[發明專利]分布式無線網絡接入方法及系統

在審

• 申請號: 202110648017.8
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN115474286A
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 朱曉榮;李慶洋;賈恩富;吳知航
• 申請（專利權）人: 南京星航通信技術有限公司
• 主分類號: H04W74/08
• 分類號: H04W74/08;H04W52/02
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 成春榮;竺云

本申請涉及通信無線網絡技術領域，公開了一種分布式無線網絡接入方法及系統，有效地優化了競爭節點的信道接入和網絡的能量損耗。該方法包括：構建目標分布式無線網絡通信場景的系統模型；基于該系統模型，將網絡中相互競爭的節點之間信道接入優化問題建模為隨機微分博弈模型，通過引入平均場理論將隨機微分博弈近似轉變為平均場博弈，并基于平均場博弈模型的問題推導出HJB方程和FPK方程；求解該HJB方程和該FPK方程以獲得納什均衡，得到各節點的最優行為策略；基于該最優行為策略執行各節點的信道接入。

技術領域

本申請涉及通信無線網絡技術領域，特別涉及分布式無線網絡接入技術。

背景技術

未來的分布式無線網絡將面臨網絡容量不足、時延較高和能量損耗較大的問題。這主要是因為大規模網絡節點的涌現，節點之間的接入容易發生碰撞，由此導致網絡的整體性能達不到一個較好的結果。目前，所有無線網絡節點使用IEEE 802.11x、藍牙、ZigBee等技術實現數據傳輸。由于頻譜的共享，一部分無線節點中會受其他節點的影響，對其自身造成強烈的干擾。信道的競爭也會導致無線鏈路的波動，也會導致成功發送數據包的概率下降。在無線網絡中存在一些傳統的方法用來減緩節點間的干擾，比如ALOHA、CSMA、TDMA等，這些方法通過管理媒體介入控制(MAC)，可以使節點的信道接入避免其他節點的信道接入發生碰撞。然而，隨著節點數量的增加，競爭訪問相同的信道的概率大大提高，又因為缺少管理和控制，從而導致網絡的吞吐量、時延等性能大大降低，而且隨著節點發送數據包失敗導致不斷重傳，網絡的能量損耗也不斷加劇。

傳統的博弈論(例如隨機博弈)并不適合網絡節點較多的場景。隨機博弈屬于動態博弈，由多個博弈階段組成，每一階段中參與者的狀態變化是存在一定的隨機性的；隨機博弈雖然可以有效解決網絡中的問題，但是當博弈中的參與者數量變多時，會導致整個模型的維數過大，求解納什均衡的復雜度變高，從而引發額外的性能開銷。

發明內容

本申請的目的在于提供一種分布式無線網絡接入方法及系統，有效地優化了競爭節點的信道接入和網絡的能量損耗。

本申請公開了一種分布式無線網絡接入方法，包括：

構建目標分布式無線網絡通信場景的系統模型；

基于所述系統模型，將網絡中相互競爭的節點之間信道接入優化問題建模為隨機微分博弈模型，通過引入平均場理論將隨機微分博弈近似轉變為平均場博弈，并基于平均場博弈模型的問題推導出HJB方程和FPK方程；

求解所述HJB方程和所述FPK方程以獲得納什均衡，得到各節點的最優行為策略；

基于所述最優行為策略執行所述各節點的信道接入。

在一個優選例中，所述方法還包括：

將所述最優行為策略下各節點的退避過程建模一個以重傳次數和退避等待時間大小為狀態變量的離散時間的二維馬爾可夫模型；

分析所述馬爾可夫模型得到各節點的退避等待時間；

各節點基于所述最優行為策略執行信道接入時，如果遇到沖突，則等待相應退避等待時間后再次進行接入。

在一個優選例中，所述求解所述HJB方程和所述FPK方程以獲得納什均衡，得到各節點的最優行為策略，進一步包括以下子步驟：

采用有限差分法對所述HJB方程進行求解和采用Lax-Friedrichs方法對所述FPK方程進行求解以獲得納什均衡；

根據求解結果計算各節點的最優行為策略。

在一個優選例中，所述基于平均場博弈模型的問題推導出HJB方程和FPK方程的步驟進一步包括以下子步驟：

用節點的狀態定義平均場分布，所述節點的狀態包括退避狀態、能量狀態空間和干擾狀態空間；