基于合作博弈論的水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)

王學(xué)敏，劉 敏，單志超

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和新型水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASNs）的發(fā)展，水下應(yīng)用研究得到長足的進(jìn)步。而水下應(yīng)用的發(fā)展又推進(jìn)水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的快速發(fā)展[1]。UASNs 由具備數(shù)據(jù)探測、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)用于執(zhí)行水下協(xié)作監(jiān)視任務(wù)[2]。UASNs 主要用于信息交換，例如，利用網(wǎng)關(guān)設(shè)備在規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)或外的節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息交換。針對網(wǎng)絡(luò)高度集中和擁擠的現(xiàn)狀，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中或具有多個天線系統(tǒng)的自組網(wǎng)絡(luò)中，分布式節(jié)點(diǎn)通過合作可以提升網(wǎng)絡(luò)性能。因此，合作通信的方法得到廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。水下通信面臨以下挑戰(zhàn)：首先，岸基無線通信協(xié)議無法直接用于水下節(jié)點(diǎn)；其次，水下網(wǎng)絡(luò)通信受高誤碼率、高傳播延遲、低傳播聲速、高腐蝕和帶寬不足等因素的限制。此外，路由向量中的惡意節(jié)點(diǎn)將會進(jìn)一步惡化合作通信。針對目前合作通信技術(shù)存在較少的現(xiàn)狀，有必要對現(xiàn)有的UASNs授權(quán)網(wǎng)絡(luò)提供有效的合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)UASNs的傳感器節(jié)點(diǎn)之間有效的合作，從而保證源—目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本文通過分析UASNs中節(jié)點(diǎn)合作的博弈策略，探究多權(quán)限網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。合作博弈是指根據(jù)雙人博弈模型來評估局中人的合作，并利用雙方在博弈中獲得的效用（支付）來確定彼此間的合作水平。本文首先介紹了影響UASNs 中合作的各種因素，圍繞安全性、可靠性、能耗性等方面，歸納了水下合作的類型，從不同的角度研究了現(xiàn)有UASNs合作技術(shù)。其次，分析了不同的合作博弈方法，對比它們在不同指標(biāo)上的性能。分析表明，基于合作博弈理論的水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下通信是可靠有效的。最后，還討論了UASNs的未來研究方向。

1 水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)

目前，水聲通信面臨能耗高、連接易丟失、安全性差、路由和協(xié)作不完善[3]等問題，導(dǎo)致UASNs 性能下降。影響UASNs合作通信的主要因素包括：水下傳感器節(jié)點(diǎn)能耗高，水下電池?zé)o法對其長期有效供電；聲音在水中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于射頻信號在空間中傳播速度；高頻傳輸損耗高，低頻環(huán)境噪聲高，限制聲道帶寬；水下傳感器節(jié)點(diǎn)容易因腐蝕和結(jié)垢而失效；水下傳播衰減和多徑效應(yīng)會使聲道嚴(yán)重受損[2]。這些因素限制了將現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）和移動自組網(wǎng)絡(luò)（MANET）機(jī)制應(yīng)用于UASNs。表1 總結(jié)了WSNs和UASNs之間的區(qū)別。

表1 WSNs和UASNs的比較Tab.1 Comparison of WSNs and UASNs

目前，針對如何實(shí)現(xiàn)合作通信已開展多項(xiàng)工作，但可靠性仍然是影響安全合作通信的重要因素[4]。事實(shí)上，只要源到目標(biāo)路徑中所涉及的合作節(jié)點(diǎn)支持?jǐn)?shù)據(jù)包的傳遞，就可以實(shí)現(xiàn)合作通信。但是，這種合作通信并不能保證數(shù)據(jù)包的可靠性[5]。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于合作算法的行為方法，利用裝有移動傳感器節(jié)點(diǎn)的水下自主航行器，通過遵循特定規(guī)則完成維持網(wǎng)絡(luò)連接的特定任務(wù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性，可以改善水下航行器的覆蓋率和連接損耗，還可以保護(hù)通信免受拒絕服務(wù)（DoS）攻擊。這種類型的合作算法通常取決于其他類型傳感器的某些信息的可用性，并且這些信息并不一定可靠和完整?；诤献鞯腢ASNs體系結(jié)構(gòu)[7]如圖1所示。

圖1 基于合作的UASNs體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Cooperative-based architecture of UASNs

由于水下通信介質(zhì)的獨(dú)特性，UASNs易受多種惡意活動的攻擊。例如，物理層上的干擾攻擊，鏈路層中的確認(rèn)欺騙攻擊或者漏洞攻擊以及網(wǎng)絡(luò)層中的選擇性轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 給出了惡意節(jié)點(diǎn)影響UASNs 中合作性能的示意圖[15]。圖中，節(jié)點(diǎn)S要向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R發(fā)送消息，節(jié)點(diǎn)S 選擇節(jié)點(diǎn)n1 作為中繼，并將數(shù)據(jù)包發(fā)往節(jié)點(diǎn)n1。該中繼在路由向量內(nèi)要朝向目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)n1最初將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)n4。由于節(jié)點(diǎn)n4是一個惡意節(jié)點(diǎn)，它會丟棄節(jié)點(diǎn)n1發(fā)來的數(shù)據(jù)包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)n1發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)n4是惡意的，就會向其所有相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，說明節(jié)點(diǎn)n4 是惡意的。此時節(jié)點(diǎn)n1 選擇節(jié)點(diǎn)n3 作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，最后通過節(jié)點(diǎn)n5將數(shù)據(jù)包中繼到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R。

圖2 包含21個節(jié)點(diǎn)和6個惡意節(jié)點(diǎn)的方案Fig.2 Scenario with 21 nodes with 6 malicious nodes

文獻(xiàn)[8]中提出了一種基于水下特定場景通信請求的自動重復(fù)方案，通過合作設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行源-目標(biāo)可靠路徑識別，并提供源—目標(biāo)間的備選路徑。當(dāng)收到錯誤（丟失或被丟棄）數(shù)據(jù)包時，接收器將請求從最近的合作節(jié)點(diǎn)重傳該數(shù)據(jù)包。但是，節(jié)點(diǎn)通過緩沖數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳將導(dǎo)致水下傳播的長延遲[9]，從而對自動重傳請求（ARQ）和停止等待（S＆W）協(xié)議產(chǎn)生影響。因此，該方案也不能保證水下合作通信的可靠性。在文獻(xiàn)[10]中研究了一種水下放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）和水下解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）的技術(shù)，可以改善不同配置通道的水下誤碼率性能。但是，沒有考慮能量損耗和在源-目標(biāo)路徑中存在多中繼節(jié)點(diǎn)的問題。文獻(xiàn)[11]引入了一種合作授權(quán)方法，可以最大限度地提高水下能量。但是，沒有考慮節(jié)點(diǎn)的移動性，這會導(dǎo)致動態(tài)拓?fù)浜投鄰絾栴}。文獻(xiàn)[12]介紹了通過協(xié)作傳輸?shù)亩鄻有詫?shí)現(xiàn)多跳通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究，與直接傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，具有更好的多跳性能。但是，該方法存在多節(jié)點(diǎn)干擾的問題。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種用于直接路徑的自動識別集中位置協(xié)同算法，該算法可以有效地實(shí)現(xiàn)水下場景的協(xié)同定位。文獻(xiàn)[14]介紹了一種用于協(xié)同傳感器網(wǎng)絡(luò)的自主分布式目標(biāo)跟蹤方法。但是，沒有考慮在檢測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和同時跟蹤大量傳感器時的移動節(jié)點(diǎn)問題，故不適合水下應(yīng)用。

文獻(xiàn)[16]提出的博弈分析（GTBA）是一種基于激勵的合作方法，旨在解決常規(guī)節(jié)點(diǎn)和惡意節(jié)點(diǎn)之間的合作問題。但是，GTBA忽略了不適合UASNs的惡意節(jié)點(diǎn)攻擊。文獻(xiàn)[15]提出了一種動態(tài)貝葉斯信令博弈（SRPDBG）模型來提高路由安全性，通過分析常規(guī)節(jié)點(diǎn)和惡意節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包成功轉(zhuǎn)發(fā)。但是，沒有解決UASNs 中端到端數(shù)據(jù)包傳遞的合作機(jī)制。文獻(xiàn)[17]采用博弈論方法解決了MANET中的網(wǎng)絡(luò)安全問題，防止高機(jī)動性傳感器節(jié)點(diǎn)間在合作時發(fā)生沖突。文獻(xiàn)[18]討論了實(shí)現(xiàn)認(rèn)證轉(zhuǎn)發(fā)的各種數(shù)字簽名方法的能量評估方案，采用PKC加密機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名的機(jī)密性和認(rèn)證，并對UASNs中使用的各種數(shù)字簽名方案進(jìn)行評估，但是其只關(guān)注了功耗效率。

2 水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的合作

UASNs 中合作通信的獨(dú)特性使得適用于MANET 和WSNs 的一些協(xié)議不能直接應(yīng)用于水下通信。文獻(xiàn)[19]對水下協(xié)同多跳通信中的傳播誤差進(jìn)行了分析，并研究了多跳通信的預(yù)期效益。UASNs的協(xié)作多跳通信[20]如圖3所示。

圖3 UASNs的協(xié)作多跳通信Fig.3 Cooperative multi-hop in UASNs

文獻(xiàn)[21]研究了一種基于編碼協(xié)作OFDM的水下動態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法，提出了一種基于選擇中繼和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的編碼協(xié)作機(jī)制。文獻(xiàn)[22]對UASNs最小二乘協(xié)同定位進(jìn)行了研究，以量化定位精度偏差。文獻(xiàn)[23]提出了用于UASNs 合作通信的移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集路徑，以提高地面站節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集效率。在文獻(xiàn)[6]中，作者研究了UASNs 中移動傳感器的自主協(xié)同問題，提出了一種新的協(xié)同算法，可獲得聲源定位的最小誤差。文獻(xiàn)[24]提出了利用合作通信的水下通信聲協(xié)同傳輸方案，降低了信道的限制并提高了水下聲信道吞吐量。

長傳播延遲和高誤碼率是影響UASNs 中可靠合作通信的主要因素。文獻(xiàn)[25]提出了多路徑功率控制傳輸（MPT）方案，在能效、延遲和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的低錯誤率方面提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。但是，MPT并沒有解決UASNs的長延遲問題。文獻(xiàn)[26]研究分析了一種實(shí)現(xiàn)協(xié)同通信的集群方法，采用協(xié)同合作的方式將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給集群頭（接收器）。但是，只能在相同參數(shù)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上工作。文獻(xiàn)[27]采用基于傳感器的存儲和特定應(yīng)用領(lǐng)域的跟蹤數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中記錄或存儲數(shù)據(jù)。但是，并未解決水下通信可靠性的問題。文獻(xiàn)[28]開發(fā)了一種協(xié)作存儲系統(tǒng)，最大化提高非連接的分布式節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的整體存儲能力。但是，沒有考慮將合作用于水下協(xié)同監(jiān)測。文獻(xiàn)[19]對多跳協(xié)作傳播進(jìn)行了分析，研究了多跳協(xié)同傳播中最常見傳播錯誤問題。但是，不適用于多通道環(huán)境，故也不適合水下場景。文獻(xiàn)[29]提出了水下監(jiān)測活動的傳感器-機(jī)器人協(xié)作技術(shù)，為電力導(dǎo)航提供控制支持，并可長期監(jiān)控水下機(jī)器人。文獻(xiàn)[30]提出一種綜合定位方案，通過傳感器中3 個移動組件（移動性、靜態(tài)和混合算法）對算法進(jìn)行分類。但沒有考慮節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作，可能會無法在UASNs中實(shí)現(xiàn)合作。

此外，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置識別是影響UASNs中可靠合作通信的重要因素。文獻(xiàn)[31]介紹了一種UASNs的自由定位方法，認(rèn)為現(xiàn)有的GPS定位方法不適合水下定位，采用UASNs主動約束可以解決不需要節(jié)點(diǎn)信息的GPS定位問題，提出在動態(tài)和靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)使用節(jié)點(diǎn)鄰接關(guān)系進(jìn)行定位的方法。但是，沒有考慮在水下通信的不同特征之間的合作，因而也不適合在水下進(jìn)行可靠合作通信。

3 水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的合作分類

UASNs中的合作類型分為基于信譽(yù)的合作，基于價格的合作和基于博弈論的合作，如圖4 所示。本文主要從合作博弈的角度進(jìn)行分析，歸納現(xiàn)有合作博弈理論在UASNs的應(yīng)用，探究有效的UASNs合作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)UASNs的可靠合作。

圖4 UASNs的合作分類Fig.4 Taxonomy of cooperation in UASNs

3.1 基于信譽(yù)的合作

采用信譽(yù)機(jī)制確定特定路由中單個節(jié)點(diǎn)的可信值，可以實(shí)現(xiàn)水下節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包成功轉(zhuǎn)發(fā)，也可以檢測對手的歷史決策行為，還可以對基于信任的不確定性下的未來預(yù)期行為進(jìn)行檢測[32]。在不同的應(yīng)用場景中，信譽(yù)機(jī)制能夠給出合作域中各類參與者間的可信度，也能夠采用基于規(guī)定閾值的懲罰方法來判別不可信節(jié)點(diǎn)，還能夠確定路由中不包含惡意節(jié)點(diǎn)的可信路由[33]。根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的行為，信譽(yù)合作可以評估對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的可信度，并將其用于檢測異常節(jié)點(diǎn)?？尚庞涗洷碛筛鞴?jié)點(diǎn)可信度構(gòu)成，每個節(jié)點(diǎn)都可以對其進(jìn)行維護(hù)。該表使用閾值來區(qū)分合作節(jié)點(diǎn)和行為異常節(jié)點(diǎn)[34]。當(dāng)涉及的節(jié)點(diǎn)獲得值高于閾值時，即為高可信度，可實(shí)現(xiàn)合作，該節(jié)點(diǎn)即為合作節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)獲得值低于閾值時，則為異常節(jié)點(diǎn)。因此，高可信度的合作節(jié)點(diǎn)可以作為將特定數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)[35]。基于信譽(yù)的合作又分為直接信譽(yù)合作和間接信譽(yù)合作。

3.1.1 直接信譽(yù)

在直接信譽(yù)系統(tǒng)中，特定節(jié)點(diǎn)對其他節(jié)點(diǎn)的行為進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測到的可信度計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)的可信度并將其存儲在可信表中。該節(jié)點(diǎn)對低可信度（低于閾值）節(jié)點(diǎn)進(jìn)行懲罰。通過網(wǎng)絡(luò)隔離而不是基于特定信譽(yù)系統(tǒng)對其進(jìn)行信息交換，即可以將這些低可信度節(jié)點(diǎn)檢測出來[36]。在文獻(xiàn)[37-38]中，作者采用特定節(jié)點(diǎn)選擇高可信度中繼節(jié)點(diǎn)作為下一躍點(diǎn)，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)可靠合作。文獻(xiàn)[37]提出了采用直接檢測來實(shí)現(xiàn)安全合作的方法。文獻(xiàn)[39]介紹了將節(jié)點(diǎn)行為的檢測范圍擴(kuò)展到多個躍點(diǎn)的方法。

3.1.2 間接信譽(yù)

文獻(xiàn)[40-41]介紹的間接信譽(yù)系統(tǒng)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的檢測行為是可周期交替的。在文獻(xiàn)[40，42-43]中，作者介紹了一種監(jiān)控模塊，可以持續(xù)檢測網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)的行為。該模塊可以檢測行為異常節(jié)點(diǎn)，并向其他節(jié)點(diǎn)報(bào)警。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)收到該警報(bào)時，將從列表中刪除這些異常節(jié)點(diǎn)。因此，異常節(jié)點(diǎn)就會逐漸與網(wǎng)絡(luò)隔離開來。雖然大部分常用的調(diào)整信譽(yù)方法都是線性[39]或非線性的[41]，但通過轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，單個節(jié)點(diǎn)仍可保持高可信閾值，無法被檢測。文獻(xiàn)[41]介紹了一種基于直接信譽(yù)信息方法，每個節(jié)點(diǎn)可以維護(hù)信譽(yù)等級和其他節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)信息。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于間接信譽(yù)方法，考慮間接信譽(yù)并可以調(diào)整信譽(yù)評級信息。文獻(xiàn)[44]提出了一種具有間接信譽(yù)兼容性的信譽(yù)信息評級，可以獲取對方節(jié)點(diǎn)的歷史行為，并且通過信譽(yù)信息來預(yù)測對方節(jié)點(diǎn)的預(yù)期行為。

3.2 基于價格的合作

憑借價格系統(tǒng)，基于價格的合作通過中間節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包從源轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)。與虛擬信用的交易服務(wù)類似，該合作技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包方式是由接收服務(wù)的節(jié)點(diǎn)“支付”提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的節(jié)點(diǎn)[44]。在基于價格的方法中，請求服務(wù)的節(jié)點(diǎn)對提供此類服務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行支付，該支付可以是點(diǎn)數(shù)、金錢或任何有價值的對象[45-48]。在文獻(xiàn)[45]中，Nuglet 是一種基于價格的方法，要求每次轉(zhuǎn)發(fā)操作都以Nuglet信用來管理交易服務(wù)。文獻(xiàn)[47]對如何使用和評估Nuglet信用進(jìn)行了研究，提出了用于促進(jìn)UASNs中節(jié)點(diǎn)間合作的評估價格方法。文獻(xiàn)[49]提出了一種防御方法，避免在提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)時發(fā)生欺騙，即節(jié)點(diǎn)可能會接收信用和拒絕服務(wù)，或者請求虛假服務(wù)的信用。文獻(xiàn)[45]分析了一種基于信任管理的入侵檢測環(huán)境下協(xié)同網(wǎng)絡(luò)資源分配的激勵方案，利用所提出的動態(tài)算法，構(gòu)建了相關(guān)的合作博弈，獲得了博弈的納什均衡。

3.3 基于博弈論的合作

博弈論是分析群體行為結(jié)果的有效方法之一。群體的局中人基本上是理性的。當(dāng)局中人選擇一種行動，在他對其他局中人偏好的判斷下，該行動可以將其結(jié)果最大化。博弈分析可以預(yù)測理性局中人之間的博弈結(jié)果。雖然局中人能提供確定博弈的信息和指示，但無法為已發(fā)現(xiàn)的問題提供具體的解決方案[50-55]。文獻(xiàn)[33]研究了各種博弈論方法及其對網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用的影響，為網(wǎng)絡(luò)安全中的大量問題提供解決方案。根據(jù)文獻(xiàn)[32]中“基于可信貝葉斯博弈是一種非零和博弈，其中局中人可以根據(jù)可信度和對手的估計(jì)值來計(jì)算每次行動的收益”，文獻(xiàn)[53]對UASNs 的各種博弈策略進(jìn)行了分類。

3.3.1 重復(fù)博弈

博弈論是用數(shù)學(xué)來表示多個局中人之間的決策現(xiàn)象[52]。為網(wǎng)絡(luò)提供最優(yōu)機(jī)制，在合作路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包中提供可靠性是其重點(diǎn)。在博弈中，由于局中人只關(guān)注自身在特定策略博弈中的預(yù)期收益，因此，所有局中人通常被認(rèn)為是完全理性的[56]。文獻(xiàn)[57]采用博弈論對局中人群體之間的互動行為建模作為重復(fù)博弈，分析了網(wǎng)絡(luò)資源的分布式搜索，采用非均勻的方式將每個局中人的成本聯(lián)系起來，研究哪種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更適用于促進(jìn)合作。通過對不完全信息的博弈建模，可以評估重復(fù)博弈的問題。由于這些不完整的信息博弈是動態(tài)的，基于信任公式[17]的理論概念博弈在隱私和信任方面總是存在權(quán)衡。某些形式的博弈類可以用于動態(tài)不確定性。其中，不確定性領(lǐng)域作為一個決策過程，可以在博弈中建模和展示[58]。文獻(xiàn)[59]提出了一種基于調(diào)度的路徑規(guī)劃算法，解決了旅行銷售員問題（TSP），提供了多節(jié)點(diǎn)通信并改善路徑選擇的性能。重復(fù)博弈允許局中人自私行為去獲得最大收益（納什均衡），并且對自私局中人沒有足夠的懲罰。因此，該嚴(yán)重缺陷使得重復(fù)博弈不能完全適用于改進(jìn)UASNs合作。

3.3.2 動態(tài)貝葉斯博弈

在文獻(xiàn)[60]中，作者提出了一種強(qiáng)化安全路由方案。該方案采用動態(tài)貝葉斯模型中的信令博弈概念，分析了惡意節(jié)點(diǎn)的常規(guī)策略配置以及如何保護(hù)節(jié)點(diǎn)免受匿名行為的影響。文獻(xiàn)[61]提出了一種安全分布式重編程協(xié)議（SDRP），采用基于身份密碼技術(shù)來減少基于安全重編程的各節(jié)點(diǎn)的存儲要求和通信。文獻(xiàn)[32]討論了貝葉斯博弈真實(shí)合作的收斂性，采用可信度概念分析博弈收益。文獻(xiàn)[62]給出了一種基于動態(tài)貝葉斯博弈概念的路由模型，從理論上分析了路由概念，填補(bǔ)了非同步?jīng)Q策和信息歷史之間的空白，并將其納入基于博弈論方法的理論路由建模過程。但是，沒有提供公用事務(wù)的不同效益函數(shù)和博弈中概率分布在不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)上的實(shí)際測試。因此，無法與現(xiàn)有工作進(jìn)行有效比對。文獻(xiàn)[63]提出了一種基于安全可靠的路由方案。該方案采用基于對方節(jié)點(diǎn)意見的動態(tài)貝葉斯博弈，建立了從參與節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的確認(rèn)機(jī)制。文獻(xiàn)[64]提出了一種基于互動博弈論、編碼理論和信任建立的博弈限制和合作方案。該方案在延遲、能耗以及路徑可用性等方面實(shí)現(xiàn)高效，但是無法提供節(jié)點(diǎn)之間的消息傳遞的可靠性。

在文獻(xiàn)[65]中，作者研究、分析和解決了計(jì)算機(jī)科學(xué)中不同應(yīng)用（例如移動和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）的大量隱私和安全問題。雖然這項(xiàng)工作僅涉及理論部分，但有助于利用博弈論去探究解決網(wǎng)絡(luò)安全問題[17]。文獻(xiàn)[66]提出了一種基于點(diǎn)定價動態(tài)博弈的訪問建模，對訪問點(diǎn)所有者和客戶端之間雙人博弈進(jìn)行了建模。但是，客戶端比訪問點(diǎn)所有者擁有更多的信息。大多數(shù)安全博弈類都定義為雙人策略博弈，其中一方將扮演試圖入侵并破壞系統(tǒng)以降低其性能的攻擊者。但是，由于動態(tài)貝葉斯博弈是一個n 人策略游戲，所有局中人都是理性的，喜歡采取有利于自身的行動。由于局中人必須與對手合作才能獲得最大的收益，并且局中人之間的合作程度與他們的收益程度成正比，即局中人合作越多，收益的程度就越高，反之亦然。因此，這類博弈非常適用于UASNs 中最大化合作。這里假設(shè)動態(tài)貝葉斯博弈的所有局中人都是理性的，在任何時候他們只關(guān)注最大化自身的預(yù)期收益。

3.3.3 進(jìn)化博弈

文獻(xiàn)[55]提出了進(jìn)化博弈理論（EGT）方法。通過研究信任決策及其動態(tài)，介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)（SNs）在選擇其行為時的演化過程。在文獻(xiàn)[67-68]提出了基于內(nèi)涵識別的方法。該方法采用了重復(fù)困境的特殊情境和進(jìn)化博弈，評估了意圖識別者和對手的內(nèi)部動態(tài)信任。此外，還利用直接交互方法來預(yù)測對手下一步行動，從而使其優(yōu)于重復(fù)困境的合作策略。文獻(xiàn)[69]提出了基于請求和認(rèn)證（ATRAM）的自適應(yīng)信任模型。該模型采用博弈論和對等體內(nèi)交互信息歷史，能保證移動對等網(wǎng)絡(luò)中安全數(shù)據(jù)的傳輸，而無須考慮每個對等節(jié)點(diǎn)是否可訪問信任信息和其他對等節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)信息。文獻(xiàn)[70-71]提出了一種博弈論分析。該理論規(guī)定了使用EGT適應(yīng)性和合作發(fā)展的因素，采用對等體間的零狀態(tài)信息和非零狀態(tài)信息（即信任值和風(fēng)險(xiǎn)）的假設(shè)，保證了對資源對等體建立連接請求的對等端具有優(yōu)先級。出于對性能和安全方面的考慮，該模型沒有充分解決節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包可靠性。此外，在這類博弈中，將局中人的理性行為可能與純策略相結(jié)合，可以增強(qiáng)其群體的特征。由于局中人是非理性的，因而該方法也不完全適用于UASNs合作。

3.3.4 討價還價博弈

討價還價博弈也稱納什討價還價博弈（NBG）。NBG 對問題建模通常用可能彼此合作的2 個局中人（競爭者）來表示。NBG 是基于2 個局中人之間的交互討價還價的概念為藍(lán)本，局中人要求相同的收益[72-73]。例如，通信網(wǎng)絡(luò)中的資源分配可以用討價還價博弈來建模，其中局中人的目標(biāo)是利用頻譜獲得相同利益，該利益將公平地分配給局中人。在NBG 中，如存在超過2 個局中人可用資源的多個請求，這些請求將被丟棄。但如可用資源不超標(biāo)，則這些請求可以完全實(shí)現(xiàn)。在NBG解決方案中，由于存在非合作局中人，導(dǎo)致帕累托效率低下。文獻(xiàn)[74]指出資源必須足以滿足2個局中人的要求。當(dāng)他們的所有請求被批準(zhǔn)時，其他請求將被丟棄，這是討價還價博弈的主要問題。因此，這類博弈也不完全適用UASNs中的合作。

3.3.5 聯(lián)盟博弈

局中人的最優(yōu)反應(yīng)是由對手選擇行為所決定的，該行為將使局中人最大化收益或?qū)崿F(xiàn)博弈的最大收益，即納什均衡[75]。納什均衡是支付矩陣中的向量，此時，2個局中人都達(dá)到了最大收益（即所有局中人達(dá)到其最大收益）。當(dāng)且僅當(dāng)單個局中人選擇的行為導(dǎo)致對手的收益或預(yù)期收益最大時，才能實(shí)現(xiàn)局中人的最優(yōu)反應(yīng)[76]。由于雙方都被認(rèn)為是理性的，局中人總是優(yōu)先考慮自己，就產(chǎn)生了偏見[77]。在聯(lián)盟博弈中，它可以是分區(qū)形式，也可以是戰(zhàn)略形式。在聯(lián)盟的分區(qū)形式中，局中人的數(shù)量將由聯(lián)盟價值決定，而與網(wǎng)絡(luò)的建立無關(guān)[56]。但是，由于這類博弈取決于參與博弈的局中人數(shù)量（聯(lián)盟依賴于局中人），而不是整個網(wǎng)絡(luò)的建立，因而也不完全適合UASNs的合作通信。

4 分析與討論

首先，討論了UASNs 中的合作問題。路由向量（源-目標(biāo)路徑）中存在惡意或異常的節(jié)點(diǎn)會降低網(wǎng)絡(luò)的性能。其次，通過查閱文獻(xiàn)，分析了影響UASNs合作的各種因素。同時，從不同的角度研究了UASNs中使用的各種合作技術(shù)，并提出了基于信譽(yù)、價格、博弈的水下合作的分類。通過使用不同的指標(biāo)對其性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明，合作博弈是UASNs 合作的有效方法，特別是動態(tài)貝葉斯博弈適用于UASNs中最大化合作。表2對不同博弈方法進(jìn)行了全面總結(jié)。根據(jù)研究，在表3中所示的所有指標(biāo)中，沒有任何方法完全具備高性能。在表3 中，“Y”表示該文獻(xiàn)考慮該問題并對其進(jìn)行解決，“N”表示該論文沒有解決該問題。

表3 對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行分析和評估，并對許多指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，為了實(shí)現(xiàn)UASNs 中的節(jié)點(diǎn)間高有效性，高效率和高可靠的合作，須要提供一種有效的合作機(jī)制。該機(jī)制將通過最大化數(shù)據(jù)包傳輸率、覆蓋率、自檢、安全性和可靠性來考慮所有性能度量，同時最小化能量消耗、延遲和路由開銷。

表2 合作博弈方法UASN中的總結(jié)Tab.2 Summary of cooperative game methods in UASNs

表3 基于滿足性能指標(biāo)對方法進(jìn)行評估和比較Tab.3 Evaluation and comparison of the approaches based on the performance metrics satisfied

5 結(jié)論與展望

本文對影響UASNs合作的不同因素進(jìn)行了綜述，從不同角度研究了UASNs中應(yīng)用的各種技術(shù)，并提出了水下合作的分類。分析了不同的博弈方法，并根據(jù)不同的指標(biāo)對其性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，合作博弈是UASNs 合作的有效方法。合作博弈要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)博弈規(guī)則的交互決定最佳選項(xiàng)，因而惡意節(jié)點(diǎn)需要使用博弈規(guī)則進(jìn)行交互。但由于惡意節(jié)點(diǎn)只需要宣布他們的可信或價格，交換消息就視其為可信良好的節(jié)點(diǎn)。因此，在惡意節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)并從正常節(jié)點(diǎn)竊取身份的情況下，基于信譽(yù)和價格的方法適用性不強(qiáng)?？傊?，合作博弈中固有的競爭將使惡意節(jié)點(diǎn)難以從其他傳感器獲得信任。

目前，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的性能指標(biāo)并沒有被充分研究。表2 列出了支持和實(shí)現(xiàn)UASNs 中的合作性能的指標(biāo)。因此，有必要對這些指標(biāo)作進(jìn)一步研究。下面給出合作博弈中需重點(diǎn)關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)性能。

1）可靠性是在UASNs 中傳感器節(jié)點(diǎn)間信息成功轉(zhuǎn)發(fā)和傳遞的重要保障。合作博弈需要考慮信息保護(hù)、數(shù)據(jù)包重復(fù)、路由冗余和維護(hù)等策略，以保證可靠性。目前，關(guān)于UASNs的大多數(shù)文獻(xiàn)中都缺少這種合作的關(guān)鍵組成部分。因此，需要提出一種將這種可靠性考慮在內(nèi)的合作機(jī)制。

2）在通信網(wǎng)絡(luò)中，效率是提供有效的合作方法并促進(jìn)局中人之間合作所必需的因素。研究發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)中沒有考慮到這方面的方案、方法或機(jī)制。合作或協(xié)作監(jiān)視活動需要有效的機(jī)制，以便在UASNs中成功轉(zhuǎn)發(fā)和傳遞數(shù)據(jù)包。效率還需要包括在合作博弈中，以使用確保有效傳遞信息的資源；如果沒有，那么這類信息傳遞的成本將增加，即延遲、吞吐量、信息的完整性等。集成可靠性和效率的合作博弈方法是構(gòu)建UASNs的服務(wù)質(zhì)量（QoS）模型的基礎(chǔ)。

3）由于網(wǎng)絡(luò)中可能存在試圖破壞、攻擊或危害系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)性能的惡意行為，因此需要一種激勵機(jī)制來影響和改變這些節(jié)點(diǎn)的行為。激勵是使節(jié)點(diǎn)對條件做出反應(yīng)以便獲得更多合作或改善網(wǎng)絡(luò)性能的一種方式。博弈總是以競爭為基礎(chǔ)激勵局中人。因而采用激勵機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)就可以參與更多的合作行動以改善網(wǎng)絡(luò)性能。激勵在協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)活動中是非常重要的手段之一，為UASNs 中的行為異常節(jié)點(diǎn)提供激勵，可確保局中人之間成功傳遞數(shù)據(jù)包。這些激勵將改善規(guī)則節(jié)點(diǎn)和異常節(jié)點(diǎn)的協(xié)作性能，從而加速UASNs中的協(xié)作數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程。

4）端到端認(rèn)證為參與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程提供安全保證，防止包中的數(shù)據(jù)受到異常節(jié)點(diǎn)的破壞。身份認(rèn)證在任何網(wǎng)絡(luò)中都十分重要，但是當(dāng)涉及合作博弈時，它可以在多種情況下實(shí)現(xiàn)。例如，它可以通過僅使用先前認(rèn)證過的單跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行本地身份認(rèn)證。而合作博弈還允許從端到端連接的角度實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。由于端到端認(rèn)證的過程同時伴隨可靠性、效率和激勵，因此，在將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)之前對其進(jìn)行認(rèn)證是合作的重要方面，從而保證通信網(wǎng)絡(luò)中源和目標(biāo)之間信息轉(zhuǎn)發(fā)的安全性。