穆瑞勇 韋鑫余

摘 要： 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)由于采用固有廣播對(duì)干擾攻擊是十分脆弱的，通?？刹捎锰l策略（FH）和傳輸速率適配（RA）來(lái)減輕干擾。然而大量研究表明單獨(dú)使用FH或RA均無(wú)法有效對(duì)抗智能干擾，對(duì)此結(jié)合FH和RA提出了一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)抗干擾方法，考察導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低的功率受限掃頻干擾情況，首先將信號(hào)發(fā)射器和干擾之間的相互作用建模為零和馬氏博弈過(guò)程，在此基礎(chǔ)上提出了最優(yōu)防御策略。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)值對(duì)比表明策略在提高網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量和提高抗干擾能力上的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)跳頻； 干擾； 馬氏決策過(guò)程； 速率適配

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.4?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）09?0015?07

Abstract： Since the inherent broadcast adopted by wireless communication network is weak to resist the jamming attract， the frequency hopping （FH） strategy and transmission rate adaptation （RA） algorithm are commonly used to resist the jamming. The plenty articles indicate that the exclusive use of FH strategy or RA algorithm can′t effectively resist the intelligent jamming， so a wireless network anti?jamming method is proposed in combination with FH strategy and RA algorithm to investigate the power limitation sweep jamming situation causing the network throughput reduction. The interaction between the signal transmitter and jamming is modeled for the zero?sum Markov game process. And based on this， the optimal defense strategy is proposed. The numerical comparison results of simulation experiment show that the proposed scheme has the superiority to improve the network average throughput and anti?jamming ability.

Keywords： dynamic frequency hopping； jamming； Markov decision?making process； rate adaptation

0 引 言

由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣播通信的特性，非常容易受到各種干擾攻擊[1?3]，常見(jiàn)的干擾模型有隨機(jī)干擾、持續(xù)干擾、主動(dòng)干擾和被動(dòng)干擾[4?5]。本文主要考慮被動(dòng)掃描干擾，它通過(guò)掃描所有信號(hào)傳輸信道，并在每個(gè)時(shí)刻按照一定的樣式選擇固定[m]個(gè)信道進(jìn)行干擾，且能夠通過(guò)監(jiān)聽(tīng)到的干擾輸出自適應(yīng)地調(diào)整其干擾策略。另一方面，雖然連續(xù)地使用最大功率發(fā)射能使干擾器的危害最大化，但是這種情況具有非常高的能量消耗，且很容易被發(fā)現(xiàn)和打擊，因此本文考慮能量有限干擾情況。

跳頻（Frequency Hopping，F(xiàn)H）和速率適配（Rate Adaption，RA）[6?7]是目前普通用來(lái)減小干擾的兩種策略，然而當(dāng)他們單獨(dú)使用的時(shí)候抗干擾效果均存在一定的不足：只有RA沒(méi)有FH時(shí)，干擾方可以?xún)H僅通過(guò)在保持一定平均功率的前提下，按照隨機(jī)功率發(fā)射干擾信號(hào)，使得合法的信號(hào)發(fā)射器保持非常慢的碼元速率[5]，已有大量文獻(xiàn)采用不同的速率適配策略[8]在IEEE 802.11信道下通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該問(wèn)題的存在。另一方面，文獻(xiàn)[9]證明了單獨(dú)FH策略在802.11網(wǎng)絡(luò)中對(duì)抗干擾時(shí)能力不足，尤其當(dāng)信道數(shù)量較少且不是嚴(yán)格正交的時(shí)候，干擾會(huì)大幅降低系統(tǒng)性能。在多信道通信系統(tǒng)中，發(fā)射器可以通過(guò)在不同信道之間跳躍來(lái)躲避干擾的影響，然而由于系統(tǒng)無(wú)法在新的信道中立即工作，會(huì)帶來(lái)吞吐量的降低。因此，系統(tǒng)跳頻速度的設(shè)置需要十分謹(jǐn)慎，速度太快則會(huì)導(dǎo)致吞吐量大幅降低，速度太慢則會(huì)導(dǎo)致發(fā)射器在某一信道中停留太長(zhǎng)時(shí)間從而被掃頻干擾跟蹤上。而在選擇傳播速率時(shí)，發(fā)射器也面臨著類(lèi)似的困局，高速率會(huì)提高被干擾的幾率，而低速率則會(huì)降低系統(tǒng)吞吐量。

為了解決這些問(wèn)題，本文FH和RA策略進(jìn)行最優(yōu)結(jié)合，以抵抗被動(dòng)掃描干擾，該策略告訴發(fā)射器什么時(shí)候該跳到其他信道，什么時(shí)候留在當(dāng)前信道，從而得出一個(gè)最優(yōu)速率。并通過(guò)將合法信號(hào)發(fā)射器與能量有限被動(dòng)掃頻干擾之間的對(duì)抗建模為一個(gè)零和馬爾科夫博弈問(wèn)題（Zero?sum Markov Game，ZMG），讓發(fā)射器動(dòng)態(tài)決定什么時(shí)候切換傳輸信道以及采用什么速率去傳輸信號(hào)，并通過(guò)馬爾科夫判定（Markov Decision，MD）得到信號(hào)發(fā)射器的最優(yōu)防御策略。最后分析了本文提出的馬爾科夫博弈的約束納什均衡（Constrained Nash Equilibrium，CNE），結(jié)果表明了發(fā)射器均衡防御策略的優(yōu)越性。

1 信號(hào)發(fā)射和干擾模型

1.1 信號(hào)發(fā)射模型

對(duì)于固定的SINR，信號(hào)接收器只能接收特定速率的信號(hào)，SINR和速率之間的關(guān)系如圖1所示，當(dāng)SINR在[γi-1]和[γi]之間，只有[R0，R1，R2，…，Ri]速率的信號(hào)能被接收，當(dāng)接收器的SINR低于[γi]時(shí)，發(fā)射器使用高于[Ri]的速率傳輸信號(hào)將導(dǎo)致接收器完全丟包。假設(shè)信號(hào)接收器與發(fā)射器之間存在一個(gè)反饋機(jī)制，當(dāng)信號(hào)被接收器成功接收時(shí)，接收器會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK信息給發(fā)射器，相反當(dāng)成功干擾信號(hào)丟包時(shí)，接收器會(huì)發(fā)送NACK信息給接收器，且ACK/NACK信息均可被干擾器監(jiān)聽(tīng)到。

1.2 信號(hào)干擾模型

本文考察離散多信道被動(dòng)掃頻干擾，該干擾會(huì)掃描所有傳輸信道，并以隨機(jī)圖案選擇[m]個(gè)信道進(jìn)行干擾，干擾可以監(jiān)聽(tīng)到干擾信道中傳輸?shù)娜魏涡畔?，包括：ACK，NACK或者什么信號(hào)都沒(méi)有三種情況。發(fā)現(xiàn)ACK信號(hào)表明干擾器的功率正好落在信號(hào)傳輸信道，但是干擾功率不足以影響到正常通信。發(fā)現(xiàn)NACK信號(hào)則表明合法通信已經(jīng)被有效干擾了。如果沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到任何信號(hào)，則表明干擾器沒(méi)有有效跟蹤到合法通信傳輸信道，干擾器就是以此為前提來(lái)決定其干擾動(dòng)作。

2 基于速率適配的動(dòng)態(tài)跳頻博弈策略

2.1 攻擊和防御策略

在每個(gè)傳輸時(shí)隙最初，干擾器先發(fā)送干擾信號(hào)，并在時(shí)隙結(jié)束時(shí)監(jiān)聽(tīng)接收器返回的ACK/NACK消息，如果干擾器在干擾的[m]中之一的信道接收到ACK/NACK信號(hào)，則表明系統(tǒng)正好在那個(gè)信道傳輸信號(hào)。而當(dāng)系統(tǒng)只存在一個(gè)信道（[K=1]）時(shí)，發(fā)射器要躲避干擾的惟一方法就是調(diào)整其信號(hào)傳輸速率。在這種情況下，文獻(xiàn)[5]指出干擾器隨機(jī)調(diào)整信號(hào)發(fā)射功率可以逼迫信號(hào)發(fā)射器以最低的速率傳輸信號(hào)。因此，當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)信道存在時(shí)，信號(hào)發(fā)射器切換到其他信道去傳輸是更好的選擇，這樣干擾器也會(huì)搜尋著信號(hào)發(fā)射器在各個(gè)頻道之間跳躍。而干擾器的最佳干擾策略則是每個(gè)時(shí)隙中先由序掃描全部存在的[K]個(gè)信號(hào)，選擇其中[m]個(gè)信道進(jìn)行干擾，并在下一個(gè)時(shí)隙中按照一個(gè)新的隨機(jī)順序去掃描和選擇干擾信道，且干擾器可以通過(guò)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)的通信消息進(jìn)一步提高其干擾效果。與干擾器不一樣，當(dāng)接收到NACK信號(hào)時(shí)，信號(hào)發(fā)射器知道當(dāng)前信道上有干擾信號(hào)存在，而當(dāng)接收到ACK信號(hào)時(shí)，信號(hào)發(fā)射器并不能準(zhǔn)確判斷是否有干擾的存在。因此，當(dāng)接收到NACK信息時(shí)，信號(hào)發(fā)射器應(yīng)該跳到新的信道上，否則它將在接下來(lái)的時(shí)隙中再被干擾?？紤]到這點(diǎn)，如果接收到NACK信號(hào)，干擾器也將隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)新的掃頻模式；如果接收到ACK信號(hào)，干擾器將繼續(xù)在當(dāng)前信道進(jìn)行干擾，直到監(jiān)聽(tīng)到NACK或者無(wú)響應(yīng)時(shí)。因此，將干擾器的這種跳頻策略稱(chēng)為被動(dòng)掃頻干擾。

考慮到信號(hào)發(fā)射器與被動(dòng)掃頻干擾器之間的干擾博弈，即使跳頻策略已經(jīng)確定了，干擾器還需要決定在每個(gè)時(shí)隙中往各個(gè)信道傳輸?shù)哪芰看笮?，以便滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)的平均值和最大值限制。從而可得每個(gè)時(shí)隙中，信號(hào)發(fā)射器的決策包含了信號(hào)傳輸速率以及下個(gè)時(shí)隙是要保持在當(dāng)前信道還是跳轉(zhuǎn)到新信道進(jìn)行通信。

2.2 系統(tǒng)收益

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)通過(guò)單獨(dú)改變各個(gè)參數(shù)的值來(lái)研究聯(lián)合FH和RA策略的性能，通過(guò)平均吞吐量（單位：Mb/s）和成功通信概率來(lái)衡量系統(tǒng)的性能。研究的參數(shù)包含[K，C，L，Pavg，m]。傳輸速率使用IEEE 802.11a[4]中規(guī)定的速率9 Mb/s，12 Mb/s，18 Mb/s，24 Mb/s，36 Mb/s，48 Mb/s，54 Mb/s。仿真中采用的各固定不變的參數(shù)值為：[K=4，L=25，C=50 Mb/s，m=1，Pavg=0.83Pmax。]通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，給出了95%置信區(qū)間結(jié)果，相應(yīng)的最優(yōu)防御策略以及最優(yōu)攻擊策略通過(guò)式（22）得到。同時(shí)與單獨(dú)使用FH策略的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其中發(fā)射器也是依據(jù)最優(yōu)策略進(jìn)行跳頻只是沒(méi)有自適應(yīng)調(diào)整其傳輸速率，考察了其3個(gè)固定速率的結(jié)果（6 Mb/s，24 Mb/s，54 Mb/s）。各仿真結(jié)果如下。

4.1 [K]的影響

圖2，圖3為不同[K]取值時(shí)的平均吞吐量和成功通信概率曲線。可以看出，當(dāng)[K]取值較?。╗K<5]）時(shí)，F(xiàn)H/RA策略擁有比任何FH策略更高的平均吞吐量，然而當(dāng)[K>5]時(shí)傳輸速率為54 Mb/s的FH策略可獲得稍高的吞吐量。如圖3所示，F(xiàn)H策略的成功傳輸概率隨著[K]的 增加而增加，且從圖3的結(jié)果可以看出，F(xiàn)H的傳輸成功率在[K]很大時(shí)，依然保持較低的水平。另一方面，當(dāng)傳輸速率固定為6 Mb/s時(shí)，雖然FH的成功傳輸概率達(dá)到100%，然而其平均吞吐量卻是0，這是因?yàn)閇C]要大于6 Mb/s。對(duì)于FH策略，24 Mb/s的傳輸速率使平均吞吐量和傳輸成功率達(dá)到了平衡。

4.2 [C]的影響

圖4，圖5為不同[C]取值時(shí)的平均吞吐量和成功通信概率曲線。可以看出，當(dāng)[C]足夠大時(shí)，F(xiàn)H/RA策略比FH策略的吞吐量要大很多。這是因?yàn)閭鬏斔俾蕿?4 Mb/s的FH策略比聯(lián)合策略要更頻繁地變換信道。聯(lián)合FH/RA策略可以通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整跳躍頻率（使用盡可能低的跳頻速率）來(lái)減小跳頻引起的損失代價(jià)。且當(dāng)[C]足夠大時(shí)，聯(lián)合策略的成功傳輸概率要比54 Mb/s下的單獨(dú)FH策略高得多，這是因?yàn)楫?dāng)[C

4.3 [L]的影響

圖6，圖7為不同[L]取值時(shí)的平均吞吐量和成功通信概率曲線。可以看出，平均吞吐量隨著[L]的增加而減小，且當(dāng)[L]超過(guò)某一特定值時(shí)，達(dá)到0.54 Mb/s的FH策略的吞吐量要比聯(lián)合策略低，且比聯(lián)合策略更快到達(dá)0。

4.4 [Pavg]的影響

圖8，圖9為不同[Pavg]取值時(shí)的平均吞吐量和成功通信概率曲線?？梢钥闯?，如預(yù)期的一樣，當(dāng)[Pavg]增加干擾器會(huì)有更多的概率使用高功率干擾，相應(yīng)地合法通信的成功傳輸概率降低，且通信吞吐量也降低，特別是54 Mb/s的FH策略更為明顯。

4.5 [m]的影響

圖10，圖11為不同[m]取值時(shí)的平均吞吐量和成功通信概率曲線?？梢钥闯?，對(duì)于給定的[K，][m]會(huì)減小干擾器掃頻周期（[Km]），[m]增加帶來(lái)的損害與減小[K]是相同的。

5 結(jié) 論

本文提出一種聯(lián)合FH和RA的抗被動(dòng)掃頻干擾策略。將信號(hào)發(fā)射器與干擾器之間的相互作用建模為零和馬爾科夫博弈過(guò)程，并提出了抵抗最厲害攻擊的最優(yōu)均衡防御策略。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了FH/RA聯(lián)合策略和單獨(dú)FH策略的系統(tǒng)吞吐量和信號(hào)成功傳輸概率，得出聯(lián)合FH/RA策略具有更好的性能，特別是在如下情況中：信道的數(shù)量比較少；跳頻代價(jià)很高；干擾器的平均功率很高。

參考文獻(xiàn)

[1] 闞保強(qiáng)，蔡理，朱紅松.平均干擾下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效能傳輸研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（6）：1304?1306.

[2] 錢(qián)華明，金明路，李灝.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中抑制干擾的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（3）：137?139.

[3] 張招亮，陳海明，黃庭培.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種抗無(wú)線局域網(wǎng)干擾的信道分配機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012，35（3）：504?517.

[4] BAYRAKTAROGLU E， KING C， LIU X， et al. On the performance of IEEE 802.11 under jamming [C]// Proceedings of 2008 the 27th IEEE Conference on Computer Communications. Boston： IEEE， 2008： 1939?1947.

[5] LAN/MAN Standards Committee. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications： high?speed physical layer in the 5 GHz band： IEEE Std 802.11 [S]. US： LAN/MAN Standards Committee， 2007.

[6] PELECHRINIS K， BROUSTIS I， KRISHNAMURTHY S V， et al. ARES： an anti?jamming reinforcement system for 802.11 networks [C]// Proceedings of the 5th International Conference on Emerging Networking Experiments and Technologies. Rome： ACM， 2009： 181?192.

[7] ZHANG J， TAN K， ZHAO J， et al. A practical SNR?guided rate adaptation [C]// Proceedings of 2008 the 27th IEEE International Conference on Computer Communications. Phoenix， AZ： IEEE， 2008： 146?150.

[8] NAVDA V， BOHRA A， GANGULY S， et al. Using channel hopping to increase 802.11 resilience to jamming attacks [C]// Proceedings of 2007 the 26th IEEE International Conference on Computer Communications. Anchorage： IEEE， 2007： 2526?2530.

[9] PELECHRINIS K， KOUFOGIANNAKIS C， KRISHNAMURTHY S. Gaming the jammer： is frequency hopping effective？ [C]// Proceedings of 2009 7th International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile， Ad Hoc， and Wireless Networks. Seoul： IEEE， 2009： 187?196.

[10] WU Y， WANG B， LIU K J R， et al. Anti?jamming games in multi?channel cognitive radio networks [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2012， 30（1）： 4?15.

[11] FILAR J， VRIEZE K. Competitive Markov decision processes [M]. New York： Springer， 1997.

[12] ALTMAN E， SHWARTZ A. Constrained Markov games： Nash equilibria [J]. Advances in dynamic games and applications， 2000， 5： 213?221.