专利名称：一种Ad Hoc网络的MAC层信道动态分配方法
技术领域：
本发明属于Ad Hoc网络领域，涉及一种无线MAC层多信道动态分配方法。
背景技术：
Ad Hoc网络由一组可随时接入网络的移动节点组成，节点间通信由无线网络传输完成，不依赖于固定通信网络基础设施，具有无中心、自组织、网络拓扑结构动态变化等特点，在个人局域网、家庭组网、搜索救援行动、商业教育应用和传感器网络等领域具有广阔应用前景。但是，Ad Hoc网络的灵活性和不依赖基础设施的特点导致网络数据包冲突较多，造成网络吞吐量较低，丢包率较大和时延较长等缺点，这些缺陷可通过改进网络MAC层协议来缓解。MAC层协议主要解决如何在相互竞争的用户之间分配无线信道问题，即无线节点如何接入无线信道来发射数据帧。研究人员已经进行了大量研究，提出了种种协议以改善MAC层性能，MAC层协议分为单信道协议和多信道协议两类。IEEE 802.11是典型的单信道MAC层协议，也是无线局域网的标准(IEEE STD.802.11.Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY)speci cations.1999)，它釆用CSMA/CA技术避免信道冲突。其他单信道协议还包括基于纯竞争方式(Pure Contention-based)的 MACA 协议(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 协议(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协议(E.S.Jungj Ν.H.Vaidya.A power control MAC protocolfor ad hoc networks.Wireless Networks.2005，11 (I):55 66)、基于定向天线技术(Directional Antenna-based)的DMAC协议(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。单信道协议具有控制方式简单的特点，但较易造成数据传输冲突。但是，当可用信道数目增加时，单信道协议无法充分利用信道资源。多信道协议可以充分利用信道资源，减少冲突，但控制方式需要精心设计。DCA(Dynamic Channel Allocation)协议(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)使用一个固定的控制信道传输控制分组，其他信道划分为多个独立的数据信道传输数据分组。HRMA(Hop-Reservation Multiple Access)协议(Tzamaloukas, J.J.Garcia-Luna-Aceves.Channel-Ropping Multiple Access.1n:Proc.1EEE ICC 2000，New Orleans, Louisiana.2000 (8): 18 22)是一种多时隙交互的多信道协议，采用同步技术产生几个时隙，分别用于RTS分组、CTS分组、DATA分组和ACK分组，从而使RTS不会与CTS冲突，经过RTS和CTS握手确认后的DATA分组和ACK分组也不会冲突。MMAC(Mult1-channel MAC)协议(Jeonghoon Mo, HoiSheung Wilson So, Jeanffalrand.Comparison of Mult1-Channel MAC Protocols for Wireless Networks.ACM/IEEE MSWIM.2005 (10):209 218)使用面向连接的信道分配策略，通过时序表安排或者通过竞争来决定信道归属权。McMAC(Multi channel MAC)协议(H.ff.So, J.ffalrand.McMAC: a Mult1-Channel MAC Proposal for Ad-Hoc Wireless Networks.TechnicalReport.2005(4):116 122)同样使用面向连接的信道分配策略，每个节点选择一个种子生成一个伪随机跳跃序列，当节点空闲时，它按照这个缺省序列在多个信道上跳跃。以上协议均未考虑邻居节点将要采取的信道分配策略，因此容易造成冲突。AdHoc网络节点间的信道分配应由各通信节点对协商完成，为了最大程度满足自身需求，节点需要考虑邻居节点的行为策略，节点自身的行为策略也会影响邻居节点，所有节点的行为策略组合决定了每个节点的最终收益，因此节点间信道分配实际属于多人决策问题，适宜采用博弈论(game theory)方法来解决。博弈论的应用前提为全部参与者均为理性、贪婪的，均不会选择严格劣战略，并且都知道其他参与者也是理性的。纳什均衡(Nash equilibrium)是博弈的平衡状态,可通过完全且完美信息动态博弈(dynamic game with perfect and complete information)来实现。I)纳什均衡纳什均衡是指，在博弈论预测的博弈结果中，为每个参与者选定各自的战略，该战略应是针对其他参与者选择战略的最优反应。因为没有参与者愿意独自离弃他所选定的战略，所以所有参与者选择战略的组合最终会达到平衡状态，称之为纳什均衡，该状态决定了每个参与者的最终收益。
定义:n个参与者标准式博弈如公式(a)所示:G= {S” S2，…Sn; U1, U2,…，un}(a)其中Si为参与者i的决策行为Si的集合,Ui为参与者i的收益函数。对每一参与者i，如果战略组合{<，<,...,<}满足< 是(或至少不劣于)针对其他η-1个参与者所选战
略{<,...,‘,_..,<}的最优反应战略，则称战略组合{ ...，<}是该博弈的一个纳什均衡。即对参与者i的收益函数Ui,有:
_2]U1 (5；,...,Sll,s*,sl,,...,sl)>U1 (s*,...,si,,S1 ,si,,...S )(b)对所有Si中的Si都成立，亦即 < 为式(C)描述最优化问题的解:Ui(<，...,Sl^Si,s*+1,---,s*n)(C)与纳什均衡推导密切相关的是协议理念:对给定的博弈，如果参与者之间要商定一个协议来决定博弈如何进行，那么一个有效协议中的战略组合必须是纳什均衡的战略组合，否则，至少有一个参与者没有遵守该协议。2)完全且完美信息动态博弈
完全且完美信息动态博弈是指，在博弈进行的每一步中，参与者都清楚此前博弈进行的整个过程，参与者的行动步骤如下:步骤一:参与者I从可行集S1中选择一个行动s/ ；步骤二:参与者2观察到S2'后，从可行集S2中选择一个行动S2'；步骤三:参与者I和参与者2的收益分别为U1W，s2')和112(8/，s2')。完全且完美信息动态博弈的主要特点有三个:行动是顺序发生的；选择下一步行动之前，所有此前的行动都可被观察到；在每一种可能的行动组合下，参与者的收益都是共同知识。因此，可以通过逆向归纳法求解此类博弈问题。当在博弈的步骤二，参与者2行动时，由于此前参与者I已选择行动S1',参与者2面临的决策问题可用式(d)表示:maxs、m2 ，s2')(d)假定对于51中的每一个s/，参与者2的最优化问题只有惟一解，用R Js/ )表示，即参与者2对参与者I行动的反应，或称最优反应。由于参与者I与参与者2 —样,都能够解出参与者2的问题,且可以预料到参与者2对自己每一个可能行动S1'所做出的反应，因此参与者I在步骤一要解决的问题可归结为:maxS|,.s, Ii,(.V1',R2(.V1'))(e)假定参与者I的这一最优化问题同样有惟一解，表示为 <，称(<，'(.<))为这
一博弈的逆向归纳解。逆向归纳解不含有不可置信的威胁:参与者I预测参与者2将对其可能选择的任何行动S1做出最优反应，选择行动R2 (S1);这一预测排除了参与者2不可置信的威胁，即参与者2在步骤二不会做出不符合自身利益的反应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是基于博弈论，提出一种Ad Hoc网络MAC层多信道动态分配方法，本方法的具体实现称为⑶CA协议(Game based DCA protocol)与传统的DCA协议和IEEE 802.11协议相比，该协议能够提高网络吞吐量、降低丢包率和时延。在Ad Hoc网络中，参与通信的各节点与其邻居节点形成一个小区，小区内部节点选择通信信道时，需考虑通信双方邻居节点的当前状态及其可能的信道选择方案。由于各节点的通信时机无法预测，因此假定邻居节点周围的信道占用情况反映了该节点加入通信的可能性，即邻居节点发起通信的概率。在此基础之上，节点通过逆向归纳计算选择每条信道的收益，也即有效避免冲突的概率，然后选择收益最大的信道进行传输。小区中各节点状态最终实现纳什均衡，即可得到整体最佳的网络性能。本发明的具体技术方案如下:在包含η个节点的网络中，用Ci表示节点i的可选信道集合，其元素为Cij,代表节点i的编号为j的信道。
当节点i选择数据信道j时，节点i通过逆向归纳预测到其它节点k会据此做出最有利自身通信的信道选择Rk(Cu)。令节点i的收益函数为Ui,则能够使Ui取得最大值Uifflax的数据信道j即为节点i的最佳信道，如公式(I)所示:
权利要求
1.种Ad Hoc网络的MAC层多信道动态分配方法，其特征在于， 在包含η个节点的网络中，用Ci表示节点i的可选信道集合，其元素为Cij，代表节点i的编号为j的信道；当节点i选择数据信道j时，节点i通过逆向归纳预测到其它节点k据此做出最有利自身通信的信道选择Rk(Cu);令节点i的收益函数为Ui,则能够使Ui取得最大值Uimax的数据信道j即为节点i的最佳信道，如公式(I)所示:
全文摘要
本发明公开了一种无线MAC层多信道动态分配方法，属于Ad Hoc网络领域。多信道Ad Hoc网络中，参与通信的各节点与其邻居节点形成一个小区，小区内部节点选择通信信道时，需考虑通信双方邻居节点当前状态及其可能的信道选择方案。由于邻居节点周围的信道占用情况可反映该节点加入通信的可能性，即邻居节点发起通信的概率，因此可通过博弈论的逆向归纳方法计算通信节点选择每条信道的收益，即有效避免冲突的概率，然后选择收益最大的信道进行传输，直到小区中各节点状态实现纳什均衡，此时网络达到最佳通信状态，具有最大的吞吐量、最小的丢包率和时延。本发明的具体实现可作为Ad Hoc网络节点设备选择信道的MAC层协议使用。
文档编号H04W72/04GK103096483SQ201310000568
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者赖晓晨, 王孝良, 韩瑜, 惠煌, 李丽坤, 董书瑾, 李赟, 王克艰, 姚艳双, 陆思敏, 赵莹, 周国乔 申请人:大连理工大学