CN105142228A - 无线自组织网络节点协作促进方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线自组织网络节点协作促进方法及系统，所述方法包括：对于无线自组织网络中的某一发送节点，获取t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率；根据所述t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率；在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。本发明所述的无线自组织网络节点协作促进方法，易于实现、算法复杂度低，能够有效提高无线自组织网络节点之间的协作。

Description

无线自组织网络节点协作促进方法及系统

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，具体涉及一种无线自组织网络节点协作促进方法及系统。

背景技术

自组织网络节点往往具有双重身份，其既是转发服务的提供者又是转发服务的使用者。实现数据的传输必须依赖于节点之间的互相协作，那么每个节点都需要承担网络转发功能，这说明节点间的协作机制是有效实现路由功能基础。由于自组织网络节点受到计算能力、存储空间、电池容量等因素的限制，出于节省节点资源的目的，其不愿意参与网络协作，表现为最大化的享受其它节点为其提供的服务且不愿意为其它节点提供服务，网络中的自私节点的存在将对网络传输性能造成影响；同时，由于无线信道的开放与共享，使得节点需要与其周围节点共享传输信道，而有些节点会发送大量数据占用信道，这种情况也会破坏正常网络传输。因此为了促进网络节点之间的协作，防止各种非法行为，必须设计适合无线网络环境的协作机制，来有效促进节点之间的协作。

现有的无线协作的增强方法分为基于支付/价格与基于声誉两种方法：

(1)基于支付的模式通过引入支付机制鼓励节点进行数据转发，基本原理为当中间节点转发数据后，将获取相应报酬用于自身数据的发送，从而一方面激励了网络中的节点进行数据转发，另一方面抑制滥发报文增加网络负载的行为，但过于复杂的机制、对于运行环境的要求及其衍生问题妨碍其广泛的应用。

(2)基于声誉的方法，也可以分为两种类型：直接观察与间接观察。在当前的声誉机制中，节点采集邻接节点的反馈信息并且聚合生成声誉值。该声誉值将用来判定节点，当节点其声誉值低于某一判定阈值时，其会受到惩罚(将被禁止参加路由转发)。

但现有的无线自组织网络的协作促进机制中面临以下几个问题：

(1)复杂性、可实现性问题，上述机制都能解决部分或某些方面的协作性，但其设计的出发点或运行的基础，可能是有效信道进行路由信息交换，或者是全面统一可信节点，这往往会造成实现困难，从而造成机制无法实现运行。

(2)目标全面性问题，协作机制不仅要能适用于促进自私节点参与转发，也要能防止恶意节点占用信道，以往的机制通常能解决某一方面的问题，这主要是由于目标的多样性会带来机制的复杂性，但对于自组织网络系统不可能运行两种方法来分别解决自私行为与恶意行为。

(3)有效性的问题，单一的刺激机制与惩罚机制都不能全面有效的解决自组织网络协作性问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供无线自组织网络节点协作促进方法及系统，能够有效提高无线自组织网络节点之间的协作，且该方法易于实现、算法复杂度低。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种无线自组织网络节点协作促进方法，包括：

对于无线自组织网络中的某一发送节点，获取t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率；

根据所述t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率；

在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。

其中，所述预设概率分配策略为：

$f_i^t=\left\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \max \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \min \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_{-}\\ \[\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \min \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_m\\ \max \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_{-}\end{array}\right.$

其中，P_high为预设的奖励阈值，P_low为预设的惩罚阈值；f_i ^t为t时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点对应的接收节点的转发动作概率；S_-表示不合作状态，S_m表示中间状态，S₊表示合作状态，表示 表示 表示

其中，所述预设的奖励阈值为所述预设的惩罚阈值为 $P_{low}=\frac{C_f}{\mathrm{\ρ}(G_f-C_f)+C_f};$

其中，G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；所述参与方为发送节点或接收节点，其中参与方进行丢弃动作所获得的收益与需要的成本开销为0；ρ表示数据包被成功传输的概率。

第二方面，本发明还提供了一种无线自组织网络节点协作促进系统，包括：

获取单元，用于获取t-1时刻某一发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率；所述发送节点为无线自组织网络中的某一发送节点；

确定单元，用于根据t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率；

处理单元，用于在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。

其中，所述预设概率分配策略为：

$f_i^t=\left\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \max \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \min \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_{-}\\ \[\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \min \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_m\\ \max \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_{-}\end{array}\right.$

其中，P_high为预设的奖励阈值，P_low为预设的惩罚阈值；f_i ^t为t时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点对应的接收节点的转发动作概率；S_-表示不合作状态，S_m表示中间状态，S₊表示合作状态，表示 表示 表示

其中，所述预设的奖励阈值为所述预设的惩罚阈值为 $P_{low}=\frac{C_f}{\mathrm{\ρ}(G_f-C_f)+C_f};$

其中，G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；所述参与方为发送节点或接收节点，其中参与方进行丢弃动作所获得的收益与需要的成本开销为0；ρ表示数据包被成功传输的概率。

由上述技术方案可知，本发明所述的基于概率分配策略的无线自组织网络节点协作促进方法，能够有效提高无线自组织网络各节点之间的协作。且该方法易于实现、算法复杂度低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的无线自组织网络节点协作促进方法的流程图；

图2是转发过程动作分析图；

图3是TSF_TFT背离过程变化图；

图4是本发明实施例二提供的无线自组织网络节点协作促进系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例一提供的无线自组织网络节点协作促进方法的流程图，参见图1，该方法包括如下步骤：

步骤101：对于无线自组织网络中的某一发送节点，获取t-1(t＞1)时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率。

步骤102：根据所述t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率。

在本步骤中，所述预设概率分配策略为：

$f_i^t=\left\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \max \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\∈S_{+}& f_i^{t-1}\∈S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \min \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\∈S_{-}& f_i^{t-1}\∈S_{-}\\ \[\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_{+}\\ \min \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_m\\ \max \[(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\]& f_{-i}^{t-1}\∈S_m& f_i^{t-1}\∈S_{-}\end{array}\right.$

其中，P_high为预设的奖励阈值，P_low为预设的惩罚阈值；f_i ^t为t时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点对应的接收节点的转发动作概率；S_-表示不合作状态，S_m表示中间状态，S₊表示合作状态，表示 表示 表示

其中，所述预设的奖励阈值为所述预设的惩罚阈值为 $P_{low}=\frac{C_f}{\mathrm{\ρ}(G_f-C_f)+C_f};$

其中，G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；C_s表示参与方进行发送动作所需要的成本开销，所述参与方为发送节点或接收节点，其中参与方进行丢弃动作所获得的收益与需要的成本开销为0；ρ表示数据包被成功传输的概率。

步骤103：在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。

本实施例提供的基于概率分配策略的无线自组织网络节点协作促进方法，能够有效提高无线自组织网络各节点之间的协作，且该方法易于实现、算法复杂度低。

其中，本实施例所述的概率分配策略为TSF-TFT(ThreeStateForward–TitForTat)策略，下面对本实施例所述的TSF-TFT策略的获取过程进行详细介绍。

在数据传输过程中，在发送节点发送数据包到数据包在到达目标节点之间会经历中间节点的多次转发，而每一次转发都包含两个参与方：发送方与接收方。下面就以其中一次转发为例，分析了节点在转发中的动作。

参见图2，发送节点为node_i，接收节点为node_j。对于发送节点node_i，其需要转发的(或期望转发的)的数据包总数为R_i，即node_j接收的数据包总数。在有线网络中中间节点会转发所有数据包，但在无线环境中由于节点的自主性，因此node_i并不会转发R_i中所有的数据包，即其可能会丢弃一些待转发的数据包D_i，最后能得到转发的数据包总数为F_i，如下等式(1)说明了其之间的关系。

node_i在整个过程中不仅包含丢弃、转发数据包的动作，而且会发送自身数据包，即其还包含发送动作，如图2中所示。因此对于接收节点node_j，其接收的数据包总数R_j，是由node_i发送的数据包S_i与成功转发的数据包F_i组成，如下等式(2)。

R_i＝D_i+F_i(1)

R_j＝S_i+F_i(2)

不同安全问题中，分析的动作对象会有所不同，如在自私行为检测中，分析的动作对象主要考虑转发动作与丢弃动作；而在恶意洪泛问题中，分析的对象往往是发送与转发。而基于转发过程的分析，模型所定义的动作操作更符合实际情况，因此模型将能适用于更多的应用场景。

定义转发博弈G＝(N，A，S，U)，其中N＝{i，j}，参与方node_i是发送方，参与方node_j是接收方。A代表双方的动作集，发送方node_i动作为a_i；接收方node_j动作为a_j，a_i,a_j∈{F,D,S}＝A。参与方所有可能选择的策略构成策略集S，发送方node_i策略表示为s_i，接收方node_j策略表示为s_j。U代表效用函数，具体取值见表1。

表1转发博弈效用函数表

表1中G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；C_s表示参与方进行发送动作所需要的成本开销。同时规定参与方进行丢弃动作所获得的收益与所需要的成本开销为0。

当该博弈为单阶段静态博弈时，当采用纯策略时，(D,D)为其纳什均衡，而(S,S)不是其纳什均衡。仅当G_f-C_f≥G_s-C_s时，即转发动作的纯获利大于发送动作的纯获利时，(F，F)为其纳什均衡，由于设计转发博弈的目的是鼓励节点多参与转发动作，因此G_f-C_f≥G_s-C_s。

而在混合策略下，发送方与接收方的动作都是混合动作，即其都是以一定概率来进行其动作集中的动作。发送方的混合动作(F,D,S)其发生概率分别为(μ,1-μ-ν,ν)，接收方的混合动作(F,D,S)其发生概率分别为(μ`,1-μ`-ν`,ν`)。并且定义ρ表示数据包被成功传输的概率。

1)对于发送方node_i采取混合策略，而此时接收方node_j分别采取动作F，D与S的期望收益分别为：

E_j(F)＝μρ(G_f-C_f)-νρ(G_s+C_f)；

E_j(D)＝0；

E_j(S)＝-C_s；

从等式中可以发现E_j(D)>E_j(S)说明其丢弃动作的期望收益要大于发送动作的期望收益，因此接收方会倾向于丢弃动作而不是发送动作。而当E_j(F)＝E_j(D)时有：

$\mathrm{\μ}=\frac{G_s+C_f}{G_f-C_f}v;$

而又有μ,ν∈[0,1]，且满足关系0≤μ+ν≤1，从而μ满足条件：

$0\≤\mathrm{\μ}\≤\frac{G_s+C_f}{G_s+G_f}$

时，E_j(F)＝E_j(D)才能存在。那么当时，接收方选择转发动作的期望收益将大于其它收益，其会选择转发动作F，这时也会导致发送方为追求期望收益最大化，选择动作转发动作F，从而形成纳什均衡(F，F)，因此当时，不存在混合动作的纳什均衡。

2)当接收方采取混合动作，而此时发送方采取动作F、D与S的期望收益分别为：

E_i(F)＝μ`ρ(G<sub>f</sub>-C<sub>f</sub>)-(1-μ`)C_f；

E_i(D)＝0；

E_j(S)＝μ`ρ(G<sub>s</sub>-C<sub>s</sub>)-(1-μ`)C_s；

因此可以发现，当接收方采用混合策略时，发送方的期望收益E_j(S)与E_j(F)仅与接收方转发动作概率μ`具有函数关系。

并且当E_j(F)＝E_j(D)时，

${{\mathrm{\&mu;}}^{`}}_{\&lsqb;1\&rsqb;}=\frac{C_f}{\mathrm{\&rho;}(G_f-C_f)+C_f};$

这说明此时，发送方选择转发动作F与丢弃动作D其期望收益是一致的，那么此时发送方将选择倾向于丢弃动作D；

当E_j(S)＝E_j(D)时，

${{\mathrm{\&mu;}}^{`}}_{\&lsqb;2\&rsqb;}=\frac{C_s}{\mathrm{\&rho;}(G_s-C_s)+C_s};$

这说明此时，发送方选择发送动作S与丢弃动作D其期望收益是一致的。但如果接收方的转发动作概率μ`<min(μ`_[1],μ`<sub>[2]</sub>)＝μ`_[1]时，发送方进行转发动作F与发送动作S的期望收益都小于0，因此其只会进行丢弃动作D，进而导致接收方选择丢弃动作D，形成纳什均衡(D，D)。

因此通过以上分析，可以得到两个结论：

A.在下列条件下不存在混合动作的纳什均衡：

对于发送方，当时不存在混合动作的纳什均衡；

对于接收方，当μ`<μ`_[1]时不存在混合动作的纳什均衡。

B.混合动作的纳什均衡存在，且受到下列条件限制：

当发送方的混合动作(μ,1-μ-ν,ν)满足条件接收方混合动作(μ`,1-μ`-ν`,ν`)满足条件

通过以上分析，发现在该转发博弈中存在着(D，D)、(F，F)与混合动作的纳什均衡。

这三种状态，(D，D)为不合作状态，为节点运行中对于非法节点所采取的惩罚动作；(F，F)为完全合作状态，为对节点中进行完全转发行为节点的奖励动作；混合动作的纳什均衡，这是节点正常运行的状态，在该状态中相关节点都能维持一定的转发动作概率，从而保证了整个网络的连接性；同时该状态又没完全限定节点的自主行为，其可以有一定发送动作与丢弃动作，更加符合实现运行的情况。

上述博弈分析都是基于单阶段博弈进行，而实际运行的转发过程则是在节点之间不断进行的过程，因此有必要基于重复博弈模型分析协作促进方式。

在重复博弈中，当参与方的动作是单纯动作时，参与方根据对方的动作所采取动作的策略有ALLD(总是丢弃)、ALLF(总是转发)、ALLS(总是发送)、TFT(TitForTat)，见表2。

表2策略名称定义与说明

当对方策略同样是ALLF或TFT时，其可以获得较高收益，但当对方背离时，采取ALLF策略的参与方其收益将明显下降。当双方策略都是ALLD或ALLS时，双方都采用相同的动作，追求动作相似收益一致，但收益值很差。当一方采用TFT策略时，另外一方采用ALLF或TFT策略时，双方能获得较好的收益。当某参与方采用ALLD或ALLS策略时，另一方采用TFT策略，可以通过同样的动作来防止其获得较高的收益。并且如果某参与方的动作由原先的转发动作变成丢弃动作，仅有TFT策略能有效对其背离行为进行惩罚。

为有效实现节点之间的协作，因此必须设计适合策略，满足下列条件：

C1.能有效促使参与方保持一定的转发率，从而使得节点参与网络转发协作；

C2.能通过提高对节点数据的转发率，实现对节点行为的奖励，而将(F，F)作为奖励方式最大化目标；

C3.能通过提高对节点数据的丢弃率，实现对节点行为的惩罚，而将(D，D)作为惩罚方式最大化目标。

同时，策略必须能有效适应对方动作的变化，改变自身动作，影响其收益情况。因此，通过对重复博弈中机制的分析，了解不同类型的策略，并明确了转发博弈所需策略的要求。

证明：存在惩罚阀值P_low与奖励阀值P_high。

假设在t阶段参与方i采取动作参与方j的动作并且为纳什均衡。此时对于f_i ^t有限定条件而在t+1阶段，其参与双方动作分别为与如果此时也为纳什均衡时，其一定符合混合平衡的存在条件，而由TFT策略，因此惩罚阀值与奖励阀值存在。

TFT策略存在的问题是在某些情况下无法很好的实现协作促进。因此，需要对TFT策略进行增强，具体方法根据转发动作概率划分三种运行状态，见表3。

表3三种协作状态

结合三种状态阶段的划分，将TFT策略扩展为TSF-TFT(ThreeStateForward–TitForTat)，其如下所示：

$f_i^t=\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ \&lsqb;\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\end{array};$

从上面可以看出，上述TSF-TFT策略可以防止振荡的发生，从而使得参与双方能很快达到平衡。

另外，上述TSF-TFT策略体现了对转发行为的奖励。由TSF-TFT策略的定义可知，其能够使得参与双方都能以相同或相近的转发概率来进行转发行为。当参与双方的都属于高合作状态时，双方都会选择其中最大的转发动作概率作为自己的转发动作概率，因此当一方选择进行更多的转发动作时，其影响将在下一个阶段传递到参与双方，从而使得双方更快的达到(F，F)平衡状态。当参与双方的都处于中间阶段S_m时，当一方选择增大其转发动作概率，在下一阶段其影响也会将传递到参与双方，促进整个博弈收益的提升。同样的情况也发生在参与方分别处于不同状态时。

此外，上述TSF-TFT策略还体现了对非法行为的惩罚。当参与双方的进行转发动作概率都小于P_low时，双方都会选择最小的转发动作概率作为自己的转发动作概率。其目的为防止因为策略原因造成的转发中断，也迫使非法行为的参与方也能进行一定的转发动作。但当一方继续减少其转发动作概率时，双方都将在下一阶段相应进行减少，从而使得双方更快的达到(D，D)平衡状态。在该策略中，不仅能实现对于丢弃数据的抑制，也能实现对于大量发送数据的抵制。

最后，上述TSF-TFT策略还体现了对背离行为的惩罚。当参与双方都能完全按照TSF-TFT策略进行动作时，双方都能从对方的行为中获益，但当其中一方背离了策略规定的动作时，策略必须也能对其进行相应的惩罚。背离分为两种，一种是参与方没有按照策略要求进行相应的转发动作概率，但其转发概率保持在相同状态，这时对方会依据其转发动作概率的变化，也适当调整自身的转发动作概率，因此策略能对这种情况进行响应。另一种就是参与方大幅度减少转发动作概率，以至其从一个状态调整为另一个状态并且坚持其行为，这种情况分为以下4种情况，参见图3。其中情况A、情况B与情况C都是参与方背离策略下调为相邻状态，这时可以发现对方当发生背离情况后，经过三个阶段调整对方与其动作保持相同状态，从而实现了惩罚；而情况D则是由合作状态S₊背离为不合作状态S_-，在这种情况下对应增加了一个调整阶段。因此在对于对方背离策略的情况，依据策略定义其可以进行有效响应，降低转发动作概率。

对于重复转发博弈，TSF-TFT策略能促使参与双方有效保持其平衡状态，保持稳定的转发动作概率，并且能对背离策略的行为进行惩罚；能通过提升双方的转发动作概率的方式，有效奖励参与合作的参与方，促使其达到更有效的平衡；同时对于不合作参与方，策略能要求其保持最低的转发动作概率，其意义在于对于非法节点，其它节点还能依赖其实现数据转发，并且在参与方持续进行非法行为时，能通过完全中断转发的方式对其实施惩罚。

综上所述，本发明为无线自组织网络设计了TSF-TFT策略，通过惩罚方法促使节点之间保持相互协作，能有效提高了无线自组织网络节点之间的协作。基于TSF-TFT策略的无线自组织网络节点协作促进方法易于实现、算法复杂度低。

此外，本发明基于TSF-TFT策略的无线自组织网络节点协作促进方法具有如下特点：

a、有效的理论证明。

以转发动作行为分析为基础，提出转发分析博弈，基于博弈分析将参与转发的节点按照其进行转发操作的程度划分为：不合作状态、中间状态与合作状态；并通过博弈分析证明了三种状态划分的正确性。三种状态的划分，对应三种不同的纳什平衡混合平衡为节点中间状态中的稳定状态，节点在转发、丢弃与发送动作中都保持一定概率；纳什平衡(F，F)为节点合作状态中奖励方式最大化目标；纳什平衡(D，D)为节点非合作状态中惩罚方式最大化目标。

b、合理的机制设计。

基于重复博弈的策略分析，提出TSF-TFT策略，可实现奖惩机制，促进节点的协作。与现有的协作促进机制相比，本发明所述的无线自组织网络节点协作促进方法，具有可实施性，避免复杂的实现过程与机制，避免了其它的协作促进机制中复杂支付交易或声誉计算，仅通过与相邻节点之间动作情况的分析，使节点自觉的参与协作或保持一定程序的转发动作；其次具有有效性，该策略克服原TFT策略的缺点，不仅能促进节点的转发行为，并且具备奖惩功能，即能奖励合作节点的转发行为，又能对非法节点实施惩罚，机制简单有效。

本发明实施例二提供了一种无线自组织网络节点协作促进系统，参见图4，包括：

获取单元10，用于获取t-1时刻某一发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率；所述发送节点为无线自组织网络中的某一发送节点；

确定单元20，用于根据t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率；

处理单元30，用于在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。

其中，所述预设概率分配策略为：

$f_i^t=\left\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ \&lsqb;\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\end{array}\right.$

其中，P_high为预设的奖励阈值，P_low为预设的惩罚阈值；f_i ^t为t时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点对应的接收节点的转发动作概率；S_-表示不合作状态，S_m表示中间状态，S₊表示合作状态，表示 表示 表示

其中，所述预设的奖励阈值为所述预设的惩罚阈值为 $P_{low}=\frac{C_f}{\mathrm{\&rho;}(G_f-C_f)+C_f};$

其中，G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；C_s表示参与方进行发送动作所需要的成本开销，所述参与方为发送节点或接收节点，其中参与方进行丢弃动作所获得的收益与需要的成本开销为0；ρ表示数据包被成功传输的概率。

本实施例所述的无线自组织网络节点协作促进系统可以用于执行上述实施例所述的无线自组织网络节点协作促进方法，其原理和技术效果类似，此处不再详述。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种无线自组织网络节点协作促进方法，其特征在于，包括：

对于无线自组织网络中的某一发送节点，获取t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率；

根据所述t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率；

在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设概率分配策略为：

$f_i^t=\left\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ \&lsqb;\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\end{array}\right.$

其中，P_high为预设的奖励阈值，P_low为预设的惩罚阈值；为t时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点对应的接收节点的转发动作概率；S_-表示不合作状态，S_m表示中间状态，S₊表示合作状态，表示 $f_{-i}^{t-1}\&Element;(P_{high},1\&rsqb;,f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m$ 表示 $f_{-i}^{t-1}\&Element;(P_{low},P_{high}\&rsqb;,f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}$ 表示 $f_i^{t-1}\&Element;\&lsqb;0,P_{ow})$ 。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设的奖励阈值为 $P_{high}=\frac{G_s+C_f}{G_s+G_f},$ 所述预设的惩罚阈值为 $P_{low}=\frac{C_f}{\mathrm{\&rho;}(G_f-C_f)+C_f};$

其中，G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；所述参与方为发送节点或接收节点；其中参与方进行丢弃动作所获得的收益与需要的成本开销为0；ρ表示数据包被成功传输的概率。

4.一种无线自组织网络节点协作促进系统，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取t-1时刻某一发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率；所述发送节点为无线自组织网络中的某一发送节点；

确定单元，用于根据t-1时刻该发送节点的转发动作概率以及该发送节点对应的接收节点的转发动作概率按照预设概率分配策略确定t时刻该发送节点的转发动作概率；

处理单元，用于在t时刻，根据所述t时刻该发送节点的转发动作概率对该发送节点的数据包进行转发。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预设概率分配策略为：

$f_i^t=\left\{\begin{array}{ccc}\max (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ P_{high}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{+}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ P_{low}& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \min (f_{-i}^{t-1},f_i^{t-1})& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\\ \&lsqb;\min \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1}),\max \left(\right(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,f_i^{t-1})\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{+}\\ \min \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{high}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_m\\ \max \&lsqb;(f_{-i}^{t-1}+f_i^{t-1})/2,P_{low}\&rsqb;& f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m& f_i^{t-1}\&Element;S_{-}\end{array}\right.$

其中，P_high为预设的奖励阈值，P_low为预设的惩罚阈值；为t时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点的转发动作概率；为t-1时刻所述发送节点对应的接收节点的转发动作概率；S_-表示不合作状态，S_m表示中间状态，S₊表示合作状态，表示 $f_{-i}^{t-1}\&Element;(P_{high},1\&rsqb;,f_{-i}^{t-1}\&Element;S_m$ 表示 $f_{-i}^{t-1}\&Element;(P_{low},P_{high}\&rsqb;,f_{-i}^{t-1}\&Element;S_{-}$ 表示 $f_{-i}^{t-1}\&Element;\&lsqb;0,P_{low})$ 。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设的奖励阈值为 $P_{high}=\frac{G_s+C_f}{G_s+G_f},$ 所述预设的惩罚阈值为 $P_{low}=\frac{C_f}{\mathrm{\&rho;}(G_f-C_f)+C_f};$

其中，G_f表示参与方进行转发动作所获得的收益；C_f表示参与方进行转发动作所需要的成本开销；G_s表示参与方进行发送动作所获得的收益；所述参与方为发送节点或接收节点，其中参与方进行丢弃动作所获得的收益与需要的成本开销为0；ρ表示数据包被成功传输的概率。