CN103152788A

CN103152788A - 一种基于博弈的vmimo协作路由方法

Info

Publication number: CN103152788A
Application number: CN2013100552996A
Authority: CN
Inventors: 谢鲲; 段申琳; 文吉刚
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: CN103152788B

Abstract

本发明公开了一种基于博弈的VMIMO协作路由方法，运行在自私无线多跳自组织网络中，依据自私节点所属的不同管理域或者节点间的共同兴趣，在网络中形成多个Group，每个Group并非无条件转发其它Group的数据，本发明在包含多个自私理性Group的无线网络中，设计协作节点选择方法，在Group内选择多个协作节点进行VMIMO协作传输，并设计了合理的博弈激励机制，在自私Group间进行博弈路由，该路由方法结合物理层VMIMO传输技术以及网络层的博弈路由方法，在达到数据包传输高能量有效性的同时，解决了自私网络中路由数据转发成功率低的问题。

Description

一种基于博弈的VMIMO协作路由方法

技术领域

本发明涉及无线网络和博弈论领域，具体为一种基于博弈的VMIMO协作路由方法。

背景技术

无线多跳自组织网络是一种动态自组织、自配置的多跳网络，它具有高度灵活性、健壮性、高带宽、易维护等特点。由于无线自组织网络节点能量有限，为了延长网络生命周期，研究能量节约的无线多跳自组织网络路由方法，是确保无线多跳自组织网络性能的关键。

现有的无线多跳自组织网络中的路由传输多基于SISO（single input andsingle output)传输方式，存在重传率较高，能耗较多等缺点。为了改善这种情况，研究人员们提出了将虚拟多输入多输出VMIMO(virtual multiple inputmultiple output)传输模式应用于无线网络中。在这种传输模式中，多个主机组合在一起构成一个虚拟多天线主机，多天线主机之间通过协作的方式传输数据，利用空间资源获得多路复用增益以及分集增益，使得网络数据传输成功率大大地提高。作为一种新的协作通信模式，协作VMIMO传输模式可以有效地提高信道容量并节省传输能量。

因此，为了减少无线网络的传输能耗，提高无线信道的传输成功率，我们使用虚拟多输入多输出（VMIMO）传输模式替代传统的单输入单输出（SISO）传输模式在无线网络中发送数据，将物理层VMIMO协作通信技术和网络层博弈路由方法结合，在无线多跳自组织网络中研究跨层VMIMO路由选择方案，提高数据转发成功率，并降低能量消耗。

然而，在实际的无线多跳自组织网络环境中，网络节点往往分属于不同的管理者，因此，节点具有一定的自私性，不可能完全无私地转发其它节点的数据。如果继续使用传统的路由方式，将会导致数据传输成功率大大下降，严重影响网络性能。因此，需要在一个自私多跳无线网络中设计基于协作通信的激励机制，激励节点合作传输数据，寻找协作路由路径。

本发明设计基于博弈的VMIMO协作路由方法，在了解网络参与者自身理性偏好的情况下，制定执行策略的激励，促使无线自组织网络中的自私参与者在系统制定的策略下，根据自己的理性偏好来选择策略满足网络数据转发高可靠性和低能耗的需求。

无线多跳自组织网络根据管理者不同，划分为多Group的网络结构，如图1所示，本发明首先使得每个Group选举多个节点形成VMIMO协作传输单元，由这些结点通过多路复用方式传输数据给下一跳Group。将VMIMO下的路由问题，建模为Group与Group之间的重复路由博弈问题，由每个Group的协作传输单元根据邻居Group的信誉度以及路由博弈收益来选择合适的下一跳，逐跳形成VMIMO协作路由。

设计自私网络中的VMIMO协作路由方法时，需要综合考虑VMIMO协作节点的选择，以及自私节点的理性偏好，在提高数据转发成功率的同时，降低传输能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于博弈的VMIMO协作路由方法，提高自私网络中数据转发成功率，并降低传输能耗。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于博弈的VMIMO协作路由方法，包括无线多跳自组织网络，所述无线多跳自组织网络包括多个自私Group，每个自私Group由同一管理域下的多个自私节点组成，所述各个自私Group间进行VMIMO协作路由，其特征在于，该方法包括自私Group内协作节点选择方法和自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法：

所述自私Group内协作节点选择方法为：

1）所述自私Group内的节点根据下列公式计算节点效益值P_ch：

P_{ch} = λN + (1 - λ) \frac{E_{R}}{E_{ch}}

其中N表示所计算节点的邻居节点数目，E_ch表示所计算节点的初始能量，E_R表示所计算节点本身当前的剩余能量，λ是平衡两个影响因子的系数，取值范围为[0,1]，λ值越大，表示邻居节点个数的变化对协作传输的效益值影响更大；λ值越小，表示剩余能量对协作传输的效益值影响更大；

2）节点广播自身节点效益值P_ch；

3）各节点收到邻居节点效益值后，将自己的效益值P_ch与其余N个邻居节点效益值进行比较，若节点自身的效益值最大，则节点将自己标记为主协作节点；

4）主协作节点在自己的一跳邻居节点中选择两个效益值最高的节点，共同组成自私Group的协作传输单元，协作传输单元构成VMIMO节点，相邻自私Group之间的VMIMO协作传输由协作传输单元完成；

所述自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法为：

1）需要发送数据的自私Group的协作传输单元评估其所有邻居自私Group作为数据转发下一跳的适用度，其中适应度计算公式为；

Fit=Trust×Pay，

Trust为待评估的邻居自私Group为本自私Group进行数据包传输的历史信誉度，而Pay表示在本轮博弈中待评估的自私Group转发数据能获得的收益；

2）发送数据的自私Group选择适应度Fit>ΔFit_next的邻居自私Group作为数据包传输的备选下一跳，其中ΔFit_next为适用度阀值；

3）如果上述备选下一跳有多个，则选择离目的节点最近的自私Group作为下一跳，然后本自私Group的协作传输单元将数据传输给该下一跳自私Group的协作传输单元；

4）接收到数据的自私Group的协作传输单元评估上一跳自私Group的适应度，其中上一跳自私Group的适应度Fit1计算公式如下：

Fit1=Trust1×Pay1，

其中Trust1为上一跳自私Group为本自私Group进行数据包传输的历史信誉度，而Pay1是指收到上一跳Group数据后本Group转发该数据所能取得的收益值；

5）如果上一跳自私Group的适应度值满足Fit1>ΔFit_last，则收到数据的自私Group就为上一跳自私Group转发数据，其中ΔFit_last为转发阈值。

在自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法中，每个Group的协作传输单元都维护了邻居Group的最近n轮对本Group所发送的数据包的处理记录，根据最近n次数据包处理记录，邻居Group为本Group进行数据包传输的历史信誉度计算如下

Trust = (Σ_{i = 1}^{n} f_{i} / n) \times 100 %,

其中f_i表示历史第i轮博弈中邻居Group数据包处理记录，如果邻居Group第i轮博弈中采取的行为为丢弃，则f_i=0，否则该邻居Group采取的行为为转发，取f_i=1；

在自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法中，每个Group转发上一跳Group的数据包都能获得收益值Pay，如果上一跳Group在前一次博弈中转发了本Group的数据包，则Pay＝R，如果上一跳Group在前一次博弈中丢弃了本Group的数据包，则Pay＝S，这里的R和S都是常数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在包含多个自私理性Group的无线网络中，设计协作节点选择方法，在Group内选择多个协作节点进行VMIMO协作传输，并设计了合理的博弈激励机制，在自私Group间进行博弈路由，该路由方法结合物理层VMIMO传输技术以及网络层的博弈路由方法，在达到数据包传输高能量有效性的同时，解决了自私网络中路由数据转发成功率低的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例网络结构示意图；

图2为本发明一实施例Group划分及协作节点选择后的网络示意图；

图3为本发明一实施例数据转发成功率随网络内部节点数目的变化趋势示意图；

图4为本发明一实施例传输能量消耗随传输距离的变化趋势示意图；

图5为本发明一实施例传输时延消耗随传输距离的变化趋势示意图。

具体实施方式

以下通过仿真实验的方式来说明本发明的具体实施方式，并通过与其他方法比较来验证本发明的有效性。仿真实验实现了两种基于博弈的VMIMO协作路由方法和两种基于博弈的SISO路由方法。其中，所实现的基于博弈的VMIMO协作路由方法包括：

第一种基于博弈的VMIMO协作路由方法为本发明所提出的基于博弈的VMIMO协作路由方法：即当网络中的自私节点根据自己的不同管理者或者相同的兴趣形成多个Group，使用协作节点选择方法在Group内部选择协作节点参与VMIMO协作通信，并在Group之间进行VMIMO数据传输，同时因Group是自私的，采用基于适用度的重复博弈方法进行Group之间的协作路由选择以及转发判断。

第二种基于博弈的VMIMO协作路由方法为基于TFT博弈的VMIMO协作路由方法：当网络中的自私节点根据自己的不同管理者或者相同的兴趣形成多个Group，使用本发明的方法在Group内部选择协作节点参与VMIMO协作通信，在Group之间使用TFT博弈取代本发明的基于适用度的重复博弈来进行协作路由，即网络中每个Group都执行“以牙还牙”策略，例如博弈双方A和B，若A上一轮丢弃B的数据，则B也将拒绝为A转发数据，如果A上一轮为B转发了数据，则B也会为A转发数据，Group之间采用这种TFT博弈策略进行协作路由转发判断。

所实现的基于博弈的SISO路由方法包括：

第一种基于博弈的SISO路由方法为将发明所提出的博弈路由机制运行在节点与节点之间：即在不划分Group网络的基础上，节点之间进行基于适用度的重复路由博弈，通过这种节点间重复博弈寻找路由路径。

第二种基于博弈的SISO路由方法为将TFT博弈路由机制运行在节点与节点之间：即在不划分Group网络的基础上，节点之间进行TFT博弈，通过这种节点间重复博弈寻找路由路径。

本发明在仿真实验中共实现了以上4种路由方法，分别标识为：RGGTG，TFTGTG，RGNTN，TFTNTN。

使用Java编程实现以上方法并进行仿真实验，如图2所示，由一个1000×1000的自私节点组成的无线多跳自组织网络，网络中的节点按照自己的管理者以及兴趣进行Group划分，并使用本发明所提出的协作节点选择方案进行VMIMO协作通信节点选择，实验过程中，设置初始能量E_ch为2×10⁴mj，设置参数λ值为0.5，网络节点在初始化过程中分布式地计算自己的邻居节点个数N，在网络运行过程中计算能量消耗以及节点剩余能量值E_R，并根据以上参数得出效益值P_ch，选取协作节点，在图中，矩形节点为协作节点，圆形节点为Group普通节点。在该实验图2中，共有800个节点存在于网络中。

本发明分别实现以上5种路由方法。图3所示为的数据转发成功率随网络内部节点数目的变化趋势，在整体趋势上来看，数据包的转发率会随着节点数目的增长而增加，RGGTG方法在节点数目超过600个以后，数据包的转发率达到了90%以上，并且在之后一直维持平稳水平，而TFTGTG方法也是在节点数目超过700个以后，其转发率就维持在70%以上的水平。本发明的路由方法比TFT博弈的转发率高出20%左右，造成这种现象的主要原因是本发明的路由方法是根据节点的适用度因素来判断下一轮的行为，适用度是基于信誉度来计算的，所以转发节点不会因为发送节点在当前一轮博弈的背叛而完全不给背叛节点机会（这种背叛可能是由于网络传输造成的失败），以后都不与它合作。只要节点的历史信誉度级别足够高，那么节点的当前轮博弈的背叛是可以被原谅的，但是TFT博弈方法不同，它坚持以牙还牙的原则，如果对方节点当前一轮背叛，那么本方节点就一定背叛，不给机会原谅对手的背叛，那么根据TFT的原则，这一组博弈节点在之后的网络生命周期之中，都不可能再有合作的机会，所以本发明的路由博弈方法比TFT的博弈方法宽容度好。

而节点与节点直接传输数据的转发率比Group之间传输数据的成功率要低的原因是，节点与节点之间直接传输数据，对网络的连通性要求比较高。当网络节点分布比较稀疏时，因为单个节点的信号传输范围有限，相对孤立的节点数目会直接影响网络的连通性，数目越多，数据包的转发率越低。这个结果也体现了VMIMO传输模式的优越性，使用VMIMO传输协议可以在一定程度上克服网络稀疏造成的网络分裂以及空洞问题。并且由于网络最大路由时限的限制，导致在节点与节点之间路由时，单播逐跳路由方法的延时较大，其路由不成功的可能性就随之增大，由此可见使用VMIMO协作路由方法还可以提高网络的实时性。

图4描述的是随着源节点与目的节点之间距离的改变，不同路由方法传输一个数据流的能耗。由图可知，由于协作通信的引入，基于博弈的VMIMO协作路由方法比节点之间的SISO路由方法要节能，RGGTG方法相对于RGNTN方法节能约57%左右，这充分地说明了协作通信可以大大地减小网络的能耗，使得网络的生命周期更长。

图5描述的是随着源节点与目的节点之间距离的改变，不同路由方法的平均时延。由图可知，RGNTN方法虽然比RGGTG方法的平均时延长约55%，但是却比TFTGTG方法的平均时延短约15%，而且在传输距离很短的情况下，RGGTG、RGNTN、TFTGTG方法的平均时延几乎一致。造成这种情况的原因是TFTGTG方法除了存在VMIMO的空间传输延时，还因为源节点所属Group的协作传输单元中，协作结点之间还存在互相通信备份数据的延时，并且VMIMO传输时需要加入一定的训练序列，由于编码效率的原因，导致了VMIMO传输的数据量将比SISO传输的数据量稍大，所以其传输的时延在跳数相差较小的情况下，比RGNTN方法的时延长。在源与目的节点之间距离很短的情况下，RGNTN、RGGTG和TFTGTG三种方法的时延几乎一致，这也说明了基于博弈的VMIMO协作路由方法在传输距离比较大，网络规模比较大的情况下更加适用。

因此，仿真实验结果表明本发明提出基于博弈的VMIMO协作路由方法可以有效地提高自私网络的数据转发率，节约网络传输的能耗，减少传输时延。

Claims

1.一种基于博弈的VMIMO协作路由方法，包括无线多跳自组织网络，所述无线多跳自组织网络包括多个自私Group，每个自私Group由同一管理域下的多个自私节点组成，所述各个自私Group间进行VMIMO协作路由，其特征在于，该方法包括自私Group内协作节点选择方法和自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法：

所述自私Group内协作节点选择方法为：

1）对所述自私Group内的节点，根据下列公式计算节点效益值P_ch：

P_{ch} = λN + (1 - λ) \frac{E_{R}}{E_{ch}}

2）节点广播自身节点效益值P_ch；

所述自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法为：

1）需要发送数据的自私Group的协作传输单元评估其所有邻居自私Group作为数据转发下一跳的适用度，其中适应度Fit计算公式为；

Fit=Trust×Pay，

Fit1=Trust1×Pay1，

2.根据权利要求1所述的基于博弈的VMIMO协作路由方法，其特征在于，所述自私Group间基于适用度的重复博弈路由方法中，邻居自私Group为本自私Group进行数据包传输的历史信誉度计算如下：

Trust = (Σ_{i = 1}^{n} f_{i} / n) \times 100 %,

其中f_i表示历史第i轮博弈中邻居自私Group数据包处理记录，如果邻居自私Group第i轮博弈中采取的行为为丢弃，则f_i=0，否则该邻居自私Group采取的行为为转发，取f_i=1，n为数据包处理记录的次数。