基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法技术

本发明专利技术提供一种自适应改变信道接入参数、提高电力线载波通信局域网吞吐量、带宽利用率和时隙利用率的基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，属于通信领域。包括：步骤一：当低压电力线通信局域网的时隙启动时，转入步骤二；步骤二：节点判断信道当前是否处于空闲状态，若是，转入步骤三，若否，选择其他通道，重复本步骤；步骤三：节点运用隐马尔科夫预测算法预测竞争节点对信道状态的判决结果，获得参与信道竞争的活跃节点个数n；步骤四：根据获取的n，获得信道的最佳接入概率p；步骤五：以获得的最佳接入概率p请求接入信道，若是成功接入，在非对称信道环境下节点以接入概率p向目的节点发送数据分组，若接入不成功，转入步骤二。

Performance optimization method of low voltage power line communication LAN based on Dynamic Game

The invention provides an adaptive channel access parameters and improving the power line carrier communication network throughput, bandwidth utilization and slot utilization of low-voltage power line communication network performance optimization method based on dynamic game, which belongs to the field of communication. Includes the following steps: when the time slot of low-voltage power line communication network starts, go to step two; step two: determine whether the current node channel is in the idle state, if so, go to step three, if not, choose other channels, repeat this step; step three: node using hidden Markov prediction algorithm to predict the verdict of competition nodes the channel state, get the number of active nodes n in the channel competition; step four: according to N, the best access probability of P channel; step five: to get the best access probability p request access channel, if successful access, in asymmetric channel environment node to the destination node to access probability p sending a data packet, if the access is not successful, go to step two.

【技术实现步骤摘要】
基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法
本专利技术涉及一种低压电力线通信局域网性能优化方法，特别涉及一种基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，属于通信领域。
技术介绍
能源互联网被认为第三次工业革命的重要标志，现已得到全世界的广泛关注。作为电力系统未来的发展方向，同时受“工业4.0”及“互联网+”潮流的影响，电力能源互联网将成为当今学术界的研究热点之一。能源路由器作为能源互联网的核心接口，同时也是电力能源互联网组网的可行性方案之一，因此，以能源路由器组建的网络为研究对象，通过对低压电力线载波通信MAC层接入控制协议的研究，重点实现组建后的低压电力线通信(powerlinecommunication,PLC)局域网QoS性能提高，这将对电力能源互联网流量优化、网络拥塞等性能有着重要的理论意义及工程价值。低压电力线通信MAC层协议在整个协议栈中占有重要地位，协议性能好坏直接影响带宽资源受限PLC网络吞吐量、频带利用率及时隙利用率等综合性能。现阶段MAC协议主要采用TDMA或CSMA协议。TDMA要求节点的时钟严格同步，一定程度上该协议的应用将受到限制；部分研究人员集中对CSMA信道接入协议展开研究，但该协议本质上无法从解决冲突，导致网络吞吐量、带宽利用率等性能相对较低。基于此，现阶段存在的问题包括如下：1.节点对信道的接入会直接影响到邻居节点的接入性能。2.由于节点接入信道的随机性，要获得参与信道竞争的活跃节点数相对较难。尽管已有部分文献提出与之相关联的节点数估计算法，但算法均较为复杂，实现上存在较大困难。3.网络接入荷载较重时，节点发送数据分组碰撞概率较大，易出现网络堵塞，导致带宽利用率、吞吐量及时隙利用率等性能下降。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提供一种自适应改变信道接入参数、提高电力线载波通信局域网吞吐量、带宽利用率和时隙利用率的基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法。本专利技术的基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，包括如下步骤：步骤一：当低压电力线通信局域网的时隙启动时，转入步骤二；步骤二：节点判断信道当前是否处于空闲状态，若是，转入步骤三，若否，选择其他通道，重复本步骤；步骤三：节点运用隐马尔科夫预测算法预测竞争节点对信道状态的判决结果，获得参与信道竞争的活跃节点个数n；步骤四：根据获取的n，获得信道的最佳接入概率p；步骤五：以获得的最佳接入概率p请求接入信道，若是成功接入，在非对称信道环境下节点以接入概率p向目的节点发送数据分组，若接入不成功，转入步骤二。优选的是，所述步骤三包括如下步骤：利用t-1时隙的后验概率计算当前t时隙的先验概率，再根据当前t时隙的观测信道状态序列修正先验概率，得到当前t时隙的后验概率：其中，St表示变量；si表示第t个时隙节点要预测的竞争节点判决的信道状态，i＝0,1；Ot表示变量；ot表示第t个时隙节点自己判决的信道状态，t＝0,1；S＝{s0＝0,s1＝1}，表示隐马尔科夫预测算法中的隐藏状态；n的初始值为1，当si＝1时，n的值加1，i＝1,…N，N为参与信道竞争的节点个数。优选的是，所述步骤四中，获得的信道的最佳接入概率p为：其中，Tc为数据包在信道中发生碰撞时，非碰撞节点检测信道忙碌时间；TI表示当前时隙中信道空闲的时间。上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。本专利技术的有益效果在于，本专利技术通过结合博弈论优势，使节点在未知当前网络任何节点竞争信道信息时，保证活跃节点在任意时隙内均能以最佳接入概率发送数据分组，解决现阶段网内数据分组在传输过程由于冲突严重导致QoS性能相对较低的问题。本专利技术在非对称信道环境中可实现动态盲估计参与信道竞争的活跃节点个数，提升博弈信息的准确度，为节点以最佳接入概率发送数据分组提供条件。且实现了电力线载波通信局域网吞吐量、带宽利用率的提高。同时提高了电力线载波通信局域网的时隙利用率。附图说明图1为具体实施方式所述的基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，包括如下步骤：步骤一：当低压电力线通信局域网的时隙启动时，转入步骤二；步骤二：节点判断信道当前是否处于空闲状态，若是，转入步骤三，若否，选择其他通道，重复本步骤；步骤三：节点运用隐马尔科夫预测算法预测竞争节点对信道状态的判决结果，获得参与信道竞争的活跃节点个数n；步骤四：根据获取的n，获得信道的最佳接入概率p；步骤五：以获得的最佳接入概率p请求接入信道，若是成功接入，在非对称信道环境下节点以接入概率p向目的节点发送数据分组，若接入不成功，转入步骤二。本实施方式鉴于低压PLC局域网内节点在分布式环境下竞争共享信道的特点，以网络性能最大化为预期目标，将节点竞争信道过程表征为非完全信息动态博弈，提出基于隐马尔科夫预测的自适应p坚持CSMA协议。在节点拥有不完全信息条件下，运用隐马尔科夫预测算法对当前博弈状态，即：竞争信道的活跃节点个数进行估计，调整信道的最优接入概率，经过有限次动态博弈，最终提升网络吞吐量、带宽利用率等性能。节点发送数据分组的接入概率与网络活跃节点个数n是直接相关的，但在非对称的电力线信道环境下，节点是不能直接得到竞争对手对信道状态的判决结果。节点只能依靠自己对信道状态的判决结果预测竞争对手的判决结果，得出参与信道竞争的活跃节点个数。隐马尔可夫模型是马尔可夫链的一种，包含隐藏状态和观察状态两种，它的隐藏状态不能被实体直接观察到，实体的观察结果也即观察状态是隐藏状态所反映的信息。每个观察状态都是通过某些概率分布表现为各种隐藏状态，而隐藏状态迁移规律的统计规律也具备马尔可夫特性。所以，隐马尔可夫模型是一个双重随机过程。基于此，本实施方式在非对称的信道环境下节点运用隐马尔科夫预测算法预测竞争节点对信道状态的判决结果，获得参与信道竞争的活跃节点个数n，通过计算最大后验概率方法预测竞争对手对信道状态的判决，定量得到活跃节点个数。具体过程：利用t-1时隙的后验概率计算当前t时隙的先验概率，再根据当前t时隙的观测信道状态序列修正先验概率，得到当前t时隙的后验概率，由贝叶斯公式得到当前t时隙的后验概率：令Qt(si,ot)＝p(St＝si,Ot＝ot)，带入贝叶斯公式中得且式中：由Q1(s1,o1)＝p(S1＝sj,O1＝o1)＝πjp(o1|sj)递推得到Q2(sj,o2)，Q3(sj,o3),...,Qt(sj,ot)。因此，求得中的si的数值就可表示在t时刻非授权用户预测的竞争节点判决信道的结果。St表示变量；si表示第t个时隙节点要预测的竞争节点判决的信道状态，i＝0,1；Ot表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：当低压电力线通信局域网的时隙启动时，转入步骤二；步骤二：节点判断信道当前是否处于空闲状态，若是，转入步骤三，若否，选择其他通道，重复本步骤；步骤三：节点运用隐马尔科夫预测算法预测竞争节点对信道状态的判决结果，获得参与信道竞争的活跃节点个数n；步骤四：根据获取的n，获得信道的最佳接入概率p；步骤五：以获得的最佳接入概率p请求接入信道，若是成功接入，在非对称信道环境下节点以接入概率p向目的节点发送数据分组，若接入不成功，转入步骤二。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：当低压电力线通信局域网的时隙启动时，转入步骤二；步骤二：节点判断信道当前是否处于空闲状态，若是，转入步骤三，若否，选择其他通道，重复本步骤；步骤三：节点运用隐马尔科夫预测算法预测竞争节点对信道状态的判决结果，获得参与信道竞争的活跃节点个数n；步骤四：根据获取的n，获得信道的最佳接入概率p；步骤五：以获得的最佳接入概率p请求接入信道，若是成功接入，在非对称信道环境下节点以接入概率p向目的节点发送数据分组，若接入不成功，转入步骤二。2.根据权利要求1所述的基于动态博弈的低压电力线通信局域网性能优化方法，其特征在于，所述步骤三包括：利用t-1时隙的后验概率计算当前t时隙的先验概率，再根据当前t时隙的观测信道状态序列修正先...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓胜，崔莹，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23