專利名稱：無(wú)線Mesh網(wǎng)中基于博弈論的跨層擁塞控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域的擁塞控制方法，特別是一種用于無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的跨層擁塞控制方法，以解決多跳鏈路通信中的本地節(jié)點(diǎn)擁塞問(wèn)題。
背景技術(shù)：
在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，TCP端用戶總是以自身獲得最大收益為目標(biāo)，尤其在無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)中，處于平等地位的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都想盡力競(jìng)爭(zhēng)到最大的網(wǎng)絡(luò)寬帶，具有明顯的自私性。而這種追求自身最大利益的結(jié)果將會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。在微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)和行為學(xué)領(lǐng)域已對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了大量了研究，最終產(chǎn)生了一種新的理論-“博弈論”。 博弈論不但能分析個(gè)體決策行為可能造成的系統(tǒng)損失，并且還可以給出相關(guān)的解決策略， 從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體利益與整體利益的最大化。博弈論分為合作博弈和非合作博弈，劃分的依據(jù)主要在于所有相關(guān)聯(lián)參與人的行為相互作用時(shí)，當(dāng)事人能否達(dá)成一個(gè)具有約束力的協(xié)議。能達(dá)成，就是合作博弈，否則就為非合作博弈。并且，非合作博弈強(qiáng)調(diào)的是個(gè)人理性和個(gè)人最優(yōu)決策，即納什均衡(Nash Equilibrium, NE)，而合作博弈強(qiáng)調(diào)的則是團(tuán)體理性(包括效率、公正、公平等)和全局最優(yōu)決策，通常具有帕累托最優(yōu)(Pareto Optimum)的性質(zhì)如納什議價(jià)解(Nash bargaining solution)。在無(wú)線通信網(wǎng)中，博弈論廣泛應(yīng)用于沒(méi)有中心控制實(shí)體(即分布式)的網(wǎng)絡(luò)，如無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)。在博弈過(guò)程中，參與人(即網(wǎng)絡(luò)自治節(jié)點(diǎn))的行為包括選擇不同的調(diào)制方式、編碼速率、協(xié)議、退避時(shí)隙、發(fā)射功率等可以由節(jié)點(diǎn)來(lái)控制的參數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行分布式協(xié)議并依賴于其來(lái)自他節(jié)點(diǎn)的信息來(lái)作決策。近年來(lái)，已有一些分布式擁塞控制方案被提出，試圖盡可能地滿足用戶QoS需求， 保證良好的系統(tǒng)效用和用戶之間的公平性。而博弈論則主要是為定價(jià)和擁塞控制機(jī)制提供一種自然架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求采取非合作的態(tài)度，并且沒(méi)有其他用戶流速率的明確信息，從而使得用戶協(xié)作成為可能。因此，非合作博弈理論為流控制和擁塞控制提供了一個(gè)合理的框架。E. Altman教授指出，如果能夠提出合理的價(jià)格函數(shù)和代價(jià)函數(shù)，則可以在多用戶網(wǎng)中找到一個(gè)相較于各種優(yōu)化算法更有效的納什均衡。目前，在無(wú)線Mesh網(wǎng)中鮮有使用博弈論來(lái)解決擁塞問(wèn)題的研究，但已有一些研究人員使用博弈論來(lái)解決因特網(wǎng)和無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的擁塞問(wèn)題。陶軍博士給出一種關(guān)于流速的解析解，基于提出的博弈模型并結(jié)合Jacobi迭代方法來(lái)求解下次數(shù)據(jù)發(fā)送速率。但是由于算法的復(fù)雜性及收斂性的限制，使得該算法在系統(tǒng)鏈路利用率方面表現(xiàn)得不盡人意。 此外，他還研究了 Stackelberg流速與擁塞博弈問(wèn)題，對(duì)非合作流速與擁塞博弈模型中的 Nash均衡點(diǎn)進(jìn)行了推理和證明，提出了單跟隨者與多跟隨者流速與擁塞博弈模型，并在此基礎(chǔ)上將模塊擴(kuò)展到多層次的Mackelberg博弈結(jié)構(gòu)中，得出解析解。T Alpcan教授提出一種針對(duì)一般通信網(wǎng)絡(luò)使用非合作博弈理論來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)擁塞的方法，并基于所提出的代價(jià)函數(shù)，證明了納什均衡的存在性及唯一性。然后針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提出一種博弈擁塞模型。 但是該模型所提出的代價(jià)函數(shù)需要收集整條鏈路的擁塞信息，實(shí)施難度較大，并且該模型不能滿足鏈路帶寬利用率為100%，顯然這并不符合現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況。研究員馮軍建立了一個(gè)策略為慢啟動(dòng)窗口遞增參數(shù)的TCP博弈模型，分析出用戶收益是慢啟動(dòng)窗口遞增參數(shù)的凹函數(shù)，并得出結(jié)論在TCP博弈中，TCP端用戶能利用自身的擁塞控制算法獲得納什均衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的分布式特性，設(shè)計(jì)一種基于非合作博弈(Uncooperative Game)理論的跨層擁塞控制方法來(lái)分析無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中所存在的用戶利益沖突問(wèn)題，解決由于數(shù)據(jù)多跳傳輸而造成的帶寬資源的低利用率及擁塞鏈路上的低吞吐量等問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)性能。本發(fā)明的具體實(shí)施步驟是提供一種無(wú)線Mesh網(wǎng)中基于博弈論的跨層擁塞控制方法，其特征在于，當(dāng)ACK數(shù)據(jù)包到達(dá)本地節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷本節(jié)點(diǎn)是否為該確認(rèn)包的目的節(jié)點(diǎn)；根據(jù)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中通信鏈路端用戶上本地?fù)砣c可用資源之間的關(guān)系建立效
用函數(shù)Us(X)；建立包含效用約束的代價(jià)函數(shù)JCtirj5(^g),對(duì)端用戶在一定資源供應(yīng)下所產(chǎn)生的效用進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)代價(jià)函數(shù)得到對(duì)帶寬資源利用最優(yōu)時(shí)的均衡速率< ；根據(jù)價(jià)格函數(shù)和效用函數(shù)巧(式)調(diào)用公式70(4,^( )) = / )- )確定代價(jià)函數(shù)夂‘休,^^；)；)。使得代價(jià)函數(shù)取最小值時(shí)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率為均衡速率。根據(jù)公式
, 確定效用函數(shù)，根據(jù)公式PRij0 =C -Tr + K確
CZ3(X5) = OfiOgtX)-^i(X5)Us(X)1
定價(jià)格函數(shù)烈漢)為。在ACK消息頭部擴(kuò)展一個(gè)交互字段,當(dāng)ACK確認(rèn)包到
達(dá)目的節(jié)點(diǎn)MAC層時(shí)，將的值更新為均衡速率& ,并提交到傳輸層，傳輸層根據(jù)
她的值動(dòng)態(tài)調(diào)整下次數(shù)據(jù)發(fā)送速率。本發(fā)明主要利用博弈擁塞控制算法在業(yè)務(wù)流源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擁塞控制，解決了鏈路通信在本地丟包的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)無(wú)線資源的合理估計(jì)，使傳輸層能更加理性地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，從而能有效提高業(yè)務(wù)流速率和端到端吞吐量。本發(fā)明提出的博弈擁塞算法無(wú)需迭代、 簡(jiǎn)單且易于實(shí)施。利用跨層機(jī)制，使傳輸層能及時(shí)感知MAC層提供的均衡速率，因此使得算法執(zhí)行更加高效。同時(shí)，通過(guò)對(duì)鏈路通信進(jìn)行博弈擁塞控制為博弈論在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中的應(yīng)用提供支撐基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程流程圖2是本發(fā)明使用的ACK消息頭部組成結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明與TCP-Vegas的端用戶平均發(fā)送速率仿真曲線圖； 圖5是本發(fā)明與TCP-Vegas的業(yè)務(wù)流吞吐量對(duì)比仿真曲線圖。
具體實(shí)施方式
圖1所示為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程流程圖。以下針對(duì)附圖和具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作具體說(shuō)明。1.建立關(guān)于鏈路擁塞與節(jié)點(diǎn)速率的效用函數(shù)
假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，存在況個(gè)非合作用戶節(jié)點(diǎn)，集合為M=O,…扔，并且它們共享一條容量力I」的鏈路/。由于各用戶流之間存在非合作的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，即使在網(wǎng)絡(luò)資源即將耗盡時(shí)，彼此都不愿意降低自身的發(fā)送速率。因此本發(fā)明從端系統(tǒng)發(fā)送行為本身來(lái)尋求擁塞避免和控制方法?？紤]到擁塞控制與MAC層可用資源的關(guān)系，效用函數(shù)為端用戶的速率向量的函數(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流速率和鏈路擁塞函數(shù)的平方確定，調(diào)用公式(1)確定節(jié)點(diǎn)S的效
用函數(shù)巧(JQ。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線Mesh網(wǎng)中基于博弈論的跨層擁塞控制方法，其特征在于，當(dāng)ACK數(shù)據(jù)包到達(dá)本地節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷本節(jié)點(diǎn)是否為該確認(rèn)包的目的節(jié)點(diǎn)；根據(jù)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中通信鏈路端節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流速率和鏈路擁塞函數(shù)的建立效用函數(shù)； 根據(jù)價(jià)格函數(shù)和效用函數(shù)建立包含效用約束的代價(jià)函數(shù)，對(duì)端用戶在一定資源供應(yīng)下所產(chǎn)生的效用進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)代價(jià)函數(shù)得到對(duì)帶寬資源利用最優(yōu)時(shí)的均衡速率ιO
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨層擁塞控制方法，其特征在于，根據(jù)價(jià)格函數(shù) ^Χ) 和效用函數(shù)巧(式)調(diào)用公式/Qbtz3OQ) =/ ! )-^ )確定節(jié)點(diǎn)s的代價(jià)函數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨層擁塞控制方法，其特征在于，使得代價(jià)函數(shù)取最小值時(shí)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率為均衡速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨層擁塞控制方法，其特征在于，在ACK消息頭部擴(kuò)展一個(gè)交互字段,當(dāng)ACK確認(rèn)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)MAC層時(shí)，將的值更新為均衡速率‘并提交到傳輸層，傳輸層根據(jù)Wfe^Jfer的值動(dòng)態(tài)調(diào)整下次數(shù)據(jù)發(fā)送速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨層擁塞控制方法，其特征在于，根據(jù)公式 LZi(JTi) = Mog(X3)-^2CZj)確定節(jié)點(diǎn)S的效用函數(shù)巧(足)，式中Zi為端用戶的速率向量，α和.點(diǎn)為常數(shù)，為鏈路的擁塞函數(shù)，Xi表示節(jié)點(diǎn)S的業(yè)務(wù)流速率；根據(jù)公 、_ W式搜(A) = C3-2>5+尤確定節(jié)點(diǎn)S的價(jià)格函數(shù)為，其中，為用戶端參數(shù)，PR, (χ;)表示在節(jié)點(diǎn)s處的容量剩余值，ν為常數(shù)，且^ , Γ,。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線Mesh網(wǎng)中基于非合作博弈理論的跨層擁塞控制方法，屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的擁塞控制方法主要通過(guò)以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)在無(wú)線鏈路上的業(yè)務(wù)流源節(jié)點(diǎn)MAC層實(shí)施關(guān)于可用資源的非合作博弈擁塞控制算法；對(duì)MAC層的緩沖區(qū)占用情況進(jìn)行分析、表征，得到符合當(dāng)前可用資源的均衡速率；在數(shù)據(jù)包頭部加入一個(gè)用于MAC層和傳輸層間進(jìn)行跨層通信的交互字段；通過(guò)跨層機(jī)制，將MAC層得到的均衡速率反饋給傳輸層；傳輸層根據(jù)均衡速率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整下次數(shù)據(jù)發(fā)送速率。本發(fā)明的跨層擁塞控制方法簡(jiǎn)單、快速、易實(shí)現(xiàn)，且能有效提高業(yè)務(wù)流速率、吞吐量及端用戶效用。
文檔編號(hào)H04W28/02GK102202344SQ201110136748
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者劉宴兵, 徐光俠, 杜江, 楊云, 肖云鵬, 鄭海燕 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)