專利名稱：一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層信道動態(tài)分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，涉及一種無線MAC層多信道動態(tài)分配方法。
背景技術(shù)：
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由一組可隨時接入網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點組成，節(jié)點間通信由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸完成，不依賴于固定通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，具有無中心、自組織、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化等特點，在個人局域網(wǎng)、家庭組網(wǎng)、搜索救援行動、商業(yè)教育應(yīng)用和傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。但是，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的靈活性和不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的特點導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包沖突較多，造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低，丟包率較大和時延較長等缺點，這些缺陷可通過改進網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議來緩解。MAC層協(xié)議主要解決如何在相互競爭的用戶之間分配無線信道問題，即無線節(jié)點如何接入無線信道來發(fā)射數(shù)據(jù)幀。研究人員已經(jīng)進行了大量研究，提出了種種協(xié)議以改善MAC層性能，MAC層協(xié)議分為單信道協(xié)議和多信道協(xié)議兩類。IEEE 802.11是典型的單信道MAC層協(xié)議，也是無線局域網(wǎng)的標準(IEEE STD.802.11.Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY)speci cations.1999)，它釆用CSMA/CA技術(shù)避免信道沖突。其他單信道協(xié)議還包括基于純競爭方式(Pure Contention-based)的 MACA 協(xié)議(P.Karn.MACA - a newchannel access method for packet radi0.1n: Proc.0f the ARRL/CRRL AmateurRadio 9th Computer Networking Conference.1990 (9): 134 140)、基于忙音方式(BusyTone-based)的 PUMA 協(xié)議(M.Natkaniecj A.R.Pach.PUMA - a new channel accessprotocol for wireless LANs.1n: Proc.0f the 5th International Symposium onWireless Personal Multimedia Communications.2002:1351 1355)、米用功率控制(Power-aware)的PCM協(xié)議(E.S.Jungj Ν.H.Vaidya.A power control MAC protocolfor ad hoc networks.Wireless Networks.2005，11 (I):55 66)、基于定向天線技術(shù)(Directional Antenna-based)的DMAC協(xié)議(R.R.Choudhuryj X.Yang, R.RamanathanjN.H.Vaidya.Using directional antennas for medium access control in ad hocnetworks.1n: Proc.0f the 8th ACM Annual International Conference on MobileComputing and Networking.2002:59 70)等。單信道協(xié)議具有控制方式簡單的特點，但較易造成數(shù)據(jù)傳輸沖突。但是，當可用信道數(shù)目增加時，單信道協(xié)議無法充分利用信道資源。多信道協(xié)議可以充分利用信道資源，減少沖突，但控制方式需要精心設(shè)計。DCA(Dynamic Channel Allocation)協(xié)議(S.Wuj C.Linj Y.Tseng, J.Sheu.A NewMult1-Channel MAC Protocol with On Demand Channel Assignment for Mobile Ad-HocNetworks.1nternational Symposium on Parallel Architectures, Algorithms andNetworks.2000(12):232 248)使用一個固定的控制信道傳輸控制分組，其他信道劃分為多個獨立的數(shù)據(jù)信道傳輸數(shù)據(jù)分組。HRMA(Hop-Reservation Multiple Access)協(xié)議(Tzamaloukas, J.J.Garcia-Luna-Aceves.Channel-Ropping Multiple Access.1n:Proc.1EEE ICC 2000，New Orleans, Louisiana.2000 (8): 18 22)是一種多時隙交互的多信道協(xié)議，采用同步技術(shù)產(chǎn)生幾個時隙，分別用于RTS分組、CTS分組、DATA分組和ACK分組，從而使RTS不會與CTS沖突，經(jīng)過RTS和CTS握手確認后的DATA分組和ACK分組也不會沖突。MMAC(Mult1-channel MAC)協(xié)議(Jeonghoon Mo, HoiSheung Wilson So, Jeanffalrand.Comparison of Mult1-Channel MAC Protocols for Wireless Networks.ACM/IEEE MSWIM.2005 (10):209 218)使用面向連接的信道分配策略，通過時序表安排或者通過競爭來決定信道歸屬權(quán)。McMAC(Multi channel MAC)協(xié)議(H.ff.So, J.ffalrand.McMAC: a Mult1-Channel MAC Proposal for Ad-Hoc Wireless Networks.TechnicalReport.2005(4):116 122)同樣使用面向連接的信道分配策略，每個節(jié)點選擇一個種子生成一個偽隨機跳躍序列，當節(jié)點空閑時，它按照這個缺省序列在多個信道上跳躍。以上協(xié)議均未考慮鄰居節(jié)點將要采取的信道分配策略，因此容易造成沖突。AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信道分配應(yīng)由各通信節(jié)點對協(xié)商完成，為了最大程度滿足自身需求，節(jié)點需要考慮鄰居節(jié)點的行為策略，節(jié)點自身的行為策略也會影響鄰居節(jié)點，所有節(jié)點的行為策略組合決定了每個節(jié)點的最終收益，因此節(jié)點間信道分配實際屬于多人決策問題，適宜采用博弈論(game theory)方法來解決。博弈論的應(yīng)用前提為全部參與者均為理性、貪婪的，均不會選擇嚴格劣戰(zhàn)略，并且都知道其他參與者也是理性的。納什均衡(Nash equilibrium)是博弈的平衡狀態(tài),可通過完全且完美信息動態(tài)博弈(dynamic game with perfect and complete information)來實現(xiàn)。I)納什均衡納什均衡是指，在博弈論預(yù)測的博弈結(jié)果中，為每個參與者選定各自的戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略應(yīng)是針對其他參與者選擇戰(zhàn)略的最優(yōu)反應(yīng)。因為沒有參與者愿意獨自離棄他所選定的戰(zhàn)略，所以所有參與者選擇戰(zhàn)略的組合最終會達到平衡狀態(tài)，稱之為納什均衡，該狀態(tài)決定了每個參與者的最終收益。

定義:n個參與者標準式博弈如公式(a)所示:G= {S” S2，…Sn; U1, U2,…，un}(a)其中Si為參與者i的決策行為Si的集合,Ui為參與者i的收益函數(shù)。對每一參與者i，如果戰(zhàn)略組合{<，<,...,<}滿足< 是(或至少不劣于)針對其他η-1個參與者所選戰(zhàn)
略{<,...,‘,_..,<}的最優(yōu)反應(yīng)戰(zhàn)略，則稱戰(zhàn)略組合{ ...，<}是該博弈的一個納什均衡。即對參與者i的收益函數(shù)Ui,有:
_2]U1 (5；,...,Sll,s*,sl,,...,sl)>U1 (s*,...,si,,S1 ,si,,...S )(b)對所有Si中的Si都成立，亦即 < 為式(C)描述最優(yōu)化問題的解:Ui(<，...,Sl^Si,s*+1,---,s*n)(C)與納什均衡推導(dǎo)密切相關(guān)的是協(xié)議理念:對給定的博弈，如果參與者之間要商定一個協(xié)議來決定博弈如何進行，那么一個有效協(xié)議中的戰(zhàn)略組合必須是納什均衡的戰(zhàn)略組合，否則，至少有一個參與者沒有遵守該協(xié)議。2)完全且完美信息動態(tài)博弈
完全且完美信息動態(tài)博弈是指，在博弈進行的每一步中，參與者都清楚此前博弈進行的整個過程，參與者的行動步驟如下:步驟一:參與者I從可行集S1中選擇一個行動s/ ；步驟二:參與者2觀察到S2'后，從可行集S2中選擇一個行動S2'；步驟三:參與者I和參與者2的收益分別為U1W，s2')和112(8/，s2')。完全且完美信息動態(tài)博弈的主要特點有三個:行動是順序發(fā)生的；選擇下一步行動之前，所有此前的行動都可被觀察到；在每一種可能的行動組合下，參與者的收益都是共同知識。因此，可以通過逆向歸納法求解此類博弈問題。當在博弈的步驟二，參與者2行動時，由于此前參與者I已選擇行動S1',參與者2面臨的決策問題可用式(d)表示:maxs、m2 ，s2')(d)假定對于51中的每一個s/，參與者2的最優(yōu)化問題只有惟一解，用R Js/ )表示，即參與者2對參與者I行動的反應(yīng)，或稱最優(yōu)反應(yīng)。由于參與者I與參與者2 —樣,都能夠解出參與者2的問題,且可以預(yù)料到參與者2對自己每一個可能行動S1'所做出的反應(yīng)，因此參與者I在步驟一要解決的問題可歸結(jié)為:maxS|,.s, Ii,(.V1',R2(.V1'))(e)假定參與者I的這一最優(yōu)化問題同樣有惟一解，表示為 <，稱(<，'(.<))為這
一博弈的逆向歸納解。逆向歸納解不含有不可置信的威脅:參與者I預(yù)測參與者2將對其可能選擇的任何行動S1做出最優(yōu)反應(yīng)，選擇行動R2 (S1);這一預(yù)測排除了參與者2不可置信的威脅，即參與者2在步驟二不會做出不符合自身利益的反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是基于博弈論，提出一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層多信道動態(tài)分配方法，本方法的具體實現(xiàn)稱為⑶CA協(xié)議(Game based DCA protocol)與傳統(tǒng)的DCA協(xié)議和IEEE 802.11協(xié)議相比，該協(xié)議能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低丟包率和時延。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，參與通信的各節(jié)點與其鄰居節(jié)點形成一個小區(qū)，小區(qū)內(nèi)部節(jié)點選擇通信信道時，需考慮通信雙方鄰居節(jié)點的當前狀態(tài)及其可能的信道選擇方案。由于各節(jié)點的通信時機無法預(yù)測，因此假定鄰居節(jié)點周圍的信道占用情況反映了該節(jié)點加入通信的可能性，即鄰居節(jié)點發(fā)起通信的概率。在此基礎(chǔ)之上，節(jié)點通過逆向歸納計算選擇每條信道的收益，也即有效避免沖突的概率，然后選擇收益最大的信道進行傳輸。小區(qū)中各節(jié)點狀態(tài)最終實現(xiàn)納什均衡，即可得到整體最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:在包含η個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中，用Ci表示節(jié)點i的可選信道集合，其元素為Cij,代表節(jié)點i的編號為j的信道。

當節(jié)點i選擇數(shù)據(jù)信道j時，節(jié)點i通過逆向歸納預(yù)測到其它節(jié)點k會據(jù)此做出最有利自身通信的信道選擇Rk(Cu)。令節(jié)點i的收益函數(shù)為Ui,則能夠使Ui取得最大值Uifflax的數(shù)據(jù)信道j即為節(jié)點i的最佳信道，如公式(I)所示:
權(quán)利要求
1.種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層多信道動態(tài)分配方法，其特征在于， 在包含η個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中，用Ci表示節(jié)點i的可選信道集合，其元素為Cij，代表節(jié)點i的編號為j的信道；當節(jié)點i選擇數(shù)據(jù)信道j時，節(jié)點i通過逆向歸納預(yù)測到其它節(jié)點k據(jù)此做出最有利自身通信的信道選擇Rk(Cu);令節(jié)點i的收益函數(shù)為Ui,則能夠使Ui取得最大值Uimax的數(shù)據(jù)信道j即為節(jié)點i的最佳信道，如公式(I)所示:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線MAC層多信道動態(tài)分配方法，屬于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。多信道Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，參與通信的各節(jié)點與其鄰居節(jié)點形成一個小區(qū)，小區(qū)內(nèi)部節(jié)點選擇通信信道時，需考慮通信雙方鄰居節(jié)點當前狀態(tài)及其可能的信道選擇方案。由于鄰居節(jié)點周圍的信道占用情況可反映該節(jié)點加入通信的可能性，即鄰居節(jié)點發(fā)起通信的概率，因此可通過博弈論的逆向歸納方法計算通信節(jié)點選擇每條信道的收益，即有效避免沖突的概率，然后選擇收益最大的信道進行傳輸，直到小區(qū)中各節(jié)點狀態(tài)實現(xiàn)納什均衡，此時網(wǎng)絡(luò)達到最佳通信狀態(tài)，具有最大的吞吐量、最小的丟包率和時延。本發(fā)明的具體實現(xiàn)可作為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備選擇信道的MAC層協(xié)議使用。
文檔編號H04W72/04GK103096483SQ201310000568
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者賴曉晨, 王孝良, 韓瑜, 惠煌, 李麗坤, 董書瑾, 李赟, 王克艱, 姚艷雙, 陸思敏, 趙瑩, 周國喬 申請人:大連理工大學