得到最佳设计方案来实现这个下界。

对于协议序列的优势，我们可以从以往对协议序列研究中看出,其主要目的是如何构造合适的协议序列以提高系统的平均吞吐量, 支持更多用户，来优化信道接入控制系统的时延性能。协议序列与 CSMA/ CA 以及时隙ALOHA( slotted ALOHA) 相比具有较强的优势,它不需要 CSMA/ CA 协议和时隙 ALOHA 所要求的退避算法和反馈信道, 在一帧时间内不会发生碰撞。每个用户周期性的读出协议序列中所排列的0和1的意义，并且当且仅当序列的值为1时，在一个时隙中传送一个信息包。信息包的传送并不被要求跟用户的任何时间都同步。我们把表现出的时延同ALOHA类型的随机访问系统作比较，期望得出一个这样的结论：通过使用协议序列，时延可以被减少。

1.3 CRT序列：

基于对协议序列的研究发展，一个新的协议序列的类别被提出来了。这些新协议序列是建立在质数序列的概念上。它显示这些序列具有的属性，使它们适合用于某些自组网或传感器网络随机访问协议的设计。

我们构造一种协议序列使其成对的汉明互相关是接近一个尽可能不变的值。在相关研究中，有人提出通过中国剩余定理（CRT），建立一个基于一维序列和二维数组间的双射映射的协议序列。在无反馈的冲突信道的应用中，最坏情况下的下界系统吞吐量将被导出。

因此，CRT序列是协议序列的一类，其汉明互相关是围绕平均值高度集中的。当CRT序列应用于无反馈冲突信道时，我们得到了一个在最坏情况下的吞吐量和序列周期之间的折衷的方法。这个CRT序列生成只包含简单的模块化的算法，并给多址接入的无线传感网络提供了一种低复杂度的解决方案

CRT 序列的构造方法基于中国余数定理，给定一个素数 p , p 大于等于网络中的用户数, 令 q= 2p - 1, p 与q 为互素, 序列的周期 L = pq, 负载因子 f duty= 1/ q。

1.4 跳频通信技术：

跳频通信技术是一种重要的抗干扰技术，其原理可以描述为通信收发双方在一组指定的频率上按编码序列规定的顺序同步、离散地跳变，从而扩展频谱并实现通信。与传统通信方式相比，跳频通信具有强抗干扰能力、低截获概率性、良好的多址组网能力、强抗衰落及高保密性等优点，在军事领域及民用领域被广泛应用采用多信道接入协议来解决站点隐藏和站点暴露的问题，一般将多个信道分成控制信道和数据信道。采用独立的控制信道实现多个物理信：道间的跳频同步控制，并在多个信道保持跳频同步的基础上利用高效的分段轮询方式实现控制信道和业务信道的时隙分配，同时利用控制信道实现多个业务信道间的用户调度，提高了信道的利用率，可广泛应用于各类多信道无线跳频通信系统，尤其是窄带信道的战术无线通信系统中。

控制信道上使用载波监听等机制避免数据冲突， 数据信道采用重传和跳频机制支持多路数据并发。独立物理信道的跳频接入系统的同步和信道控制技术基本来说仍让处于空白状态， 而对于如战术无线通信系统中使用的窄带多信道跳频接入系统的同步和信道分配来说没有合适的技术手段。本论文针对采用独立物理信道的多信道跳频接入系统，提出一种基于独立控制信道配合业务信道实现跳频同步和信道分配的方法， 重点解决多个独立信道间跳频同步问题，以及根据不同用户、 不同业务进行高效的信道控制和分配问题。

1.5 本项课题研究的意义：

通过对大量论文的阅读我发现质数序列、协议序列、CRT序列等序列的相关关系，但是我发现一般对协议序列的应用都是基于单信道的网络的，而我研究的重点是协议序列基于多信道的应用，可以提高信道的利用率，适合大量用户的使用。

文献综述

2、国内外研究概况

通过对相关参考文献的大致浏览我了解了国内外对多信道跳频网络和协议序列的定义，设计，应用范围及优点，同时发现相关的CRT序列能有效解决一些问题，以下是相关文献中的：

随着最近在自组织网络，传感器网络和射频识别（RFID）的发展，针对这些系统设计简单高效的多址接入算法要求对这些方法进行重新的审视。尤其是传感器网络提出了一个有趣的挑战。除了拥有大量的分布在动态变化的网络拓扑结构中的设备，该传感器通常具有非常严格的尺寸和功耗要求。因此，应用简单的随机访问协议不需要频繁的对反馈信息的信道进行监测，并且可以避免复杂的处理过程，如后退算法或随机数生成，然而随机访问也有一些局限性。

随机访问的目的是减少大消息的延迟，如果许多发送者只是偶尔发送信息，则在时分多址（TDMA）的基础上共享一个通信资源。有时，然而，随机访问时必须被使用的，当TDMA是最佳选择同时又是不实际的时候（由于从发件人同步传输困难）。卫星中继系统和移动无线电系统的实例说明这样的同步传送数据包是几乎不可能。[2]中的目的是探讨当M个发送者被迫使用随机访问，因为它们不能进行同步传输时，传输容量的损失会是多少，时延会是多少。这时就需要协议序列来进行改善。

[5]中表明近年来不少学者提出了一些好的协议序列的构造方法,生成了素数序列(Prime Sequences,PS)、摇摆序列(Wobbling Sequences,WS)以及中国余数定理序列(Chinese Remainder Theorem Sequences,CRT)等,并从两个不同的方面对协议序列的构造进行了标准的设定,第一个标准为移位不变(Shift Invariance,SI)序列，第二个标准为用户保障(User Irrepressibility,UI)序列。

同时用户在协议序列的设计中还要对异步通道的非抑制性进行考虑。[6]中提出CI（completely irrepressible）协议序列集为每个用户提供了在一个周期的异步信道内严格的零阻塞概率的保证。等差序列ECI（the most energy-efficient CI）与M序列的最小周期渐近为。一种满足这种渐近界限的结构将被给出。[8]中也指出以往研究中，当汉明权重为三，四和五时，就冲突避免代码的大小来讲，其上限是已知唯一的，就像[9]和[10]中的研究，在无反馈的多址接入冲突信道的研究中，CAC序列用于保证每个发送用户在固定周期为n的时间内成功发送至少一个数据包，在同一时间允许最多k个用户进行活动，在M个潜在用户中。在CAC码字的数量决定了该系统的潜在用户数量。一个CAC序列拥有最大基数被认为是最优的。当n是奇数且k=3时，就可以用图表定理和数字定理来描述一个最佳CAC序列的结构。但在[8]中的渐近的上限，可以将已知的结果扩展到所有的汉明权重，即k可以为任何值。

对于摆动序列(Wobbling Sequences,WS)，在[1]中，作者提出了这类新的协议序列，这些序列的构造是基于质数序列的概念。摆动序列是周期性的二元序列。他们具有互相关特性，所以更适合于定义无反馈的随机访问协议。这表明，这些序列是容易产生和解码的

[3]提出需要构造一种协议序列使其成对的汉明互相关是接近一个尽可能不变的值。提出通过中国剩余定理（CRT），建立一个基于一维序列和二维数组间的双射映射的协议序列。因此，CRT序列是协议序列的一类，其汉明互相关是围绕平均值高度集中的。当CRT序列应用于无反馈冲突信道时，我们得到了一个在最坏情况下的吞吐量和序列周期之间的折衷的方法。这个CRT序列生成只包含简单的模块化的算法，并给多址接入的无线传感网络提供了一种低复杂度的解决方案。在无反馈的冲突信道的应用中，最坏情况下的下界系统吞吐量将被导出。

光正交码的建造也需要用到CRT序列，然而，这里提出的具体的建设是新奇的，虽然CRT序列分析比较复杂难懂，但这样的序列的生成，不需要更多线性运算相对于计算模块算法来说。这里被提出的CRT序列有两个特点，用户识别能力和帧同步能力。每个成功接收到的数据包的发送者仅仅通过寻找信道的活性才可以被识别，不用考虑数据包内容。

协议序列与光正交码以及二进制循环置换代码相关。这两个的主要区别是，在协议序列设计中，汉明自相关是无关紧要的，只有考虑汉明互相关。

[4]也提出一种利用精心构造的协议序列( Protocol Sequence) 来实现 VANET 中用户信道接入控制的方法,称之为基于协议序列的VANET 信道接入控制算法。在以往的协议序列研究中,主要目的是如何构造合适的协议序列以提高系统的平均吞吐量,支持更多用户。[4]和[7]的研究重点是研究基于协议序列信道接入控制系统的时延性能。在实时性要求较高的应用中,时延这个指标至关重要,比如在VANET中,每辆车总是希望能够及时地发送出自己的行驶信息,并且能够及时地收到在本车一跳组网范围内的其他车辆的行驶信息,这对于驾驶者实时了解其行驶环境有着重要意义。协议序列与CSMA/CA以及时隙ALOHA(slotted ALOHA)相比具有较强的优势,它不需要CSMA/CA协议和时隙ALOHA所要求的退避算法和反馈信道。

CRT序列的构造方法基于中国余数定理，给定一个素数p,p大于等于网络中的用户数,令q=2p-1,p与q为互素,序列的周期L = pq, 负载因子fduty=1/q。

[11]中介绍的内容是有关等重码，等重循环码，循环可交换码以及其与协议序列的关系以及其应用。

当考虑动态网拓扑络结构的自组织网络时，这可能是因为用户移动性或随时间可变的传播时延，让大数量的设备共享一个无线电频道是优质传播协调的要求，但是时间补偿可能是非常复杂的。这对单一设备特别难。以上的原因我们的成功探索原因。

[12]指明为了得到一个简单的无线传感器和自组织网络的多址接入方案，使用确定性编码序列定义无反馈冲突信道中随机访问序列是值得重新考虑和决定的。它是可以避免重传和反馈的需要，特别是在移动环境中。单极周期性二进制序列作为协议序列来使用在用户可以发送信息时为1，当它应该沉默时为0。

论文的理论依据、研究方法、研究内容

1、研究内容：

协议序列作为通信系统信道接入协议分配给每个用户，以确定其侦听信道及发送数据的时刻，为医疗、车联及军用等通信网络提供确定性延迟。CRT序列作为协议序列的一个重要子集，其吞吐率延迟性能仅在单信道网络中被广泛研究。本课题以支持多信道的跳频通信网络为研究背景，（1）了解相关文献资料，翻译相关英文文献。（2）利用仿真软件MATLAB仿真出GP序列的个人时延和群延迟、协议序列基础系统和随机访问系统的群延迟的累积分布函数、协议序列基础系统和随机访问系统持续成功发送信息包的持续时间的比较、以及其他相关数据，（3）重点分析CRT序列的吞吐率及延迟性能，并与随机接入协议进行比较。

1. 研究方法：

（1）前期查阅相关文献，翻译相关英文文献，了解近年来协议序列及多信道跳频网络的研究进展。

1. 仔细阅读规定的参考文献，了解研究内容，研究方向。

（3）中期通过学习、使用仿真工具，实现多信道跳频网络中基于CRT序列的信道接入协议。

（4）向老师请教，改进程序以及分析的内容，尽量完善程序。

（5）分析吞吐率及延迟性能，并与随机接入协议进行比较。

（6）后期撰写论文，完善分析，并做相应总结。

研究条件和可能存在的问题

3、可能问题：

问题1、相关文献和参考资料英文居多，在阅读方面需要下一点功夫，要对相关专有名词进行叙述，了解文献内容。

问题2、编程是基于MATLAB，但是我对于MATLAB的功能及应用还不够了解，下面需要自学仿真软件的应用。

问题3、对相关领域还不够了解，需要对老师及学长学姐进行请教，相信在进入新的领域时都会有一些的适应期，等到了解了基础就会好的。

问题4、仿真和实际应用会有一些差异，要考虑实际应用时会有哪些因素的影响。

预期的结果和总结

一、预期结果：

1、开题报告一份，含相应的文献综述。

2、毕业论文一份。分析CRT序列的吞吐率及延迟性能，并与随机接入协议进行比较。

3、定期写工作小结，总结一个阶段的工作。

4、与论文内容有关的英文资料翻译。

5、相关仿真程序。包括仿真的程序，结果，分析。

二、小结：

协议序列具有特定的结构可进一步降低个人时延和群延迟。这说明协议序列系统在VANET广播安全信息应用的潜在优势。只要有一组相邻的用户被分配到不同的协议，该协议序列基础系统就是有效的。如何维护协议序列的特异性是至关重要的，也是未来的重要的研究方向。所以基于此项研究意义和前景，我还应该立足于现有成果，进一步进行研究，完成协议序列中的CRT序列和随机接入访问的对比研究。

论文拟撰写的主要内容

1. 中英文摘要及关键字，对论文的内容及重点进行概括，说明文章的中心，描述研究对象。
2. 引言，对课题的基础，背景，目的及发展进行概述，阐明其重要性，说明研究的实际意义。
3. 论文主体，
4. 说明对于协议序列的了解，其定义以及其负载因子与特征集的描述。
5. 说明对CRT序列构造的了解，确定序列的特征集，生成CRT-UI序列。
6. 说明多信道跳频的含义及应用范围。
7. 仿真软件的使用方法，编程的思路及步骤，仿真的数据和结果进行展示和说明。
8. 对仿真结果进行分析，分析系统的延迟性和吞吐率，并与随机接入协议进行比较。
9. 对仿真中出现的问题进行阐述，思考可能的答案。
10. 总结，对仿真及研究的结果进行汇总，得出结论说明协议序列的使用可以减少时延。
11. 心得体会，说明研究过程中所遇到的困难以及收获。
12. 参考文献，说明参考的书籍以及定理公式的出处。
13. 附录，附上所编的程序及注释。

论文工作进度安排

第一周至第四周 查阅资料，学习协议序列，多信道跳频以及仿真工具使用，完成开题报告。

第五至第八周 仿真实现多信道跳频网络的协议序列信道接入机制。

第九周至第十一周 仿真分析吞吐率、延迟等性能。

第十二周至第十四周 完成毕业论文和外文翻译，准备答辩。

参考

文献

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[3] K. W. Shum and W. S. Wong, Construction and applications of CRT sequences, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 56, no. 11, pp. 57805795, Nov. 2010.

[4] Protocol Sequences Based Channel Access Control Algorithm
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[5] K. W. Shum, W. S. Wong, C. W. Sung, and C. S. Chen, Design and construction of protocol sequences: Shift invariance and user irrepressibility, in Proc. IEEE Int. Symp. Inf. Theory, Seoul, Korea, Jun. 2009，pp. 13681372.

[6] Y. Zhang, K. W. Shum, and W. S. Wong, Completely irrepressible sequences for the asynchronous collision channel without feedback, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 4, pp. 18591866, May 2011.

[7] Y.Wu, K.W. Shum,W. S.Wong, and L. Shen, Safety messages broadcast in vehicular ad hoc networks based on protocol sequences, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 63, no. 3, pp. 14671479, Mar. 2014.

[8] K.W. Shum, W. S.Wong, and C. S. Chen, A general upper bound on the size of constant-weight conflict-avoiding codes, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 56, no. 7, pp. 32653276, Jul. 2010.

[9] H.-L. Fu, Y.-H. Lo, and K. Shum, Optimal conflict-avoiding codes of odd length and weight three, Des. Codes Cryptogr., vol. 72, no. 2, pp. 289309, Aug. 2014.

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[11]N. Q. A, L. Gyorfi, and J. L. Massey, “Constructions of binary constant-weight cyclic codes and cyclically permutable codes,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 38, no. 3, pp. 940–949, May 1992.

[12] C. S. Chen, W. S. Wong, and Y.-Q. Song, “Constructions of robust protocol sequences for wireless sensor and ad hoc networks,” IEEE Trans. Veh Tech., vol. 57, no. 5, pp. 3053–3063, 2008.