Tối ưu cơ hội truyền gói tin trong mạng vô tuyến sử dụng lý thuyết trò chơi

Trong bài viết này, tác giả phát triển mô hình truyền gói tin cơ hội dựa trên lý thuyết trò chơi cho mạng vô tuyến hoạt động trong điều kiện nguồn năng lượng thấp. Để giảm thiểu việc truyền gói tin không thành công do lỗi kênh truyền và xung đột trong quá trình truyền gói tin gây ra sự lãng phí năng lượng, chiến lược truyền gói tin cơ hội cố gắng truyền gói tin ở điều kiện kênh truyền tốt nhất với ràng buộc về độ trễ gói tin với mô hình kênh truyền fading biến thiên theo thời gian.

42 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh TỐI ƯU CƠ HỘI TRUYỀN GĨI TIN TRONG MẠNG VƠ TUYẾN SỬ DỤNG LÝ THUYẾT TRỊ CHƠI MAXIMIZING PACKET TRANSMISSION OPPORTUNITIES IN THE WIRELESS NETWORK BY USING THE GAME THEORY Nguyễn Chánh Tín, Phan Văn Ca Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 9/4/2018, ngày phản biện đánh giá 14/4/2018, ngày chấp nhận đăng 27/4/2018 TÓM TẮT Trong báo này, tác giả phát triển mơ hình truyền gói tin hội dựa lý thuyết trò chơi cho mạng vô tuyến hoạt động điều kiện nguồn lượng thấp Để giảm thiểu việc truyền gói tin khơng thành công lỗi kênh truyền xung đột q trình truyền gói tin gây lãng phí lượng, chiến lược truyền gói tin hội cố gắng truyền gói tin điều kiện kênh truyền tốt với ràng buộc độ trễ gói tin với mơ hình kênh truyền fading biến thiên theo thời gian Mơ hình lý thuyết trị chơi ngẫu nhiên kết hợp chi phí đề xuất để xác định ngưỡng tối ưu cho việc truyền gói tin theo chế truyền thông hội Kết mô cho thấy với chiến lược truyền thông hội, nút mạng có xu hướng trì hỗn truyền điều kiện kênh truyền xấu nhằm tránh xung đột giảm tỷ lệ gói tin dẫn đến việc tăng hiệu sử dụng lượng nút kéo dài thời gian hoạt động mạng Từ khóa: Lý thuyết trị chơi; chiến lược truyền thông hội; mạng vô tuyến; kênh truyền biến thiên theo thời gian; trò chơi ngẫu nhiên kết hợp hàm chi phí ABSTRACT In this paper, the authors have developed a game theory framework for an opportunity communication strategy for wireless networks that operate in a strict energy-constrained environment In order to minimize unsuccessful transmission due to channel errors and packet collisions that causing a waste of energy, the opportunity communication strategy attempts to transmit at good channel conditions while meeting the delay constraint under the time-varying wireless channel Thus a constrained cost-coupled stochastic game algorithm is formulated to obtain an optimal threshold for successful transmission in the opportunistic transmission manner The simulation result shows that with the opportunity transmission strategy, the nodes trend to defer their transmissions in bad channel conditions to avoid collision and reduce packet loss rate This can lead to improve the performance of energy usage at each node as well as to prolong the network lifetime Keywords: Game theory; opportunistic transmission; wireless network; time-varying wireless channel; cost-coupled stochastic GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, lý thuyết trò chơi trở thành công cụ thiết yếu, hiệu để phân tích thiết kế mạng vơ tuyến Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA) ứng dụng lý thuyết trị chơi cho mạng vơ tuyến xem giải pháp thay CSMA cổ điển dựa chế back-off ngẫu nhiên [1] Trong báo này, tác giả đưa thiết kế giao thức MAC dựa lý thuyết trò chơi cho mạng vô tuyến thực thử nghiệm mạng vơ tuyến nhà với 22 nút lập trình dựa chuẩn IEEE 802.11 Các phép đo tác giả cho thấy thiết kế đề xuất cho hiệu tổng thông lượng đạt cân Nash độ cân tải truyền Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nút mạng so với thuật toán DCF chuẩn Trong báo số [2], tác giả đề xuất phương pháp tiếp cận dựa lý thuyết trò chơi để thay đổi tốc độ, điều chế cơng suất thuật tốn trị chơi Tất người dùng hài lòng với việc kết hợp quy tắc trị chơi Tính ích kỷ người sử dụng độc lập bị hạn chế khuôn khổ Tính ích kỷ trị chơi đạt đến điểm mong muốn gọi điểm cân Nash Thông qua kết khác nhau, tác giả thấy tất người dùng có cân tối đa hóa lợi ích tối thiểu lượng truyền, tốc độ kiểu điều chế chiến lược họ Trong mạng vô tuyến đa chặng (multi-hop) [3], nút bị hạn chế lượng nguồn tài ngun gây tượng khơng sẵn sàng chuyển tiếp gói tin cho nút lân cận để tiết kiệm nguồn lượng Trạng thái nút làm giảm thơng lượng mạng làm giảm hiệu suất mạng Trong thiết kế thuật tốn lý thuyết trị chơi cho việc chuyển tiếp lặp lại gói tin, hầu hết cơng trình trước bỏ qua yếu tố nhiễu môi trường vô tuyến hoạt động nút Thuật toán báo so sánh với thuật tốn lý thuyết trị chơi tiếng khác kết mô thực để chứng minh tối ưu thuật toán môi trường nhiễu Bên cạnh phương pháp tiếp cận liên quan đến chiến lược truyền trên, số cách tiếp cận khác ( [4], [5], [6], [7], [8]) áp dụng lý thuyết trò chơi để nghiên cứu kiểm sốt tranh chấp cho mạng vơ tuyến Các tác giả [4] trình bày tổng quan mơ hình lý thuyết trò chơi để nghiên cứu tương tác nút cho kênh vơ tuyến phổ biến Ngồi ra, tác giả nghiên cứu cân Nash trò chơi thiết kế phương pháp để đạt theo phương pháp phân phối Việc mở rộng toán thảo luận báo [5] Trong báo này, tác giả khái qt hóa kiểm sốt truy cập trị chơi cho trường hợp nút quan sát nhiều tín hiệu tranh chấp để hướng dẫn chúng cân Nash đưa điều kiện cho tồn 43 cân Một khái niệm lý thuyết trị chơi khơng hoàn toàn hợp tác đề xuất ( [6], [7], [8]) để cải thiện hiệu suất CSMA/CA mạng di động ad-hoc Trong mơ hình trị chơi này, nút ước lượng trạng thái trò chơi thay đổi trạng thái cân bằng cách thay đổi tham số tranh chấp để đạt hiệu suất tối ưu Các mở rộng trình bày báo [8] Trong báo này, tác giả trình bày phương pháp ước lượng điều kiện xác suất va chạm dựa kỹ thuật ảo hóa - CSMA đề xuất giao thức lý thuyết trị chơi MAC đơn giản mà thực mạng vô tuyến Một kỹ thuật đảo ngược giao thức truy cập ngẫu nhiên MAC dựa backoff sử dụng cách tiếp cận lý thuyết trò chơi trình bày [9] Như trình bày báo, giao thức backoff hàm mũ kỹ thuật đảo ngược thơng qua trị chơi khơng hợp tác liên kết cố gắng tối đa hố hàm lợi ích cục Ngồi ra, tác giả chứng minh tồn cân Nash cung cấp điều kiện cho tính đơn trị ổn định cho trị chơi Gần toán tồn hành vi ích kỷ kiểm sốt truy cập môi trường mạng vô tuyến thu hút ý số nhà nghiên cứu ( [10], [11], [12], [13]) Các tác giả [10] nghiên cứu hành vi ích kỷ nút mạng CSMA/CA cách sử dụng lý thuyết trò chơi phát triển giao thức cục phân tán để điều khiển hành vi ích kỷ nút cân Nash tối ưu Pareto Một toán tương tự nghiên cứu [11], công backoff mạng ad-hoc với trạm nặc danh phân tích hai mơ hình trị chơi khơng hợp tác khác nhau: lặp lại trò chơi CSMA/CA Hơn nữa, tác giả phát triển chiến lược cho trạm, cung cấp hiệu suất Pareto cân Nash hoàn hảo việc tái lập lại trò chơi CSMA/CA Trong [12], tác giả nghiên cứu ổn định CSMA/CA tảng mạng vơ tuyến với người dùng ích kỷ tham gia vào trị chơi CSMA/CA khơng hợp tác Trong trị chơi 44 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh này, giá trị người dùng tự động thay đổi theo tình trạng nghẽn mạng tình trạng tiêu thụ lượng Thêm vào đó, phương pháp lặp lại có mục đích nhằm đảm bảo hội tụ cân Nash đơn trị Trong [13], trò chơi truy cập ngẫu nhiên cho mạng vơ tuyến trình bày để nghiên cứu hành vi ích kỷ nút mạng Hơn nữa, tác giả phân tích kỹ thơng lượng kênh cân Nash cung cấp phân tích tiệm cận trị chơi số lượng máy phát ích kỷ đạt đến vơ Ngồi ra, trị chơi có ràng buộc chi phí ngẫu nhiên người chơi kết hợp với chuỗi Markov riêng kiểm sốt hành động nghiên cứu [14] Tại thời điểm, người chơi xác định hành động theo cho số chiến lược nhằm giảm thiểu hàm chi phí số ràng buộc chiến lược Sự tương tác số người chơi khác kết hợp hàm chi phí họ động có gói tin chờ để gửi đi, nút thực hai hành động: Truyền Hoãn, tương ứng với truyền gói tin hỗn truyền gói tin, dựa trạng thái thông tin kênh truyền cục (CSI) Giả sử CSI xác định nút đầu khe thời gian Ngoài ra, khe thời gian giả định đủ ngắn lưu lượng gói tin đến đủ nhỏ cho gói tin đến khe thời gian theo phân phối Beroulli với tham số  Giả định kết truyền dẫn có cuối khe thời gian Mục tiêu báo mơ hình hóa chế chiến lược truyền thông (OTS) với điều kiện trễ bối cảnh kênh vô tuyến biến thiên theo thời gian Trong hệ thống OTS, trước gửi gói tin, nút gửi đưa định có nên gửi gói tin khe thời gian hay trì hỗn việc truyền dựa trạng thái kênh để giảm thiểu mức tiêu thụ lượng Các trạng thái hệ thống OTS xây dựng trò chơi ngẫu nhiên kết hợp chi phí dựa q trình Markov để có sách truyền tải tối ưu Với  = E[y] Đặt yi ngưỡng SNR nhận được, = y0 < y1 < y2 …