一种基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，涉及一种基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方 法。
【背景技术】
[0002] 车辆自组织网络（VANET)是传统移动自组织网络（MANET)在交通道路上的应用， 是一种特殊的移动自组织网络，因此VANET具有MNET所不具备的特性和传输问题。首先， VANET具有移动自组织网络的各种特点，比如自治性和无固定结构、多跳路由、网络拓扑的 动态变化、网络容量有限、良好的可拓展性等。但特殊的应用环境，如狭窄的道路场景、高 密度节点分布、节点的高速移动等，这些特性直接影响了 VANET信息传输能力，使丢包率增 力口，延迟增大。如何提出一种MAC协议来改进VANET的传输性能一直是最近研究的热点。
[0003] IEEE 802. 11是现今无线局域网中通用的标准，它由802. Ila 802. Ilb等一系列 标准组成。IEEE 802. Ilp是802. 11系列中专门为VANET提出的MAC协议，但它也继承了 802. 11固有的缺点，没有提供高效的广播服务。原因在于802. 11的广播帧没有RTS/CTS交 换机制，无法避免隐终端带来的问题。而且IEEE802. 11协议普遍是基于DCF或改进DCF协 议，是一种基于竞争机制的协议，在车辆自组织网络中，节点之间的相互通信更为频繁，竞 争机制的协议不能有效的处理大量冲突。
[0004] 而基于TDM的协议可以有效避免这个问题。TDM协议中，通过让各个节点在各时 隙中转播所有节点的状态，可以实现可靠的广播服务并避免隐终端问题。而且TDM是基于 时隙调度的协议，将一帧时间划分为多个时隙，分别提供给车辆进行使用。从一帧的角度来 看就实现了不同车辆通信的并行传输，而且合理的时隙调度可以有效的避免的通信冲突的 产生。目前针对VANET改进TDM协议已经成为了一种新的趋势。
[0005] 许多已经提出的改进TDMA协议都是考虑协作通信的方式。比如利用多天线系统 来得到多样化的重传方式来协作传输信息；利用未预约的空闲时隙重传信息，直传信息无 需等待就可以发送，避免了重传信息对直传造成的不利影响；利用已占用时隙的空闲节点 来帮助传输信息，控制报文不需要增加额外的首部信息，避免了开销的增加。但这些协议都 不能解决网络高负载情况下，时隙预约连续冲突的问题。本发明通过将部分传统时隙变为 特殊时隙，用作广播再预约信息，让冲突节点通过博弈后可快速再次预约，从而保证了时隙 预约成功率，特别是在高负载情况下，可以缓解时隙预约连续冲突问题，加快时隙预约的速 度，并且无需基站或中心节点的协调。
【发明内容】
[0006] 技术问题：本发明的目的是提供一种在车辆自组织网络高负载情况下，能够充分 利用时隙资源，合理调度时隙以实现节点公平接入，提高网络总体吞吐量，降低丢包率的基 于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法。
[0007] 技术方案：本发明的基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法。
[0008] 数据巾贞格式如附图1所不：一巾贞分为给定的M个时隙，其中M-L个时隙为传统时 隙，用来给已经占用时隙的节点周期性广播控制报文及未占用时隙的节点预约时隙，L个时 隙为特殊时隙（L的理论取值范围为（0，M/2)，具体值由系统根据网络节点密度给定），用来 给发生时隙冲突的节点广播再预约信息，特殊时隙的广播次序按冲突时隙ID大小从小到 大排列。
[0009] 本发明提出的方法中，每个节点需要在控制信道上预约一个时隙并始终使用该时 隙直到发生移动冲突而丢失时隙。当节点成功占用时隙时，无论是否有数据要在数据服务 信道上发送，节点在每帧自身占用的时隙到达时在控制信道发送控制报文，用来保证与邻 居节点数据的交换与信息更新。控制报文格式如图2所示：其中时隙占用信息可以清楚的 记录两跳范围内时隙被占用的情况，图中时隙S 1被节点X占用，时隙S 2未被占用，可以预 约，而时隙Sm标记的-1表示时隙S M处有预约冲突。新模块等待计数器数值W ,记录了节 点发生冲突后选择放弃再预约而重新选择预约其它时隙的次数，是冲突节点博弈的重要参 数，本发明设计的方法让1高的节点具有高的再预约概率，以实现节点接入时隙的公平性， 避免出现"坏死节点"。头文件记录了车辆位置、速度、移动方向等一系列车辆移动相关数 据。
[0010] 方法包括以下步骤：
[0011] 1)监听控制信道及更新信息。新节点X加入网络时，必须先监听控制信道至少一 帧时间，收集其他节点广播的控制报文，直到成功更新它所有一跳邻居节点信息，包括它们 占用的时隙集合S as(X)及它们等待计数器的数值Was(X);以及它所有两跳邻居节点信息， 包括它们占用的时隙集合S ths (X)及它们等待计数器的数值Wths (X)。
[0012] 2)选择空闲时隙进行预约。节点X任意选择一个时隙ae 进行预约，其中s (X) = Stjhs(X) U Sths(X)为节点X两跳范围内已经被占用的时隙集合。同时它将控制报文中时 隙占用信息模块中时隙k对应的标记由0变为X，并在时隙k到达时进行广播信息。
[0013] 3)判断预约是否冲突。从节点X的角度来看，如果存在两跳范围内节点也预约了 同一时隙k，则发生冲突，反之则预约时隙成功。时隙预约冲突的判断及广播方式：假设冲 突节点为X，y。如果冲突节点相距一跳范围之内，贝 1J在节点X -跳范围内存在节点a发现 自己记录的信息中时隙k标记为X，同时自己一跳范围内存在节点b时隙k标记为y，则节 点a为监听到时隙冲突的节点。如果冲突节点相距一跳范围之外，则存在节点a监听到一 跳范围内节点b和c的记录中时隙k的标记分别为X和y，也称节点a为监听时隙冲突的节 点，它将时隙k标记改为X、y，并等待自身发送时隙到达时广播信息，节点a-跳范围内任 意节点在监听到该信息后也对自身保存信息作出修改，将时隙k标记改为-1，（表示时隙k 发生冲突，除本来预约时隙k的节点,其他节点不得预约该时隙）。同样节点X，y也监听到 了该信息，得知这次预约没有成功。
[0014] 4)博弈及再预约。发生冲突后，节点X，y进行博弈。节点X通过博弈得到选择相 应策略的概率
【主权项】
1. 一种基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法，其特征在于，该方法包括以下步 骤： 1) 监听控制信道及更新信息，新节点X加入网络时，必须先监听控制信道至少一帧时 间，收集其他节点广播的控制报文，直到成功更新它所有一跳邻居节点信息，包括它们占用 的时隙集合及它们等待计数器的数值;以及它所有两跳邻居节点信息，包括 它们占用的时隙集合Sths(x)及它们等待计数器的数值Wths(x); 2) 选择空闲时隙进行预约，节点x任意选择一个时隙keS(x)进行预约，其中：S(x) USths(x)为节点x两跳范围内已经被占用的时隙集合；同时它将控制报文中时 隙占用信息模块中时隙k对应的标记由0变为x，并在时隙k到达时进行广播信息； 3) 判断预约是否冲突，从节点x的角度来看，如果存在两跳范围内节点也预约了同一 时隙k，则发生冲突，反之则预约时隙成功；时隙预约冲突的判断及广播方式：假设冲突节 点为x,y;如果冲突节点相距一跳范围之内，贝U在节点x-跳范围内存在节点a发现自己记 录的信息中时隙k标记为x;同时自己一跳范围内存在节点b时隙k标记为y,则节点a为 监听到时隙冲突的节点；如果冲突节点相距一跳范围之外，则存在节点a监听到一跳范围 内节点b和c的记录中时隙k的标记分别为x和y,也称节点a为监听时隙冲突的节点，它 将时隙k标记改为x、y，并等待自身发送时隙到达时广播信息，节点a-跳范围内任意节点 在监听到该信息后也对自身保存信息作出修改，将时隙k标记改为-1，表示时隙k发生冲 突，除本来预约时隙k的节点,其他节点不得预约该时隙；同样节点X，y也监听到了该信息， 得知这次预约没有成功； 4) 博弈及再预约，发生冲突后，节点x，y进行博弈；节点x通过博弈得到选择相应策略 的概率
，并以PK为概率选择再次预约该冲突时隙，否则重新选择一个 新的空闲时隙进行预约； 式中：PK为节点x选择再次预约该冲突时隙的概率；<为节点x再次预约同一时隙成功 的效用为节点x选择新时隙预约的效用；为节点x再次预约同一时隙但预约失败的 效用；v为选择同意时隙的冲突节点个数； 如果节点x选择一个新的时隙预约，它将时隙k标记为0,表示放弃预约该时隙，等待计 数器Wx加一，然后在集合中任意选择时隙进行预约;如果节点x选择再次预约时 隙k，它在特殊时隙到达时再次广播预约信息； 5) 再次监听信道及判断冲突，如果发生冲突则重复步骤2)，反之节点成功预约到了时 隙，结束。
【专利摘要】本发明是一种基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法，用来解决车辆自组织网络中由于车辆移动导致的时隙冲突问题。该方法通过将部分传统时隙变为特殊时隙，用作广播再预约信息，让冲突节点通过博弈后可快速再次预约。具体步骤为：新节点加入网络后先监听控制信道，更新邻居节点信息，然后在可用时隙中选择时隙进行预约，再次监听控制信道判断是否发生冲突，如果发生冲突则要与其他冲突节点进行博弈并执行相关策略，选择预约冲突时隙或重新选择时隙进行预约，然后继续监听控制信道，重复步骤直到成功预约时隙。该方法保证了时隙预约成功率，在高负载情况下，可以缓解时隙预约连续冲突问题，加快时隙预约的速度，并且无需基站或中心节点的协调。
【IPC分类】H04L29-08
【公开号】CN104580407
【申请号】CN201410818045
【发明人】朱琦, 章天骄, 朱洪波, 杨龙祥
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月24日