無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制的均衡傳輸方案

何 健

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定 527200)

0 引言

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)即“無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)”，它是多跳(multi-hop)網(wǎng)絡(luò)，是解決“最后一公里”問題的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。在多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，從移動(dòng)用戶到有限網(wǎng)絡(luò)的流量是經(jīng)由網(wǎng)關(guān)通過多無線傳輸訪問點(diǎn)(Transit Access Points，TAPs)進(jìn)行處理。然而，在現(xiàn)有MAC操作中，對(duì)于一些距離網(wǎng)關(guān)幾跳距離的用戶，其可能會(huì)遭受較低的吞吐量[2]。甚至?xí)捎诙嗵欣^、流聚合和底層MAC層機(jī)制而導(dǎo)致吞吐量饑餓情況。為此，需要可以確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中公平資源共享的解決方案[3]。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型見圖1。

圖1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的下行流量不能通過逐跳傳輸進(jìn)行聚合，因此當(dāng)前的研究[4-6]集中于上行流量。事實(shí)上，下行流量通過擴(kuò)散方式從網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)礁鱾€(gè)目標(biāo)TAP，因此，由流量聚合和TAP之間的競爭而導(dǎo)致下行流量出現(xiàn)問題的概率較小。然而，下行流量的量常常要大于上行流量，這是因?yàn)橐苿?dòng)用戶常常從有線網(wǎng)絡(luò)中下載數(shù)據(jù)。如果無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)(TAPs和網(wǎng)關(guān))為獨(dú)立實(shí)體，那么去往不同TAPs的下行網(wǎng)絡(luò)將會(huì)嚴(yán)重受到傳輸不均衡問題的影響[7-9]。迄今為止，極少有學(xué)者嘗試解決這一點(diǎn)上的均衡問題。文獻(xiàn)[10]提出了一種針對(duì)包含了自私TAPs的多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基于激勵(lì)的傳輸機(jī)制，但是僅考慮了上行流量。由于上行流量和下行流量的均衡機(jī)制的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題不同，所以現(xiàn)有機(jī)制不能適用于解決具有自私節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)下行和雙向流量的均衡傳輸問題?；诖?，提出了一種基于獎(jiǎng)勵(lì)的傳輸機(jī)制，該方法主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1)研究了自私TAPs和自私網(wǎng)關(guān)在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中如何影響雙向流量的均衡傳輸問題。

2)推導(dǎo)出了每個(gè)傳輸訪問點(diǎn)(TAP)的雙向目標(biāo)吞吐量，并提出了一種基于獎(jiǎng)勵(lì)的均衡傳輸機(jī)制，通過信用幣和代幣支付策略來鼓勵(lì)閑置TAP轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)使網(wǎng)關(guān)盡可能均衡地向TAP傳輸下行數(shù)據(jù)。

1 公平參考模型和虛擬信用幣

1.1 公平參考模型

很多研究已經(jīng)提出各種解決方案來解決無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中雙向傳輸?shù)木鈫栴}。然而，這些方案并沒有考慮公平訪問問題。要驗(yàn)證提出的基于獎(jiǎng)勵(lì)的均衡傳輸機(jī)制能否解決雙向傳輸?shù)墓絾栴}，首先應(yīng)該建立一套公平參考模型，為提出的機(jī)制提供理想基準(zhǔn)，推導(dǎo)出理想狀態(tài)下TAPs的客觀吞吐量。要建立這樣一個(gè)理想基準(zhǔn)，則要做到以下幾點(diǎn)。第一，公平的間隔尺寸為一個(gè)TAP-聚合流量，這是因?yàn)樘岢龅臋C(jī)制是從服務(wù)提供者而非移動(dòng)用戶的角度而設(shè)計(jì)的。第二，使用廣播時(shí)間取代吞吐量作為網(wǎng)絡(luò)中的資源從而避免IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)中的性能異常。一個(gè)TAP的目標(biāo)吞吐量與其鏈路容量成比例，為TAPs支付更多的操作者理應(yīng)擁有更高的鏈接容量，這對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的商業(yè)模式也合理。第三，在不考慮TAPs到網(wǎng)關(guān)距離的情況下，所有TAPs都應(yīng)當(dāng)分配到相同的時(shí)間。這在多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中是必要性能，因?yàn)椴煌恢蒙系腡APs不應(yīng)該由于其到網(wǎng)關(guān)的距離受到處罰，必須最大化空間復(fù)用從而保證鏈接得到充分利用。

1.2 虛擬幣假設(shè)

本文定義了兩種虛擬貨幣：信用幣和代幣。信用幣在多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中沒有實(shí)際的貨幣價(jià)值。當(dāng)TAP向前一跳TAPs轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)可獲得信用幣，當(dāng)其與局部移動(dòng)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)使用信用幣。該策略有助于鼓勵(lì)TAP參加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以此增加其信用幣的存量。對(duì)于TAP發(fā)送一個(gè)單位局部數(shù)據(jù)包所能獲得的確切信用幣數(shù)量，其是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)TAP-聚合流量的目標(biāo)吞吐量來確定的。與信用幣不同，代幣擁有實(shí)際貨幣價(jià)值。移動(dòng)用戶向處理其數(shù)據(jù)的相關(guān)TAP支付代幣，TAP向網(wǎng)關(guān)支付代幣來促使其盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)。另外，TAP和網(wǎng)關(guān)在負(fù)責(zé)交易代幣的中央銀行兌現(xiàn)各自的代幣。節(jié)點(diǎn)(即，用戶、網(wǎng)關(guān)和TAP)可通過可用鏈路與中央銀行進(jìn)行交流，中央銀行利用代幣不同的賣出和買入價(jià)格來從中獲利。其中，中央銀行通常屬于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者或設(shè)備提供者。

總之，該策略鼓勵(lì)TAP通過為其他TAP轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來增加信用幣存量，并通過發(fā)送數(shù)據(jù)到其局部移動(dòng)用戶來賺取代幣。本文假設(shè)每個(gè)TAP具備一個(gè)基于信任計(jì)算的防篡改模塊，該模型是通過轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來獲得信用幣，通過發(fā)送局部數(shù)據(jù)來消耗信用幣。因此，在提出的機(jī)制中，每個(gè)TAP 信用幣的生成和消耗均可以防篡改。

2 基于獎(jiǎng)勵(lì)的雙向均衡傳輸機(jī)制

2.1 獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中因自私節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的均衡傳輸問題已得到廣泛認(rèn)知，并且已經(jīng)提出一些支持節(jié)點(diǎn)間合作的機(jī)制[11-13]。這些機(jī)制大體可分為兩類：1)基于信譽(yù)的機(jī)制，其監(jiān)控每個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為并懲罰非合作節(jié)點(diǎn)；2)基于支付的機(jī)制，其引進(jìn)了一些虛擬貨幣來支持向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。然而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，收益主要來自于移動(dòng)用戶，而不是現(xiàn)有研究假設(shè)的TAPs或有線網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)。因此，上述基于信譽(yù)和基于支付的機(jī)制不能擴(kuò)展用于解決包含自私節(jié)點(diǎn)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的均衡傳輸問題。為此，本文提出的基于獎(jiǎng)勵(lì)的均衡傳輸機(jī)制兼顧了這些問題。

2.2 下行流量的均衡傳輸機(jī)制

先前的研究主要集中于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中上行流量的均衡傳輸問題，上行流量在中間TAPs丟棄數(shù)據(jù)包，然而幾乎所有的下行流量都在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行丟棄。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為自私時(shí)，用于上行和下行流量的均衡傳輸機(jī)制的也存在不同。對(duì)于上行流量，關(guān)鍵角色為中間TAPs，設(shè)計(jì)的傳輸機(jī)制必須鼓勵(lì)TAPs轉(zhuǎn)發(fā)所有傳輸數(shù)據(jù)并向其移動(dòng)用戶提供真實(shí)的數(shù)據(jù)速率。然而對(duì)于下行流量，網(wǎng)關(guān)才是機(jī)制設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)，這是因?yàn)樗袛?shù)據(jù)流量都必須從網(wǎng)關(guān)向無線Mesh網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。如果網(wǎng)關(guān)為自私的，就會(huì)造成中間TAPs的轉(zhuǎn)發(fā)問題，顯然，這種自私行為會(huì)造成下行流量的傳輸不均衡問題，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)控制了下行流量的整體性能[14]。因此，提出的新方法需要處理中間TAPs的轉(zhuǎn)發(fā)問題，并且促進(jìn)網(wǎng)關(guān)均衡地向不同TAPs傳輸數(shù)據(jù)。使每個(gè)TAP對(duì)其他TAPs的最優(yōu)策略為轉(zhuǎn)發(fā)所有傳輸數(shù)據(jù)，而對(duì)網(wǎng)關(guān)的最優(yōu)策略，則是根據(jù)不同TAPs到最近TAPs的吞吐量，來確定下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥男㏕APs。在提出的均衡傳輸機(jī)制中，每個(gè)TAP通過向鄰近TAP轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)單位傳輸數(shù)據(jù)獲得一個(gè)信用幣。為了賺取真實(shí)收益，TAPs必須收集足夠的信用幣來向其移動(dòng)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。向移動(dòng)用戶發(fā)送一個(gè)單位數(shù)據(jù)所需的信用幣數(shù)量并不固定為一個(gè)。此外，根據(jù)TAPs接收的吞吐量，其向網(wǎng)關(guān)支付代幣來確保網(wǎng)關(guān)會(huì)盡全力向無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸下行數(shù)據(jù)。TAPs向網(wǎng)關(guān)支付的接收一個(gè)單位數(shù)據(jù)所需的代幣數(shù)量也不固定，其是根據(jù)所有TAPs吞吐量的均衡指數(shù)來確定的。

TAPs也向通向網(wǎng)關(guān)的路由通道中的閑置TAPs支付代幣，當(dāng)TAPs和網(wǎng)關(guān)與銀行有較好的鏈路鏈接時(shí)，其可以在中央銀行兌現(xiàn)代幣。因此，在提出的均衡傳輸機(jī)制下，這種消耗信用幣和代幣的支付設(shè)計(jì)，是鼓勵(lì)自私TAPs轉(zhuǎn)發(fā)所有的傳輸數(shù)據(jù)，而網(wǎng)關(guān)必須盡力向網(wǎng)絡(luò)均衡地傳輸下行數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)的策略具體如下：

1)通過控制每個(gè)時(shí)期自動(dòng)產(chǎn)生的信用幣數(shù)量和TAPs向網(wǎng)關(guān)支付的代幣數(shù)量，并根據(jù)TAPs的目標(biāo)吞吐量，使網(wǎng)關(guān)盡可能均衡地向TAPs傳輸下行數(shù)據(jù)。

2)調(diào)整每個(gè)TAP發(fā)送一個(gè)單位數(shù)據(jù)到其移動(dòng)用戶所需的信用幣數(shù)量。用來確保每個(gè)TAP將會(huì)向其他TAPs轉(zhuǎn)發(fā)所有的傳輸數(shù)據(jù)。

3)向路由通道中閑置的TAPs支付代幣來鼓勵(lì)其參與到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中。

2.3 雙向流量的目標(biāo)吞吐量

首先，使每個(gè)TAP的下行和上行流量共享的時(shí)間一致，從而推導(dǎo)出多速率多權(quán)值Mesh網(wǎng)絡(luò)中雙向流量狀況下的TAPs共享的目標(biāo)時(shí)間。然后證明了當(dāng)TAPs可以控制下行和上行流量之間的比率時(shí)，下行和上行流量的目標(biāo)吞吐量的可行性(即，所有TAPs傳輸所有局部和傳輸數(shù)據(jù)所需時(shí)間為1，并且所有TAPs都有充足時(shí)間來傳輸所有傳輸數(shù)據(jù))。

(1)

其中:WTAPi為網(wǎng)絡(luò)中TAPi的權(quán)重。還需保證每個(gè)TAP有足夠時(shí)間來轉(zhuǎn)發(fā)來自前面TAPs的所有傳輸數(shù)據(jù)因此有：

?i,j∈Rf

(2)

然后，必須滿足下列方程式來獲得最大聚合吞吐量。

(3)

這里為了描述簡單，先假設(shè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中所有鏈接都有著相同的干擾范圍(即，只有一個(gè)鏈接可以在網(wǎng)絡(luò)中傳輸)。對(duì)于可以空間復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)，必須找到干擾范圍內(nèi)具有最多流量的瓶頸鏈接。ht為鏈接l上運(yùn)行的流量數(shù)，CLl表示鏈接l的干擾范圍內(nèi)鏈接的集合。然后瓶頸鏈接定義為具有最大∑l∈CLlhl值的鏈接。由于希望所有上行和下行流量都可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，所以用等式∑fF∑l∈CLktlf= 1表示瓶頸鏈接的時(shí)間份額。

根據(jù)公式(1)～(3)，可以將每個(gè)流量x的第一個(gè)鏈接的時(shí)間份額計(jì)算如下：

belong to TAPk(TAPm)

(4)

由于每個(gè)鏈接可能具有不同鏈路容量，所以確定每個(gè)鏈接上的每個(gè)流量的目標(biāo)時(shí)間份額如下：

is belong to TAPk(TAPm)

(5)

因此，具有雙向流量的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)TAP的目標(biāo)時(shí)間份額為下行和上行流量時(shí)間份額的總和：

flowx(f) is belong toTAPm

(6)

然而，在真實(shí)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，TAPs應(yīng)該有權(quán)控制上行和下行流量的比率。定義TAPi的上行和下行流量的時(shí)間份額如下：

(7)

(8)

(9)

根據(jù)公式(2)可以得出中間TAPs在考慮鏈路容量之后從TAPi轉(zhuǎn)發(fā)傳輸數(shù)據(jù)所需傳輸時(shí)間，如公式(10)和(11)所示：

(10)

(11)

然后，TAPi的上行和下行流量的目標(biāo)吞吐量為：

*Ci

(12)

(13)

2.4 提出的均衡雙向傳輸機(jī)制

(14)

其中:STi為流量穿過TAPi的TAPs的集合。

*(1±δ),thenω=ω,

otherwiseω=ωL,whereωL>ωL

(15)

為了從有限網(wǎng)絡(luò)向無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸下行數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)從網(wǎng)絡(luò)中所有TAPs處掙得代幣。對(duì)于雙向流量，公式如下：

*CTAPi*WTAPi/

CTAPi*WTAPi/(AdTAPi+AuTAPl)))2)

(16)

根據(jù)公式(16)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)根據(jù)TAPs目標(biāo)吞吐量傳輸下行流量時(shí)，AT_FI的值為1。結(jié)果，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)單位數(shù)據(jù)就從TAPs接收ζ*AT_FI個(gè)代幣。與前文描述的基于獎(jiǎng)勵(lì)的下行流量機(jī)制類似，TAPi向路由通路中閑置TAPs支付λ代幣來傳輸一個(gè)單位下行或上行數(shù)據(jù)。值得注意的是參數(shù)ω、λ和ζ之間的關(guān)系為ω>λ+ζ。

3 仿真評(píng)估

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本章利用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器評(píng)估了提出的雙向流量的均衡傳輸機(jī)制。重點(diǎn)關(guān)注雙向流量的機(jī)制是因?yàn)榭臻g限制以及雙向流量包括下行流量。圖2仿真模型是一個(gè)具有3個(gè)雙向流量的TAPs的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，處于兩個(gè)跳躍之外的TAPs位于載波檢測范圍內(nèi)。無線鏈接速率均設(shè)置為11 Mbps。這些仿真中使用的MAC協(xié)議是不具有RTS/CTS的IEEE 802.11 DCF。在接下來的仿真中假設(shè)TAPs可以通過交換信息學(xué)習(xí)移動(dòng)用戶的聚合流量負(fù)載。根據(jù)前面提到的設(shè)計(jì)原則，ω、ζ和λ的值分別為10、2和0.1/字節(jié)數(shù)據(jù)。提出的機(jī)制設(shè)定δ的值為5%。測量周期為1s。仿真中的所有TAPs都運(yùn)行雙向流量并且數(shù)據(jù)流量是數(shù)據(jù)大小為1000字節(jié)的UDP CBR流量。首先，所有TAPs飽和(即，總是有流量傳輸?shù)揭苿?dòng)用戶或從移動(dòng)用戶傳出)，并且TAPs的上行和下行流量的比率為：AuTAP1:AdTAP1=2:3，AuTAP2:AdTAP2=3:7，AuTAP3:AdTAP3=1:4。

圖2 具有3個(gè)雙向流量TAPs的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表1顯示，初始條件下每個(gè)TAPs的上行流量和下行流量的平均吞吐量分別為：583和460、433和390、85和405，均衡機(jī)制條件下分別為：302和446、225和520、154和592。基于原始802.11 MAC協(xié)議，雙向流量的平均吞吐量明顯不公平。相反，均衡傳輸機(jī)制下的仿真結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)置則十分接近。值得注意的是這里使用廣播時(shí)間替代吞吐量作為網(wǎng)絡(luò)中的資源從而避免IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)的性能異常。表2

表1 TAPs上行和下行流量的平均吞吐量

表2 每個(gè)流量的平均吞吐量

顯示了每個(gè)流量的平均吞吐量，每個(gè)TAP的目標(biāo)吞吐量大約為742字節(jié)，這與仿真結(jié)果十分接近。上行和下行流量間的比率也確認(rèn)了提出方法的配置。此外，仿真結(jié)果的平均吞吐量與公平參考模型下的目標(biāo)吞吐量也十分接近。

接下來本文討論了自私TAPs的不正當(dāng)行為，即其宣布處于忙碌狀態(tài)的錯(cuò)誤信息。表3分別顯示了TAP2在真實(shí)閑置和謊稱非閑置時(shí)，在真實(shí)非閑置和謊稱閑置時(shí)，其獲得的代幣。可以看出，當(dāng)TAP2為閑置時(shí)，在宣布閑置時(shí)TAP3將會(huì)支付其114.24個(gè)代幣來轉(zhuǎn)發(fā)其上行和下行流量。然而，如果其行為不當(dāng)或錯(cuò)誤宣布其忙碌，則TAP3和TAP2的移動(dòng)用戶將不會(huì)向TAP2支付代幣，這是因?yàn)門AP2忙碌，沒有數(shù)據(jù)從移動(dòng)用戶傳出或傳向移動(dòng)用戶。同樣，當(dāng)TAP2真實(shí)忙碌(即，其有來自于移動(dòng)用戶的局部數(shù)據(jù)要發(fā)送)，它將無法謊稱空閑。這是因?yàn)楫?dāng)其謊稱空閑時(shí)，其他TAPs的支付要遠(yuǎn)少于移動(dòng)用戶(即，ω>λ)的支付。

表3 TAP2在閑置和非閑置情況下獲得的代幣

4 總結(jié)

對(duì)于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中存在的自私節(jié)點(diǎn)問題，提出基于獎(jiǎng)勵(lì)的均衡傳輸機(jī)制來解決。再構(gòu)建公平參考模型，并推導(dǎo)出理想狀態(tài)下，每個(gè)TAP的客觀吞吐量并證明了每個(gè)TAP上行和下行流量目標(biāo)吞吐量的可行性。然后建立基于獎(jiǎng)勵(lì)的傳輸機(jī)制，最后，將均衡機(jī)制下的仿真結(jié)果與推導(dǎo)出的每個(gè)TAP的客觀吞吐量進(jìn)行比較，驗(yàn)證了基于獎(jiǎng)勵(lì)的均衡傳輸機(jī)制的可行性。此外，該網(wǎng)絡(luò)中沒有自私行為出現(xiàn)。

未來將會(huì)考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，例如多網(wǎng)關(guān)、多信道分配、負(fù)載平衡以及資源分配問題。

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