CN102209368B - 分布式自组网中基于合作博弈的多业务协作多址接入方法 - Google Patents

Abstract

分布式自组网中基于合作博弈的多业务协作多址接入方法。通过计算合作博弈中的纳什讨价还价解，让不同优先级业务的节点通过协作谈判自适应的将信道划分为竞争时期和非竞争时期，在保证网络整体性能最大的基础上，满足不同优先级业务节点的要求；在竞争时期内，高优先级节点和低优先级节点一起竞争信道，高优先级节点享有更高的接入优先级；在非竞争时期，高优先级节点不参与竞争，从低优先级节点中选出一个无冲突的直接发送数据分组。

Description

分布式自组网中基于合作博弈的多业务协作多址接入方法

技术领域

本发明涉及的是分布式自组网中一种基于合作博弈的多业务协作多址接入方法。具体是在分布式自组网中，利用合作博弈中的讨价还价博弈设计可以解决公平性问题和自私节点问题的多业务多址接入方法。

背景技术

随着无线网络的发展，对多业务的需求逐渐增加，针对不同的业务类型需要提供不同的优先级，比如视频、语音业务的优先级就要高于数据业务的优先级，也就是网络需要提供服务质量(Quality of Service，QoS)保障。IEEE 802.11eEDCA(Enhance Enhanced Distributed Channel Access)协议就是可以提供QoS保障的媒体接入控制(Media Access Control，MAC)协议，在EDCA协议中，网络根据不同的业务类型提供不同的QoS保障，高优先级(High Priority，HP)业务接入信道的概率高于低优先级(Low Priority，LP)业务，从而保证高优先级业务将比低优先级的业务享有更高的吞吐量和更少的延迟。但是，IEEE802.11e EDCA协议中的QoS保障机制也带来了两个相关的问题，首先，在这种机制下，经常会出现低优先级节点被高优先级节点饿死的情况，从低优先级节点角度出发这是及其低效而且缺乏公平性的。其次，这种机制会带来自私节点的问题，自私节点以最大化自身性能为目的，它们为了获得更高的性能，有可能将自身低优先级业务类型归为高优先级业务类型，这样不但损害了网络的整体性能，也破坏了QoS保障机制。

目前，已有一些学者对多业务多址接入机制中出现的公平性问题和自私节点问题进行了研究。例如，Thomas Nilsson等人在“A Novel MAC Scheme forSolving the QoS Parameter Adiustment Problem in IEEE 802.11e EDCA.inProc.of IEEE WoWMoM，June.2008，”一文中提出了a-EDCA和i-EDCA两种改进型协议。a-EDCA协议根据动态的信道状态，通过自适应的改变最小退避窗口等优先级参数来提高网络的性能。i-EDCA协议中采用了一种新的退避算法，使得退避次数和退避窗口的大小独立于节点冲突的次数，从而提高了公平性，也避免了低优先级节点被高优先级节点饿死的情况。但是，该文献只考虑了公平性问题，对可能出现的自私节点问题未加以考虑。博弈论为解决自私节点问题提供了很好的数学工具，博弈论主要为无线通信系统中“自私”的参与者之间具有利益冲突和竞争时的分布式资源分配问题提供了一种新的解决思路，通过设计不同的效用函数和代价机制，并对其进行最优化求解使得每个用户“自动”地达到系统所期望的性能，此时也就达到了一种相对稳定的平衡态，即“纳什均衡”。例如，Nuggehalli.P等人在“Evaluating a QoS-supportive MAC layerprotocol for WLANs.in Proc.of IEEE MILCOM，2008.”一文中，利用博弈论提出了一种有效解决自私节点问题的时隙Aloha协议。但是，该协议只能适用于TDMA机制下的集中控制网络，在分布式自组网中无法应用。因此，针对分布式自组网，利用博弈论，根据不同优先级业务节点之间相互作用的关系设计合适的算法来解决传统多业务多址接入机制中的公平性问题和自私节点问题是一个值得考虑的问题，这样的研究及方法未有出现过。

发明内容

本发明针对多业务多址接入机制中的公平性问题和自私节点问题，基于合作博弈提出了一种适用于分布式自组网的多业务自适应协作多址接入方法。该发明利用合作博弈中的讨价还价机制，让不同优先级业务的节点通过协作谈判自适应的决定一个最佳的传输方案，在保证网络整体性能最大的基础上，满足不同优先级业务节点的要求，避免了公平性问题和自私节点问题。除此以外，和IEEE 802.11e EDCA协议相比，本发明方法拥有更高的归一化吞吐量性能。也就是说和传统多业务多址接入方法相比，本发明不但解决了公平性问题和避免了自私节点问题，而且在单位时间内传输有效负载的效率更高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种分布式自组网中基于合作博弈的多业务协作多址接入方法：

步骤1利用合作博弈划分非竞争时期和竞争时期

步骤1.1建立效用函数

以分布式自组网中归一化的吞吐量为效用函数，所述归一化的吞吐量为单位时间内传输的有效负载量，由此得到：

HP节点的效用函数U_h(α)：

$U_h\left(\mathrm{\α}\right)=s_h=\frac{8L}{T}{n}_h(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\τ}}_h{(1-{\mathrm{\τ}}_h)}^{n_h-1}{(1-{\mathrm{\τ}}_l)}^{n_l}$

LP节点的效用函数U_l(α)

$U_l\left(\mathrm{\α}\right)=s_l=\frac{8L}{T}{n}_l[(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\τ}}_l{(1-{\mathrm{\τ}}_l)}^{n_l-1}{(1-{\mathrm{\τ}}_h)}^{n_h}+\frac{\mathrm{\α}}{n_l}]$

其中，HP节点为高优先级节点，LP节点为低优先级节点，s_l和s_h分别代表LP节点和HP节点的归一化吞吐量，L表示有效负载的字节数，n_l和n_h分别代表LP节点和HP节点的个数，τ_l和τ_h分别表示LP节点和HP节点在竞争传输中发送分组的概率，T是完成一次竞争传输和非竞争传输周期的平均时间，α＝1/M+1，且0≤α＜1，M为一个传输周期内连续竞争传输的次数，即在连续M次竞争传输后进行一次非竞争传输；

步骤1.2利用效用函数计算纳什讨价还价解α_NBS(n)

步骤1.2.1设立不一致同意配置集为(v_l，v_h)，其中，v_l和v_h分别表示谈判破裂时LP节点和HP节点的吞吐量，所述的不一致同意配置集为(v_l，v_h)为：

$v_l=\frac{8L}{T}{n}_l{\mathrm{\τ}}_l{(1-{\mathrm{\τ}}_l)}^{n-1}$

$v_h=\frac{8L}{T}{n}_h{\mathrm{\τ}}_h{(1-{\mathrm{\τ}}_h)}^{n-1}$

其中，n为网络中的总节点数，n＝n_l+n_h；

步骤1.2.2

计算满足条件的α值，其中，s为谈判不破裂的情况下可达到的网络吞吐量的最大值，F为可行配置集；

定义A，B为：A＝1-τ_h B＝1-τ_l

通过数学求解，可以得到纳什讨价还价解α_NBS(n)为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{NBS}}\left(n\right)=\frac{2(1-B)B^{{2n}_l-1}{A}^{n-n_l}+\frac{A^{n_l}}{n_l}-\frac{1}{n_l}-B^{n_l}-(1-B)B^{n_l-1}{A}^n-(1-A)A^{n-1}{B}^{n_l}}{2[(1-B)A^{n-n_l}{B}^{{2n}_l-1}-\frac{1}{n_l}{B}^{n_l}]}$

α_NBS(n)是网络中节点数n的函数，

进而根据α＝1/M+1，求得M，设M₁＝[M]，M_２＝[10×M]，其中[x]表示对x取整；

步骤1.3根据纳什讨价还价解划分竞争时期和非竞争时期

系统以M₂次竞争传输为一个周期，每连续M₁次竞争传输后进行一次非竞争传输，余数仍为竞争传输，

在竞争时期内，信道接入机制按照IEEE 802.11e EDCA接入，

在非竞争时期内，LP节点进行无冲突的数据传输，具体步骤如下：

对网络中每个节点设置一个计数器，用于统计网络中传输数据的次数，

在一个周期开始的第一次传输中，发送节点对网络中的每个LP节点进行编号，并将这个编号保存在RTS分组中并进行广播，

在连续第M₁次竞争传输数据时，将LP节点随机排序表插入ACK分组并由目的节点进行广播，网络中的LP节点听到该ACK分组后，根据ACK分组中的排序表来发送数据，排在第一位的LP节点首先查看是否有数据发送，如果第一位的LP节点无数据发送，则等待一小段时隙(10ms)后，排在第二位的LP节点发送数据，依此类推，

传输周期结束，节点统计网络中传输数据的计数器归0，返回步骤1。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及显著效果：

本发明最大的特色是在分布式自组网中，将合作博弈论理论用在多业务多址接入机制中，不同优先级业务的节点通过计算纳什讨价还价解，在保证网络整体性能最优化的基础上，根据网络中的节点数自适应的将信道分为竞争时期和非竞争时期。在竞争时期中，高优先级节点和低优先级节点共同竞争信道，但是高优先级节点享有更高的接入优先级；在非竞争时期，高优先级节点不参与竞争，而是从低优先级节点中选出一个无冲突的进行数据传输，避免了低优先级节点被高优先级节点饿死而引发的公平性问题和自私节点问题。此方案不仅满足了不同优先级业务节点的需求，解决了公平性问题和自私节点问题，而且和传统多业务多址接入方法相比，在单位时间内传输有效负载的效率更高。本发明从实际应用考虑，不需要对传统的EDCA协议做硬件上的改变，只需要做软件的变动就可以实现本发明，实现简单，可应用在传感器网络等分布式自组网中，实用性强。

附图说明

图1是本发明的总体流程图。

图2是合作博弈流程图。

图3是本发明在竞争时期节点接入信道的流程图。

图4是实现非竞争时期无冲突传输的具体流程图。

图5是在高优先级业务和低优先级业务最小退避窗口分别为16和64的情况下，本发明的高优先级节点吞吐量和不一致同意情况下高优先级吞吐量性能的比较。

图6是在高优先级业务和低优先级业务最小退避窗口分别为16和64的情况下，本发明的低优先级节点吞吐量和不一致同意情况下低优先级吞吐量性能的比较。

图7是在所给条件下，本发明的纳什讨价还价解和纳什均衡最小值的比较。

图8是在高优先级业务和低优先级业务最小退避窗口分别为16和64的情况下，本发明和IEEE 802.11e EDCA协议归一化吞吐量性能的比较。

具体实施方式

步骤1：利用合作博弈划分非竞争时期和竞争时期

利用合作博弈中的讨价还价博弈，不同优先级业务类型的节点自适应的确定一个最优的传输方案。讨价还价问题通常用来建模两个有利益冲突的事物通过协作，共同商讨出一个合适的折衷方案。在本专利中，设每个节点有高优先级(High Priority，HP)和低优先级(Low Priority，LP)两种优先级类型，但在同一发送时期只能拥有一种优先级类型。HP节点和LP节点是两个有利益冲突的个体，它们都想占有信道资源最大化自己的性能，特别是LP节点，在传统机制下严重出现不公平性，也因此有可能成为自私节点。为了解决传统多业务多址接入方法中的公平性和自私节点问题，本专利利用合作博弈，让不同优先级业务的节点通过协作谈判自适应的将信道划分为竞争时期和非竞争时期，在保证网络整体性能最大的基础上，满足不同优先级业务节点的要求。在竞争时期HP和LP节点一起竞争信道，HP节点享有更高的优先级。非竞争时期专门提供给LP节点来无冲突的发送数据。具体方法如下：

步骤1.1建立效用函数

首先需要建立效用函数，这里取归一化吞吐量作为效用函数，在分布式自组网中归一化吞吐量定义为：单位时间内传输的有效负载量。根据此定义，HP节点的效用函数U_h(α)和LP节点的效用函数U_l(α)可分别表示为：

$U_l\left(\mathrm{\α}\right)=S_l=\frac{8L}{T}{n}_l[(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\τ}}_l{(1-{\mathrm{\τ}}_l)}^{n_l-1}{(1-{\mathrm{\τ}}_h)}^{n_h}+\frac{\mathrm{\α}}{n_l}]$

$U_h\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=S_h=\frac{8L}{T}{n}_h(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&tau;}}_h{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n_h-1}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n_l},0\&le;\mathrm{\&alpha;}<1$

其中HP节点为高优先级节点，LP节点为低优先级节点，S_l和S_h分别代表LP节点和HP节点的归一化吞吐量，L表示有效负载的字节数，n_l和n_h分别代表LP节点和HP节点的个数，τ_l和τ_h分别表示LP节点和HP节点在竞争传输中发送分组的概率，T是完成一次竞争传输和非竞争传输周期的平均时间，α＝1/M+1，M为一个传输周期内连续竞争传输的次数，即在连续M次竞争传输后进行一次非竞争传输。本发明就是要利用合作博弈来确定α值，在保证网络整体性能最大的基础上，满足不同优先级业务节点的要求；

步骤1.2利用效用函数计算纳什讨价还价解α_NBS(n)

步骤1.2.1设立不一致同意配置集为(v_l，v_h)，其中，v_l和v_h分别表示谈判破裂时LP节点和HP节点的吞吐量，谈判破裂的情况为所有节点都拒绝提供QoS保障的情况，也就是所有的LP节点都归为高优先级的情况，在此情况下的不一致同意配置集(v_l，v_h)为：

$v_l=\frac{8L}{T}{n}_l{\mathrm{\&tau;}}_l{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n-1}$

$v_h=\frac{8L}{T}{n}_h{\mathrm{\&tau;}}_h{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n-1}$

其中，n为网络中的总节点数，n＝n_l+n_h。讨价还价解的目的就是要找到一个合适的折衷，使得在谈判不破裂的情况下达到整体利益的最大化，这里就是要找到一个合适的α值，使得在谈判不破裂的情况下达到网络吞吐量的最大化；

步骤1.2.2

计算满足条件的α值，其中，s为谈判不破裂的情况下可达到的网络吞吐量的最大值，F为可行配置集；满足上述公式的必要条件是s_l＞v_l和s_h＞v_h，这点可以在仿真结果中得到验证。

定义A，B为：A＝1-τ_h B＝1-τ_l

通过数学求解，可以得到纳什讨价还价解α_NBS(n)为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{NBS}}\left(n\right)=\frac{2(1-B)B^{{2n}_l-1}{A}^{n-n_l}+\frac{A^{n_l}}{n_l}-\frac{1}{n_l}-B^{n_l}-(1-B)B^{n_l-1}{A}^n-(1-A)A^{n-1}{B}^{n_l}}{2[(1-B)A^{n-n_l}{B}^{{2n}_l-1}-\frac{1}{n_l}{B}^{n_l}]}$

α_NBS(n)是网络中节点数n的函数，进而根据α＝1/M+1，求得M，设M₁＝[M]，M₂＝[10×M]，其中[x]表示对x取整；

步骤1.3根据纳什讨价还价解划分竞争时期和非竞争时期

系统以M₂次竞争传输为一个周期，每连续M₁次竞争传输后进行一次非竞争传输，余数仍为竞争传输。

本实施例求得的纳什讨价还价解是满足纳什均衡的。假设所有的HP节点都不会谎报它的优先级类型，只有LP节点可能会将自身低优先级业务类型归为高优先级业务类型。要证明此讨价还价问题的纳什均衡，我们可以证明在所求得的纳什讨价还价解前提下，某个LP节点改变自身的业务类型后并不能获得更好的吞吐量性能，也就是说一个LP节点在所给纳什讨价还价解条件下，不管其它节点如何，它坚持自己的优先级类型就可以获得最好的吞吐量性能，也就是要满足：

${\mathrm{\&tau;}}_l^{\mathrm{\&alpha;}}\left(n_l\right){\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}}_h^{\mathrm{\&alpha;}}(n_l-1)$

其中和分别表示在有x个LP节点条件下，一个LP节点和一个HP节点的平均吞吐量，注意上述公式中的n_l是开始的LP节点个数，一个LP节点开始的吞吐量为当此LP节点变为HP节点时，此节点的吞吐量变为上述公式又可以写为：

$(1-{\mathrm{\&alpha;}}_{n_l}){\mathrm{\&tau;}}_l{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n_l-1}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n_h}+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{n_l}}{n_l}\&GreaterEqual;(1-{\mathrm{\&alpha;}}_{n_l-1}){\mathrm{\&tau;}}_h^{\&prime;}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h^{\&prime;})}^{n_h}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l^{\&prime;})}^{n_l-1}$

因为LP节点和HP节点的发送概率是随着节点个数的变化而变化的，所以，在LP节点和HP节点个数发生变化时，LP节点和HP节点的发送概率τ_l和τ_h变化为τ′_l和τ′_h，整理上述公式后，可得：

${\mathrm{\&alpha;}}_{n_l}\&GreaterEqual;\frac{(1-{\mathrm{\&alpha;}}_{n_l-1}){\mathrm{\&tau;}}_h^{\&prime;}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h^{\&prime;})}^{n_h}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l^{\&prime;})}^{n_l-1}-{\mathrm{\&tau;}}_l{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n_l-1}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n_h}}{\frac{1}{n_l}-{\mathrm{\&tau;}}_l{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n_l-1}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n_h}}$

在n_l＝0时，α＝0，可以用递推法求得其它满足公式的最小值。只要求得的纳什讨价还价解大于这个的最小值，这个最小值用α_min(n_l)表示，就可以证明求得的纳什讨价还价解是纳什均衡的。

在竞争时期内，信道接入机制是按照IEEE 802.11e EDCA接入，具体过程如下：

1)当源节点有数据发送时，它通过载波侦听/冲突避免机制进行信道侦听，若在长为AIFS(Arbitration Interframe Space)时间段(例如：50ms)内信道空闲，则源节点根据退避窗口大小进行退避，退避的同时中仍然侦听信道，和IEEE 802.11e EDCA协议一样，业务优先级的不同通过AIFS时间段长度和退避窗口的大小不同来体现，HP节点的AIFS时长和退避窗口都比LP节点的退避窗口要小，保证高优先级业务接入信道的概率高于低优先级业务。

a)如果在退避到0时信道仍然空闲，此源节点向目的节点发送RTS分组，目的节点收到RTS分组后反馈CTS分组，源节点在收到CTS分组后发送数据分组，目的节点成功接收数据分组后反馈ACK分组完成此次传输。

b)如果在退避过程中侦听到有其它节点发送了数据，则将退避次数加1并重新竞争信道。

2)源节点若在AIFS时间段内侦听到信道被占用，则将退避次数加1并重新竞争信道。

在非竞争时期内，LP节点进行无冲突的数据传输，具体步骤如下：

对网络中每个节点设置一个计数器，用于统计网络中传输数据的次数，

在一个周期开始的第一次传输中，发送节点对网络中的每个LP节点进行编号，并将这个编号保存在RTS分组中并进行广播，

在连续第M₁次竞争传输数据时，将LP节点随机排序表插入ACK分组并由目的节点进行广播，网络中的LP节点听到该ACK分组后，根据ACK分组中的排序表来发送数据，排在第一位的LP节点首先查看是否有数据发送，如果第一位的LP节点无数据发送，则等待一小段时隙(10ms)后，排在第二位的LP节点发送数据，依此类推，

传输周期结束，节点统计网络中传输数据的计数器归0，返回步骤1。

以下结合附图提供具体的实例：

考虑一个由n节点组成的无线分布式自组织网络，每个节点仅配备单天线，在单工方式下工作，且任意两个节点相互可达。整个网络是完全分布式网络，没有中心控制节点。根据业务类型不同，提供不同的优先级，语音和视频业务是高优先级业务，文本业务是低优先级业务，每个节点有两种不同的缓存器，分别对应着两种不同优先级业务，但是在同一发送时期节点只能为一种优先级类型，网络中有n_l个低优先级节点和n_h个高优先级节点，低优先级节点数目占总节点数的40％。节点间的信道是理想信道，发送失败的唯一情况是同时有多个节点发送分组从而导致了冲突。有效负载长度为1024个字节，MAC包头长为272个比特，物理层包头为192个比特，RTS分组长为352个比特，CTS分组长为304个比特，ACK分组长为352个比特，信道速率为1Mbit/s，高优先级业务最小退避窗口为16，低优先级节点最小退避窗口为64，最大退避次数为5次。整个实例的实现过程如下：

步骤1：利用合作博弈中的讨价还价博弈，计算纳什讨价还价解α_NBS(n)，并根据纳什讨价还价解划分竞争时期和非竞争时期，

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{NBS}}\left(n\right)=\frac{2(1-B)B^{{2n}_l-1}{A}^{n-n_l}+\frac{A^{n_l}}{n_l}-\frac{1}{n_l}-B^{n_l}-(1-B)B^{n_l-1}{A}^n-(1-A)A^{n-1}{B}^{n_l}}{2[(1-B)A^{n-n_l}{B}^{{2n}_l-1}-\frac{1}{n_l}{B}^{n_l}]},$ 节点根据所求的纳什讨价还价解划定一次传输周期的长度，并将信道分为竞争时期和非竞争时期。如求得的纳什讨价还价解为0.14，算出的M₁值为6，M₂值为61，则取61次竞争传输为一个传输周期，每6次连续竞争传输后进行一次非竞争传输，余下的1次仍然为竞争传输，

节点统计传输数据的次数，若在竞争时期，高优先级节点和低优先级节点一同竞争信道，高优先级节点的退避窗口和AIFS等待时间都小于低优先级节点，保证了高优先级业务的接入优先级。

若在非竞争时期，高优先级节点不参与竞争，低优先级节点根据上次传输收到的ACK分组中的排序表来发送数据，排在第一位的低优先级节点首先检查是否有数据发送，如果没有数据发送，排在第二位的低优先级节点来发送数据，依此类推。在非竞争时期内，低优先级节点不用和目的节点交互RTS/CTS分组，而是直接无冲突的发送数据分组。

检查一个发送周期是否结束，如果结束，节点统计网络中传输数据的计数器归0，重新开始新一轮的数据发送。

图4和图5证明了纳什讨价还价解的必要条件，也就是要保证在求得的纳什讨价还价解条件下低优先级节点和高优先级节点的吞吐量分别大于相应的不一致同意情况下的吞吐量，设在纳什讨价还价解下求得的吞吐量用NBS表示，在不一致同意下的吞吐量用VV表示，从图4和图5中可以看出，低优先级节点和高优先级节点的NBS都大于相应的VV，所以可以验证求得的纳什讨价还价解是满足条件的。

图6验证了所求纳什讨价还价解是满足纳什均衡的，从分析可知，只要求得的纳什讨价还价解大于满足纳什均衡的最小值，就可以证明求得的纳什讨价还价解是纳什均衡的。由图6可以看到，所得的纳什讨价还价解是满足这一条件的，从而验证了所得的纳什讨价还价解是纳什均衡的。从图中还可以看到，为了解决公平性和自私节点问题而引入的非竞争时期在一个周期内所占的比例是很小的，意味着高优先级节点不会因此受到太大的影响。

图7是本发明方法和IEEE 802.11e EDCA协议的吞吐量性能比较图。从图中可以看到，本发明方法大大提高了归一化的吞吐量性能，也就是说在单位时隙内本发明方法发送有用分组的效率更高。这是因为本发明方法针对不同的业务类型将信道分为竞争时期和非竞争时期，在非竞争时期低优先级节点可以无冲突的发送数据，避免了被高优先级节点饿死的情况，改善了整体网络的性能。除此之外，低优先级节点和高优先级节点通过讨价还价博弈，协作商讨出一个最佳的传输方案，不但满足了各自的性能需求，还在提高了网络整体性能的基础上解决了公平性问题和自私节点问题。

Claims (1)

1.分布式自组网中一种基于合作博弈的多业务协作多址接入方法，其特征在于：

步骤1利用合作博弈划分非竞争时期和竞争时期

步骤1.1建立效用函数

以分布式自组网中归一化的吞吐量为效用函数，所述归一化的吞吐量为单位时间内传输的有效负载量，由此得到：

HP节点的效用函数U_h(α)：

$U_h\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=s_h=\frac{8L}{T}{n}_h(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&tau;}}_h{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n_h-1}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n_l}$

LP节点的效用函数U_l(α)

$U_l\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=s_l=\frac{8L}{T}{n}_l[(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&tau;}}_l{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n_l-1}{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n_h}+\frac{\mathrm{\&alpha;}}{n_l}]$

其中，HP节点为高优先级节点，LP节点为低优先级节点，s_l和s_h分别代表LP节点和HP节点的归一化吞吐量，L表示有效负载的字节数，n_l和n_h分别代表LP节点和HP节点的个数，τ_l和τ_h分别表示LP节点和HP节点在竞争传输中发送分组的概率，T是完成一次竞争传输和非竞争传输周期的平均时间，α＝1/M+1，且0≤α＜1，M为一个传输周期内连续竞争传输的次数，即在连续M次竞争传输后进行一次非竞争传输；

步骤1.2利用效用函数计算纳什讨价还价解α_NBS(n)

步骤1.2.1设立不一致同意配置集为(v_l,v_h)，其中，v_l和v_h分别表示谈判破裂时LP节点和HP节点的吞吐量，所述的不一致同意配置集为(v_l,v_h)为：

$v_l=\frac{8L}{T}{n}_l{\mathrm{\&tau;}}_l{(1-{\mathrm{\&tau;}}_l)}^{n-1}$

$v_h=\frac{8L}{T}{n}_h{\mathrm{\&tau;}}_h{(1-{\mathrm{\&tau;}}_h)}^{n-1}$

其中，n为网络中的总节点数，n＝n_l+n_h；

步骤1.2.2

计算满足条件的α值，其中，s为谈判不破裂的情况下可达到的网络吞吐量的最大值，F为可行配置集；

定义A，B为：A＝1-τ_h B＝1-τ_l

通过数学求解，可以得到纳什讨价还价解α_NBS(n)为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{NBS}}\left(n\right)=\frac{2(1-B)B^{{2n}_l-1}{A}^{n-n_l}+\frac{A^{n_l}}{n_l}-\frac{1}{n_l}{B}^{n_l}-(1-B)B^{n_l-1}{A}^n-(1-A)A^{n-1}{B}^{n_l}}{2[(1-B)A^{n-n_l}{B}^{2n_l-1}-\frac{1}{n_l}{B}^{n_l}]}$

α_NBS(n)是网络中节点数n的函数，

进而根据α＝1/M+1，求得M，设M₁＝[M]，M₂＝[10×M]，其中[x]表示对x取整；

步骤1.3根据纳什讨价还价解划分竞争时期和非竞争时期

系统以M₂次竞争传输为一个周期，每连续M₁次竞争传输后进行一次非竞争传输，余数仍为竞争传输，

在竞争时期内，信道接入机制是按照IEEE802.11e EDCA接入，

在非竞争时期内，LP节点进行无冲突的数据传输，具体步骤如下：

对网络中每个节点设置一个计数器，用于统计网络中传输数据的次数，

在一个周期开始的第一次传输中，发送节点对网络中的每个LP节点进行编号，并将这个编号保存在RTS分组中并进行广播，

在连续第M1次竞争传输数据时，将LP节点随机排序表插入ACK分组并由目的节点进行广播，网络中的LP节点听到该ACK分组后，根据ACK分组中的排序表来发送数据，排在第一位的LP节点首先查看是否有数据发送，如果第一位的LP节点无数据发送，则等待一小段时隙10ms后，排在第二位的LP节点发送数据，依据ACK分组中的排序表来发送数据，排在第一位的LP节点首先查看是否有数据发送，如果第一位的LP节点无数据发送，则等待一小段时隙10ms后，排在第二位的LP节点发送数据进行类推，

传输周期结束，节点统计网络中传输数据的计数器归0，返回步骤1。