[发明专利]一种利用MAB提升全双工CSMA网络吞吐量的方法

说明书

一种利用MAB提升全双工CSMA网络吞吐量的方法，属于无线通信网络优化技术领域。首先将无线通信网络中的每一条FD链路看成独立的Player，以及该链路上所有可能的TP和CST组合看成arm。接着将该网络吞吐量最大化问题建模成具有对抗性质的MP‑MAB问题。然后利用改进的Exp3算法对其进行求解，得到各链路上最佳的TP和CST组合。最后网络保持该设置直到下一次更新时刻为止。不需要额外的节点充当数据融合中心，是一种完全分布式的模式，因此具有较低的通信开销；不需要网络的任何先验信息，降低了系统的实现复杂度；与随机选择方法相比，可以提高42％的网络吞吐量。

技术领域

本发明属于无线通信网络优化技术领域，尤其是涉及一种利用MAB(multi-armedbandit,MAB)技术提升全双工CSMA网络吞吐量的方法。

背景技术

多路载波侦听访问与冲突避免(Carrier-sense multiple access withcollision avoidance,CSMA/CA)是一种广泛应用于分布式无线通信网络中的媒体接入控制(Media access control,MAC)协议。通过协调使用相同频带资源用户的信道接入顺序，CSMA/CA协议能有效降低数据碰撞概率，从而提升网络的整体吞吐量。现有的CSMA通信网络大多基于半双工(Half-duplex,HD)通信模式。全双工(Full-duplex,FD)通信允许一个节点同时在同一个频段上进行发送和接收操作，被认为是一种能够进一步提升网络吞吐量的新技术。

针对FD CSMA网络，本发明拟通过调节各FD链路的发送功率(Transmit power,TP)和载波侦听门限(Carrier-sensing threshold,CST)，来有效提高该网络的整体吞吐量。选择调节TP和CST的原因是：一方面，调节TP可以降低链路之间的干扰，提升单条链路的通信速率；另一方面，调节CST可以增加并行传输链路的数目，提升网络的整体吞吐量。但是，如何有效分配各链路上的TP和CST使得网络的吞吐量最大化是一个棘手的问题。目前，解决该问题主要有两种途径：有控制中心式和完全分布式。前者需要一个额外节点作为数据融合中心来计算各链路最佳的TP和CST。但这样不仅会增加系统的实现复杂度，还会增加额外的通信开销。另外，计算各链路最佳的TP和CST等价于求解一个NP-hard的优化问题(即最大化网络吞吐量)，常采用的穷尽搜素算法(Exhaustive search method)的计算复杂度会随FD链路数目以及TP、CST数目的增加而呈指数增长，从而使得求解大规模该类网络优化变得不可行。另一种完全分布式的途径不需要数据控制中心参与，也不需要网络的任何先验信息，因此具有较低的实现复杂度。实际中考虑到计算复杂度，这种途径下设备通常为每条FD链路随机地选择一个TP和CST(Fuemmeler J A,Vaidya N H,Veeravalli V V.Selectingtransmit powers and carrier sense thresholds in CSMA protocols for wirelessad hoc networks[C].Proceedings of the 2nd annual international workshop onwireless internet,ACM,2006)进行传输，该方法被称为随机选择方法(Random selectionmethod)。但是，随机选择方法会严重的制约网络的整体性能。

本发明拟采用机器学习的方法来为每条FD链路寻找最佳的TP和CST组合，从而提高FD CSMA网络的吞吐量。具体地，本发明采用具有对抗性质的multi-player multi-armedbandit(MP-MAB)框架来对该网络吞吐量最大化问题进行建模，进而利用改进的Exp3(Exponential-weight algorithm for Exploration and Exploitation)算法求解得到各链路最佳的TP和CST组合。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术在全双工CSMA网络中，如何通过调节各全双工链路的TP和CST来最大化网络整体吞吐量的问题，提供一种利用MAB技术提升全双工CSMA网络吞吐量的方法。