無線mesh網(wǎng)絡(luò)中可信協(xié)同信道資源分配策略

李明明，樂光學(xué)，代紹慶，馬柏林

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無線mesh網(wǎng)絡(luò)中可信協(xié)同信道資源分配策略

李明明1，樂光學(xué)2，代紹慶1，馬柏林2

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興 314001；2.嘉興學(xué)院，浙江嘉興314001）

為了有效提升無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，提出基于可信協(xié)同的信道資源分配策略。針對(duì)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)特點(diǎn)，引入博弈理論、建立節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)可信協(xié)同并優(yōu)化信道分配結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)分別對(duì)節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)收益結(jié)果作相應(yīng)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)收益有直接影響，當(dāng)協(xié)同服務(wù)等級(jí)達(dá)到3時(shí)，網(wǎng)絡(luò)收益狀況最佳，此時(shí)節(jié)點(diǎn)跳數(shù)與服務(wù)等級(jí)呈協(xié)同關(guān)系；對(duì)比經(jīng)典協(xié)同算法，在相同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境下，可信協(xié)同信道資源分配策略分別是UACRR算法、DMP-MBA算法的1.04倍、1.069倍，明顯占優(yōu)。

無線mesh網(wǎng)絡(luò)；信譽(yù)機(jī)制；協(xié)同服務(wù)

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的深入和邊緣業(yè)務(wù)對(duì)帶寬需求量的增加，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中通過部署基礎(chǔ)設(shè)施，如基站、無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)等方式以緩解帶寬需求[1,2]。然而，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)可用信道數(shù)量有限，用戶接入數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致通信鏈路負(fù)荷加重，信道資源分配成為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的研究關(guān)鍵[3]。無線mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種接入式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特性決定了終端節(jié)點(diǎn)可自組織分配信道以緩解節(jié)點(diǎn)接入壓力。但具有自適應(yīng)能力的mesh節(jié)點(diǎn)之間存在惡意競(jìng)爭(zhēng)、搶奪資源等問題，導(dǎo)致通信域內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收信道資源的可信度下降，降低了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量[4]。如何設(shè)計(jì)一種新的信道分配策略，有效提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量并充分利用無線mesh網(wǎng)絡(luò)的可信信道資源，是當(dāng)前無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配技術(shù)中急需解決的問題之一。

可信服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一是對(duì)mesh網(wǎng)絡(luò)的信道資源實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)有效分配。通過可信服務(wù)機(jī)制，穩(wěn)定提升服務(wù)質(zhì)量、保證節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)信道資源的有效分配[5]。Ye Q等人[6]提出了多用戶協(xié)作模式，旨在降低信道資源分配的能耗，以提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。從認(rèn)知協(xié)同技術(shù)層面出發(fā)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的資源協(xié)同管理對(duì)減小跨層干擾、提升網(wǎng)絡(luò)性能有較好的效果[7,8]。因此，尋找可信協(xié)同式作業(yè)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于信道資源分配，提升網(wǎng)絡(luò)性能、保證負(fù)載均衡，是無線mesh網(wǎng)絡(luò)可信協(xié)同信道資源分配的研究關(guān)鍵。

為了進(jìn)一步完善無線mesh終端節(jié)點(diǎn)的協(xié)同服務(wù)，建立節(jié)點(diǎn)信譽(yù)機(jī)制[4]。剔除非合作節(jié)點(diǎn)，保留具有協(xié)同服務(wù)能力的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)信任度，展開信道資源的重新分發(fā)和使用[9]。信道資源主要指同時(shí)滿足主干網(wǎng)絡(luò)上mesh路由和終端節(jié)點(diǎn)通信鏈路上數(shù)據(jù)流正常通信的一類信道資源[10]。Pedro B等人[11]提出了基于可協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)—固定接收的信道分配策略，策略指出給接收端（mesh終端節(jié)點(diǎn)）所服務(wù)的信道是固定且可信的。無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)一方面使得節(jié)點(diǎn)自由轉(zhuǎn)發(fā)、接收信道資源，另一方面也導(dǎo)致了惡意節(jié)點(diǎn)、競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)非法占有資源、浪費(fèi)資源，因而很難確定信道資源在終端節(jié)點(diǎn)上是否能夠充分被利用[12]。如何通過信道資源分配以保證服務(wù)質(zhì)量[13,14]、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和連通性，是無線mesh網(wǎng)絡(luò)整體性能提升的關(guān)鍵研究點(diǎn)。

基于已有研究結(jié)果，建立無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)機(jī)制，根據(jù)信譽(yù)機(jī)制產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)，將具有協(xié)同作業(yè)能力的服務(wù)節(jié)點(diǎn)用于轉(zhuǎn)發(fā)信道資源。聯(lián)合博弈理論建立節(jié)點(diǎn)可信協(xié)同服務(wù)機(jī)制，分析并計(jì)算這些信道資源的網(wǎng)絡(luò)收益狀況，以評(píng)價(jià)這一協(xié)同服務(wù)機(jī)制的有效性和可行性；對(duì)比已有經(jīng)典的協(xié)同服務(wù)機(jī)制和信道資源分配機(jī)制，通過網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證。

2 相關(guān)工作

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量作為無線mesh網(wǎng)絡(luò)的核心經(jīng)濟(jì)目標(biāo)之一，對(duì)可信協(xié)同信道資源的分配，其關(guān)鍵在于提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。由于參與服務(wù)的數(shù)量有限，無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道作為一種可用資源被網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)服務(wù)于不同的通信域。參考文獻(xiàn)[15]從可靠信道資源有限和動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)服務(wù)易中斷等問題出發(fā)，展開動(dòng)態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)的資源評(píng)估與調(diào)度研究，目標(biāo)在于提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）和穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)收益，提出了基于自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信道資源收益與風(fēng)險(xiǎn)均衡博弈模型，由于模型依賴于傳統(tǒng)的單鏈路通信，節(jié)點(diǎn)通信時(shí)易增加信道資源冗余。

將鏈路通信與節(jié)點(diǎn)分簇模式相結(jié)合，展開可信信道資源分配，已廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)的資源分配研究中[16]。參考文獻(xiàn)[17]針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中因節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)性能下降問題，采用了0-1規(guī)劃的信道資源分配和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，提出了基于分簇的TBCA&LS（tree based channel assignment & link scheduling）資源分配算法。該算法的優(yōu)勢(shì)是將信道分配和鏈路調(diào)度相結(jié)合，降低相鄰鏈路沖突、增加并行傳輸量，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提升和信道資源優(yōu)化分配。算法的不足為：采用集中式信道資源分配和調(diào)度，產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷和算法時(shí)間復(fù)雜度較大，雖然提升了節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能，未分簇的節(jié)點(diǎn)上服務(wù)質(zhì)量沒有較大提升。參考文獻(xiàn)[18]針對(duì)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的信道分配和鏈路通信問題，提出了基于D2D鏈路整合的資源分配機(jī)制，該方案優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：采用啟發(fā)式算法實(shí)現(xiàn)信道資源分配，較單一資源優(yōu)化方案在性能和復(fù)雜度方面明顯占優(yōu)；但尚未體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同服務(wù)能力。將信道資源分配方案應(yīng)用于宏蜂窩網(wǎng)（macrocell）研究中，參考文獻(xiàn)[19]基于用戶速率公平原則和凸優(yōu)化機(jī)制，展開了分布式信道資源分配設(shè)計(jì)。算法的優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)不同簇的用戶展開基于功率的子信道分配，算法有效緩解節(jié)點(diǎn)跨層干擾、提升節(jié)點(diǎn)通信的平均速率、讓節(jié)點(diǎn)獲取更高的滿意度。但尚未提出節(jié)點(diǎn)的性能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量方面的優(yōu)化情況和研究結(jié)果。參考文獻(xiàn)[20]的算法重點(diǎn)以保證用戶性能為主要研究目標(biāo)，基于聯(lián)合的斯坦克爾伯格博弈思想，作為宏用戶的資源分配接入策略，對(duì)于傳統(tǒng)的信道資源分配有一定優(yōu)化效果。為了體現(xiàn)終端用戶的協(xié)作服務(wù)能力，參考文獻(xiàn)[21,22]針對(duì)云虛擬機(jī)提出了灰色波形預(yù)測(cè)算法的資源分配機(jī)制，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)服務(wù)請(qǐng)求能力，提高用戶綜合服務(wù)質(zhì)量。但算法尚未體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同作業(yè)能力和節(jié)點(diǎn)的可信度。綜合而言，僅通過資源調(diào)度的方式來實(shí)現(xiàn)信道資源優(yōu)化分配，難以有效提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

將協(xié)同通信應(yīng)用于可信信道資源分配，是當(dāng)前協(xié)同服務(wù)研究的熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[23]定義了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同服務(wù)，指出所有節(jié)點(diǎn)之間共同協(xié)調(diào)，并協(xié)作以優(yōu)化的方式完成使網(wǎng)絡(luò)終端互聯(lián)通信的任務(wù)。對(duì)于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，首要考慮的是無線信道資源的可靠性。如果終端節(jié)點(diǎn)上的可用信道資源存在冗余或空閑狀態(tài)、惡意競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)已占用信道資源，通信鏈路上將無法提供協(xié)同服務(wù)節(jié)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[24]聯(lián)合研究節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信和可信信道資源分配，提出了基于信道資源分配的認(rèn)知無線mesh網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其研究側(cè)重點(diǎn)在通過跨層設(shè)計(jì)優(yōu)化信道分配結(jié)果以提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。但該算法在資源優(yōu)化中尚未指出網(wǎng)絡(luò)中的信道資源是否可信、可靠，因而需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)可信度來評(píng)價(jià)無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否具有可信信道資源。參考文獻(xiàn)[4]提出了基于節(jié)點(diǎn)信譽(yù)機(jī)制的路由安全協(xié)議方法，該方法雖然側(cè)重于處理多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議設(shè)計(jì)，但是以評(píng)估節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系為基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于FOAF（friend of a friend）演化博弈的網(wǎng)絡(luò)資源可信度判斷方法，重點(diǎn)在于計(jì)算節(jié)點(diǎn)的可信度，即當(dāng)可信節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信道資源時(shí)，直接以節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的收益為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了獲取更多網(wǎng)絡(luò)收益，參考文獻(xiàn)[25]提出了效用驅(qū)動(dòng)下的網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同預(yù)留算法UACRR（utility-driven-based algorithm for co-allocation resource reservation），其側(cè)重點(diǎn)為通過量化資源競(jìng)爭(zhēng)力、收益、市場(chǎng)價(jià)格三者的協(xié)同服務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)資源的獲取途徑以網(wǎng)絡(luò)收益為主要手段。但是，算法尚未提出如何協(xié)同以上3種資源以及調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)、貪婪節(jié)點(diǎn)竊取信道資源的方法，且該協(xié)同預(yù)留機(jī)制以網(wǎng)格計(jì)算為主。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同服務(wù)和優(yōu)化信道分配結(jié)果。將具有協(xié)同服務(wù)能力的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，分簇方式為不同服務(wù)等級(jí)的節(jié)點(diǎn)分工協(xié)作。因此，協(xié)同服務(wù)成為無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信道資源的主要工作方式。參考文獻(xiàn)[26]提出基于參數(shù)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)展技術(shù)，通過協(xié)同調(diào)度技術(shù)減小上下行鏈路干擾，但是節(jié)點(diǎn)之間的博弈問題容易導(dǎo)致多信道沖突。將博弈理論應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)行為分析，是近年來無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)行為分析的熱點(diǎn)[27]。為了緩解服務(wù)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)性，參考文獻(xiàn)[28]設(shè)立了一種基于頑健性的離線資源分配方法，假設(shè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分配資源屬于非合作博弈過程，最終實(shí)現(xiàn)資源的帕累托最優(yōu)。參考文獻(xiàn)[29]提出了基于SPA（second price auction，第二競(jìng)價(jià)拍賣機(jī)制）機(jī)制的博弈理論應(yīng)用于網(wǎng)格計(jì)算中，其方法為通過重復(fù)拍賣機(jī)制以獲取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)收益。參考文獻(xiàn)[30]將這種博弈方法應(yīng)用于處理對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的多播研究中，通過多拍賣博弈緩解節(jié)點(diǎn)之間的惡意競(jìng)爭(zhēng)和節(jié)點(diǎn)自私行為，提出了基于多拍賣機(jī)制的分布式多播協(xié)議DMP-MBA（distributed multicast protocol based multi-bids auction mechanism），但該模型的主要應(yīng)用環(huán)境為P2P網(wǎng)絡(luò)。為了有效評(píng)價(jià)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的信道可靠性，參考文獻(xiàn)[31]引入了基于價(jià)格預(yù)測(cè)最優(yōu)的用戶競(jìng)價(jià)拍賣機(jī)制，聯(lián)合高斯回歸過程，完成節(jié)點(diǎn)博弈過程。然而，上述基于博弈思想的節(jié)點(diǎn)行為分析不完全適用于無線mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，針對(duì)存在的惡意節(jié)點(diǎn)和具有協(xié)同服務(wù)能力的節(jié)點(diǎn)需做深入的博弈分析。

結(jié)合已有研究結(jié)果，根據(jù)節(jié)點(diǎn)行為分析結(jié)果，無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在的惡意競(jìng)爭(zhēng)等問題嚴(yán)重影響信道資源的分配。基于已有的DMP-MBA協(xié)同調(diào)度算法和UACRR資源預(yù)留算法，針對(duì)無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道資源，其協(xié)同可信信道資源分配需要考慮以下幾點(diǎn)。

?? 如何獲取可靠的信道資源：針對(duì)無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的可靠信道資源，展開基于網(wǎng)絡(luò)效用驅(qū)動(dòng)的信道分配策略，優(yōu)化信道分配結(jié)果，并將信道分配結(jié)果服務(wù)于可以參與服務(wù)的節(jié)點(diǎn)群集。

?? 如何處理節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)和惡意爭(zhēng)奪資源問題：針對(duì)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)性問題，通過節(jié)點(diǎn)的可信度判斷并剔除節(jié)點(diǎn)群集中無法服務(wù)的節(jié)點(diǎn)。

?? 如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同服務(wù)：將以獲取到可靠信道資源的節(jié)點(diǎn)群集進(jìn)行緩存，引入基于網(wǎng)絡(luò)效用與節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)均衡的博弈關(guān)系思想，將可靠信道資源應(yīng)用于具有協(xié)作能力的mesh終端節(jié)點(diǎn)上，以提升網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)能力。

3 可信信道資源分配建模與分析

為了有效提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，將無線mesh終端節(jié)點(diǎn)群集中無法完成協(xié)同作業(yè)的節(jié)點(diǎn)剔除，保留具有服務(wù)能力的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同服務(wù)等級(jí)，將不同服務(wù)等級(jí)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類完成協(xié)同服務(wù)。針對(duì)無線mesh網(wǎng)絡(luò)中參與信道資源獲取的所有節(jié)點(diǎn)，做如下假設(shè)：

?? 所有節(jié)點(diǎn)均具有獲取信道資源和服務(wù)主干網(wǎng)絡(luò)的能力；

?? 所有節(jié)點(diǎn)上具有2個(gè)射頻接口；

?? 所有節(jié)點(diǎn)均具有參與節(jié)點(diǎn)群集的博弈資格；

?? 所有節(jié)點(diǎn)的服務(wù)過程均在給定周期內(nèi)完成。

在無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間，針對(duì)可信資源建立節(jié)點(diǎn)服務(wù)機(jī)制，以選取適合協(xié)同作業(yè)的節(jié)點(diǎn)。協(xié)同過程通過信譽(yù)機(jī)制來判斷節(jié)點(diǎn)之間是否正常通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，繼而完成博弈評(píng)價(jià)。

3.1 問題描述

用戶要獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上可靠的信道資源，需要考慮節(jié)點(diǎn)是否愿意服務(wù)。這時(shí)在終端節(jié)點(diǎn)上存在以下幾種情況：愿意服務(wù)的節(jié)點(diǎn)和不愿意服務(wù)的節(jié)點(diǎn)。其中愿意服務(wù)的節(jié)點(diǎn)分布狀況如下：服務(wù)能力較差的節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)效用也會(huì)受到影響；服務(wù)能力較好但是在服務(wù)期間搶占資源但不轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)，嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力[32]。問題模型示例如圖1所示，假設(shè)在兩個(gè)通信域內(nèi)，分別采用4條通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其中A、B、C節(jié)點(diǎn)屬于通信域1，其他節(jié)點(diǎn)屬于通信域2?，F(xiàn)在，A、B節(jié)點(diǎn)均通過要信道1轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，C、D的接口相連存在信道沖突問題，這時(shí)可能產(chǎn)生信道資源的占用或者搶占。E、F、G節(jié)點(diǎn)具有一定服務(wù)能力，但是無法獲取信道資源，H節(jié)點(diǎn)占有信道4但是其不愿意服務(wù)。

對(duì)于類似這樣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀況：沒有信道資源（如E、F、G節(jié)點(diǎn)）、搶奪信道資源（如C、D節(jié)點(diǎn)）、不參與服務(wù)（如H節(jié)點(diǎn)）、沒有協(xié)作能力（如A、B節(jié)點(diǎn)），急需提出新的信道分配策略以緩解問題。

定義1 在無線mesh網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)上，在第一次用戶資源轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)只考慮兩種網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)：服務(wù)節(jié)點(diǎn)和不參與服務(wù)的節(jié)點(diǎn)，機(jī)制剔除不參與節(jié)點(diǎn)，對(duì)于在過程中再參與服務(wù)的節(jié)點(diǎn)不考慮加入機(jī)制內(nèi)，對(duì)于服務(wù)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)與信道通信情況展開節(jié)點(diǎn)信譽(yù)機(jī)制，根據(jù)信道資源在節(jié)點(diǎn)上的信任度計(jì)算節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)。

定義2 在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，可靠信道資源，即滿足所有節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)均能保證節(jié)點(diǎn)正常通信的信道資源。由于無線mesh網(wǎng)絡(luò)中信道分配是NP問題，信道分配由參與服務(wù)的節(jié)點(diǎn)群集網(wǎng)絡(luò)收益決定。

根據(jù)定義1、定義2，無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道資源分配策略出發(fā)點(diǎn)為根據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)群集的網(wǎng)絡(luò)收益。如果可服務(wù)節(jié)點(diǎn)與可靠信道資源成功通信，則有其資源分配的優(yōu)化方案：。其中表示任務(wù)節(jié)點(diǎn)通過信道資源與其鄰居內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)完成一次通信，表示節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)通信。

3.2 服務(wù)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的信道資源是優(yōu)化分配的，對(duì)于無線mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯嬖诘牟环€(wěn)定性，其信道分配結(jié)果取決于節(jié)點(diǎn)通信過程中是否使用了可靠信道資源，因此給定其信道分配方案為：

（2）

在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，任務(wù)節(jié)點(diǎn)利用可靠信道資源與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度未知，需要計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度，以實(shí)現(xiàn)信道資源的優(yōu)化分配。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)概論中對(duì)于信譽(yù)度的定義：“評(píng)定年份累計(jì)到期貸款歸還額與評(píng)定年份累計(jì)到期貸款總額的商即企業(yè)信譽(yù)度評(píng)價(jià)指標(biāo)”[17]。因此，任務(wù)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)某一次的信道分配方案與這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信總次數(shù)內(nèi)的商，即評(píng)價(jià)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度結(jié)果，如式（3）所示：

3.3 協(xié)同信道資源分配建模與分析

為了獲得最優(yōu)信道分配結(jié)果，參考文獻(xiàn)[15,16]均提出以網(wǎng)絡(luò)收益作為信道分配策略的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)[17]指出節(jié)點(diǎn)群集性服務(wù)的收益與風(fēng)險(xiǎn)并存。使表示通信時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)通過信道資源與其鄰居節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)所獲得的所有網(wǎng)絡(luò)收益。

（5）

根據(jù)不完全信息的非合作博弈思想，得到參與協(xié)同服務(wù)的節(jié)點(diǎn)群集的網(wǎng)絡(luò)效益期望結(jié)果為：

式（6）表示節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)對(duì)其鄰域節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力和節(jié)點(diǎn)的支付能力而變化，節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)越高，節(jié)點(diǎn)支付量越大，節(jié)點(diǎn)的服務(wù)成本同時(shí)增大。

綜合式（1）~式（6）得到協(xié)同服務(wù)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)效益博弈模型：

根據(jù)演化博弈理論，簡(jiǎn)化式（8），得到：

根據(jù)納什均衡穩(wěn)定求解的唯一性，協(xié)同服務(wù)節(jié)點(diǎn)群集旨在最大化網(wǎng)絡(luò)收益，因此，當(dāng)且僅當(dāng)式（9）滿足最大化而網(wǎng)絡(luò)支付函數(shù)低于網(wǎng)絡(luò)效益平均值。因此，博弈模型改進(jìn)模型為：

（10）

式（11）表示節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)受節(jié)點(diǎn)上信道資源通信的平均帶寬值與評(píng)定的帶寬值之商影響，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定均衡時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等級(jí)的值小于或等于服務(wù)節(jié)點(diǎn)的有效帶寬利用率。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了有效評(píng)價(jià)可信協(xié)同服務(wù)機(jī)制的有效性和可行性，展開節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)評(píng)價(jià)和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)收益狀況評(píng)價(jià)。兩組實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)評(píng)價(jià)主要基于5組隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的聚類過程，通過聚類過程完成博弈，在博弈結(jié)果中評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響；節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)收益狀況評(píng)價(jià)則側(cè)重于對(duì)比已有經(jīng)典信道分配策略如參考文獻(xiàn)[25]中的UACRR算法、參考文獻(xiàn)[29]中的DMP-MBA算法與協(xié)同服務(wù)機(jī)制資源分配模型，通過對(duì)比參數(shù)、結(jié)果綜合分析基于可信協(xié)同信道資源分配（dependable-cooperative channel resource allocation，DCCRA）策略的有效性。

實(shí)驗(yàn)基于MATLAB仿真平臺(tái)模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，通過數(shù)據(jù)擬合，給定5×5網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境的mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)初始帶寬范圍為50~100 Mbit/s。一方面分析無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為其鄰域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)服務(wù)時(shí)，產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)效益受服務(wù)等級(jí)影響的具體等級(jí)數(shù)量；另一方面針對(duì)不同信道分配策略和協(xié)同服務(wù)機(jī)制，分析在協(xié)同服務(wù)下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于能量消耗后的網(wǎng)絡(luò)收益狀況。

4.1 節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)評(píng)價(jià)

為了有效驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)協(xié)同資源分配的影響，在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)分布5組實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，每組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪?5個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信范圍在100 m×100 m。圖2結(jié)果即所有節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的通信域中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)較分散。圖3結(jié)果為5組節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)分別為1~5時(shí)的網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量結(jié)果，其中網(wǎng)絡(luò)帶寬的初始值范圍為54~100 Mbit/s。

在實(shí)驗(yàn)過程中，不同服務(wù)等級(jí)的節(jié)點(diǎn)上的有效網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化結(jié)果如圖3所示。根據(jù)式（11）所示，根據(jù)節(jié)點(diǎn)帶寬比值情況分析不同節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)，其中網(wǎng)絡(luò)吞吐量數(shù)據(jù)情況結(jié)果見表1。

表1 各組節(jié)點(diǎn)上平均網(wǎng)絡(luò)帶寬值數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3結(jié)果表明：

?? 所有節(jié)點(diǎn)在服務(wù)等級(jí)為3時(shí)，網(wǎng)絡(luò)有效帶寬值變化較其他服務(wù)等級(jí)更為平緩，而在此服務(wù)等級(jí)上得到的平均網(wǎng)絡(luò)帶寬值、各組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均收益高于其他服務(wù)等級(jí)情況；

?? 在服務(wù)等級(jí)<3時(shí)，有效網(wǎng)絡(luò)吞吐量的振動(dòng)幅度較其他幾種服務(wù)等級(jí)大，同時(shí)，5組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均網(wǎng)絡(luò)帶寬值沒有發(fā)生較大改變；

?? 在服務(wù)等級(jí)>3時(shí)，各組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效網(wǎng)絡(luò)吞吐量振動(dòng)幅度明顯提升，同時(shí)，5組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均網(wǎng)絡(luò)帶寬值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

從表1數(shù)據(jù)結(jié)果看，在每個(gè)隊(duì)列中，從初始化狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)上的有效帶寬值由頻繁抖動(dòng)趨于穩(wěn)定繼而再次頻繁。有效吞吐量結(jié)果中隊(duì)列1~隊(duì)列5均從由服務(wù)等級(jí)1開始上升，到服務(wù)等級(jí)3時(shí)結(jié)果穩(wěn)定，到服務(wù)等級(jí)5時(shí)逐漸頻繁。

初始狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)不斷聚類，將非協(xié)同節(jié)點(diǎn)剔除，完成協(xié)同信道資源的轉(zhuǎn)發(fā)，隨著服務(wù)等級(jí)的不斷升高，有效網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸提升；當(dāng)服務(wù)等級(jí)為3時(shí)，達(dá)到了最佳穩(wěn)定狀態(tài)，所有隊(duì)列中的網(wǎng)絡(luò)平均帶寬值均最優(yōu)；當(dāng)服務(wù)等級(jí)繼續(xù)提升時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的疲勞或者倦怠、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)資源的開銷增加，導(dǎo)致平均網(wǎng)絡(luò)帶寬值的不斷下降，因而網(wǎng)絡(luò)吞吐量出現(xiàn)抖動(dòng)。

服務(wù)等級(jí)為3時(shí)組各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)如圖4所示。

圖4結(jié)果表明，當(dāng)服務(wù)等級(jí)為3時(shí)，各組節(jié)點(diǎn)的有效網(wǎng)絡(luò)吞吐量均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，此時(shí)隊(duì)列3、隊(duì)列5中的節(jié)點(diǎn)聚集度最高，對(duì)應(yīng)的協(xié)同信道資源分配效果優(yōu)于其他幾組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定均衡狀態(tài)。

無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)性不僅體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不同服務(wù)等級(jí)上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)，對(duì)于協(xié)同信道資源的轉(zhuǎn)發(fā)也產(chǎn)生了較大影響。參考文獻(xiàn)[6]認(rèn)為當(dāng)協(xié)同服務(wù)的節(jié)點(diǎn)完成3跳時(shí)，其獲得的網(wǎng)絡(luò)有效聚合吞吐量達(dá)到最大。為了有效驗(yàn)證本模型中節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有效聚合吞吐量的影響，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)相關(guān)度公式，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。給予參數(shù)作為帶寬調(diào)節(jié)因子，滿足：

（13）

根據(jù)圖5結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

?? 當(dāng)5組節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)從1到5變化時(shí)，在所有節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)趨于3時(shí)，函數(shù)明顯平緩，而隨著跳數(shù)和服務(wù)等級(jí)的增加，函數(shù)結(jié)果發(fā)生較大抖動(dòng)，如圖5(a)所示；

?? 當(dāng)5組節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)為3的函數(shù)結(jié)果明顯平緩，而隨著節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)的增加、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的可信信道資源量增加，接口變化越來越快，節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)變化抖動(dòng)增加，如圖5(b)所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，得出結(jié)論：為了成功轉(zhuǎn)發(fā)可信協(xié)同資源并有效降低節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)開銷，節(jié)點(diǎn)最優(yōu)跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)均為3時(shí)，博弈效果最優(yōu)。

4.2 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)收益評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步分析信道分配策略有效性，通過相同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)比分析UACRR算法、DMP-MBA算法和DCCRA策略的有效性。由于UACRR算法、DMP-MBA算法均采用有限信道數(shù)量進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：初始狀態(tài)下給定12個(gè)信道資源，演化過程中參與服務(wù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量允許最大值為10 000個(gè)，仿真結(jié)果如圖6所示。

對(duì)于UACRR算法，當(dāng)節(jié)點(diǎn)服務(wù)等級(jí)為3時(shí)，節(jié)點(diǎn)群集的網(wǎng)絡(luò)資源收益達(dá)到峰值為6.56×105，但是節(jié)點(diǎn)能量歸一化結(jié)果變化不明顯；對(duì)應(yīng)的多條通信信道中，服務(wù)等級(jí)越高的節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)收益不一定越高，在收斂過程中節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)收益情況成離散狀態(tài)；協(xié)同服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量與協(xié)同服務(wù)等級(jí)成正比，但是協(xié)同服務(wù)等級(jí)高于3時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)收益逐漸下降；穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)收益曲線彎曲率在3種算法種最大，即能量損失最大。

對(duì)于DMP-MBA算法，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)在3~4時(shí)節(jié)點(diǎn)群集的網(wǎng)絡(luò)資源收益達(dá)到峰值為4.96×105，其能連歸一化數(shù)據(jù)收斂穩(wěn)定、連續(xù)，較UACRR算法有較小占優(yōu)。

對(duì)于DCCRA策略，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)在3時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)效益數(shù)據(jù)達(dá)到峰值為6.53×105；網(wǎng)絡(luò)歸一化結(jié)果與DMP-MBA算法相同，持續(xù)穩(wěn)定收斂；得到的網(wǎng)絡(luò)收益最大化網(wǎng)絡(luò)收益結(jié)果為100 Mbit/s，穩(wěn)定狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)收益曲線彎曲率在3個(gè)算法中最小，即能量損耗最??；對(duì)比圖6(a)、圖6(b)的結(jié)果，DCCRA算法增加了博弈理論分析節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定均衡狀態(tài)，因而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)收益最優(yōu)時(shí)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和收益是穩(wěn)定連續(xù)的；節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)收益符合博弈模型中的穩(wěn)定均衡環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)收益保持最優(yōu)狀態(tài)，有效提升了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

其中圖6對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)見表2。

綜合本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：3種無線資源分配策略中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)為3時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)收益均能達(dá)到峰值，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)UACRR算法的網(wǎng)絡(luò)收益最高，原因是該算法重點(diǎn)在于預(yù)留資源；但是從能量歸一化結(jié)果， DMP-MBA算法、DCCRA算法具有的能量損失較UACRR算法小，是因?yàn)樵撍惴A(yù)留資源需要產(chǎn)生大量開銷。

綜合分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袑?shí)際最大的任務(wù)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)收益結(jié)果，3種無線資源分配策略的節(jié)點(diǎn)平均網(wǎng)絡(luò)收益分別為：65.6、63.59、67.96，DCCRA算法收益是UACRR算法的1.04倍，是DMP-MBA算法的1.069倍，其具有的網(wǎng)絡(luò)收益分別較其他兩種算法的網(wǎng)絡(luò)收益更為穩(wěn)定和占優(yōu)。

表2 3種服務(wù)機(jī)制網(wǎng)絡(luò)收益數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)束語

基于無線mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)特點(diǎn)分析信道資源分配策略的關(guān)鍵，建立服務(wù)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)機(jī)制和協(xié)同信道資源的網(wǎng)絡(luò)博弈模型，以實(shí)現(xiàn)可信資源分配。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)與網(wǎng)絡(luò)收益情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可信協(xié)同信道資源分配的服務(wù)等級(jí)與節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)資源的跳數(shù)呈比例關(guān)系，且節(jié)點(diǎn)的服務(wù)等級(jí)在3時(shí)得到的網(wǎng)絡(luò)收益效果最優(yōu)；對(duì)比已有的經(jīng)典資源分配算法，DCCRA策略的網(wǎng)絡(luò)收益效果明顯占優(yōu)。數(shù)據(jù)結(jié)果均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用與不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可能存在偏差。

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Dependable-cooperative channel resource allocation scheme in wireless mesh network

LI Mingming1, YUE Guangxue2, DAI Shaoqing1, MA Bolin2

1．Jiaxing Vocational Technology College, Jiaxing 314001, China 2. Jiaxing University, Jiaxing 314001, China

For improving utilization of channel resources and service quality effectively in wireless mesh network, a dependable-cooperative channel resource allocation scheme was proposed. According to the adaptive features of mesh node, engaging game theory and establishing reputation mechanism to achieve dependable-cooperative of nodes, and channel resource allocation result was utilized. The comparison of this experiment proves the situation of service level and network utility of cooperative service. The result of it shows that networks benefit will be optimal when the cooperative service level is 3 and node hops synergies with the service level. Comparing with classic synergetic algorithm, with the same context of network topology, dependable-cooperative channel allocation strategy is clearly dominated with 1.04 on UACRR and 1.069.

wireless mesh network, reputation mechanism, cooperative service

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017128

2016?12?30；

2017?04?03

樂光學(xué)，guangxueyue_111@163.com

浙江省教育廳科技項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目（No.Y201636319）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. LY12F02019）；中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)“無線mesh網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究”

Zhejiang Provincial Science and Technology Fund of China (No.Y201636319), Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (No. LY12F02019), Central Government Support for Local Development Project “Research on Some Critical Technologies of Wireless Mesh Networks”

李明明（1988?），女，嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線mesh網(wǎng)絡(luò)等。

樂光學(xué)（1963?），男，博士，嘉興學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線mesh網(wǎng)絡(luò)等。

代紹慶（1972?），男，嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、分布式計(jì)算等。

馬柏林（1961?），男，博士，嘉興學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)分析與處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和智能計(jì)算。