CN104580407B - 一种基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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MANET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，使丢包率增加，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。

IEEE 802.11是现今无线局域网中通用的标准，它由802.11a 802.11b等一系列标准组成。IEEE 802.11p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。

而基于TDMA的协议可以有效避免这个问题。TDMA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TDMA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TDMA协议已经成为了一种新的趋势。

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

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。

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。

数据帧格式如附图1所示：一帧分为给定的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。

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S₁被节点x占用，时隙S₂未被占用，可以预约，而时隙S_M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_x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W_x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。

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S_ohs(x)及它们等待计数器的数值W_ohs(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W_ths(x)。

2)选择空闲时隙进行预约。节点x任意选择一个时隙进行预约，其中S(x)＝S_ohs(x)∪S_ths(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，则在节点x一跳范围内存在节点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一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p_R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p_R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W_x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。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.车辆自组织网络高负载情况下，由于时隙冲突的不断发生，空闲的时隙始终存在。考虑到这种时隙资源的浪费，本发明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。

2.将冲突节点选择时隙的问题考虑成一次非合作博弈的过程，通过让冲突节点相互进行博弈计算各自选择相应策略的概率，从而使节点个体效用达到最优。

附图说明

图1为帧结构示意图。

图2为控制报文结构示意图。

图3为本发明方法的流程示意图。

图4为高速公路场景和城市交通场景下吞吐量的仿真结果图。

图5为高速公路场景和城市交通场景下丢包率的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是将冲突节点的再预约时隙过程考虑成一个非合作博弈过程，通过让冲突节点相互进行博弈计算各自选择相应策略的概率，从而使节点个体效用达到最优。

基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法的总体流程图见附图3。

本发明的基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法，包括以下步骤：

1)监听控制信道及更新信息。本发明中所有节点预约时隙的过程都是在唯一的控制信道上进行的。控制信道主要用来传输各车辆广播的控制报文，包含车辆位置、速度、移动方向、预约时隙等一系列重要数据，同时还可以传输高优先级数据，比如周期性或突发性涉及安全信息的报文。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_ohs(x)及它们等待计数器的数值W_ohs(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W_ths(x)。

2)选择空闲时隙进行预约。节点x任意选择一个时隙进行预约，其中S(x)＝S_ohs(x)∪S_ths(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，则在节点x一跳范围内存在节点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一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。

博弈的过程分析如下：

假设有v个节点选择了同一时隙，则要进行v点的博弈来作出各自的决策，参数定义如下：

参与者：I＝{1,2,...,v}为v个冲突节点的集合；

策略集合：{R,W}，其中(R表示再次预约，W表示重新选择时隙预约)；

效用值：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；

w_x：节点x等待计数器数值；

U_x：节点x的效用函数；

p_x：节点x选择预约的概率。

效用值的定义直接关系到各个节点的选择策略的概率，本发明考虑到节点公平接入，即等待计数器数值高的节点应该给与优先接入，并根据本身的物理意义限制()，定义了如下归一化效用值：

＝0：再次预约发生冲突则效用为0。

＝1：再次预约成功效用值最高，定义为1。

取值为0～1，并且与w_i成反比，即鼓励等待计数低的节点重新选择其它时隙预约，等待计数高的节点选择再次预约同一时隙。其中v为参与者个数；α为调节因子，α越大，等待计数器数值高的节点接入的优先级越高。

对单个节点x，可以看成节点x与集合B_-x内节点的依次博弈，B_-x集合为非x节点的集合，B_-x集合的策略集合为{p₁,p₂,...,p_x-1,p_x+1,...,p_v}。当节点x与j博弈时，p_x+p_y＝1，则：

p_y＝1-p_x (1)

节点x的效用函数为：

为了实现效用最优，必须满足下式：

将式(1)代入式(3)可得：

即任意节点x以概率选择预约同一时隙，以概率重新选择一个新的空闲时隙预约。

式中p_R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W_x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。

综上所述，在节点预约时隙产生冲突时，本发明方案提供了一种再预约的方式，让冲突节点能够通过博弈决定相应策略，以实现再次快速预约。如附图4所示是在两种不同场景下吞吐量的仿真结果，附图5所示是在两种不同场景下丢包率的仿真结果。基于博弈论的车辆自组织网络时隙预约方法在高负载情况下明显由于传统的时隙预约方式，有效降低了丢包率并提升了网络总体吞吐量。

Claims (1)

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S_ohs(x)及它们等待计数器的数值W_ohs(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W_ths(x)；

2)选择空闲时隙进行预约，节点x任意选择一个时隙进行预约，其中：S(x)＝S_ohs(x)∪S_ths(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，则在节点x一跳范围内存在节点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一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p_R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：p_R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为选择同一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W_x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。