CN106231647B - 基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在移动网络中进行副本分发的方法，采用了市场供需关系来确定转发副本的单位价格和转发副本数量。本发明提出了两种基于市场供需关系的机会网络多副本路由方法，分别称为单中继副本分发方法和多中继副本分发方法。在单中继副本分发方法中，源节点每次仅选择一个中继节点作为转发对象，适用于节点移动模式具有相似性的网络中；在多中继副本分发方法中，源节点每次可选择多个中继节点作为转发对象，适用于节点移动模式多样的网络中。本发明所述基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法是有利的，最大化源节点效用的和激励相容的。

Description

基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法

技术领域

本发明属于移动机会网络领域，涉及到利用节点移动实现消息副本转发的路由激励机制，尤其涉及一种基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法。

背景技术

近年来，越来越多的机会网络路由协议被提出。根据消息的副本数量可以分为单副本路由和多副本路由。在多副本路由中，每当节点间接触时就复制(可能是以一定概率复制或部分复制)消息到对方节点，故网络中存在多个节点携带该消息的副本。多副本路由技术以增加资源消耗为代价，提高消息发送率，降低传输时延。多副本路由技术在密集网络或高移动性网络中的表现明显好于其它类型的路由技术，因为在这类网络中普遍存在的节点间接触机会有利于消息扩散。典型的多副本路由协议有MRP、MV、Spray and Wait、PROPHET、MaxProp等。

在概率估计路由协议(Probabilistic Routing Protocol using History ofEncounters and Transitivity，PROPHET)中，每个节点维护一张与任何其他节点成功通信的预测交付概率表。当两节点相遇，通过交换各自的预测交付概率表，各节点更新自己概率表中与其他节点成功通信的概率。当对方节点与信息目的节点的预测交付概率高于自身与目的节点的预测交付概率时，该节点才会向对方节点传输信息。

在Chachulski等人提出的机会路由协议MORE(MAC-independent opportunisticrouting protocol)中，就是假设没有节点自私性，并且中间节点真实的提交传输损失概率情况下执行的，如果节点提交了一个比真实传输损失概率小的值，那么它的传输负载就会降低，整个网络的性能也会随之下降。

大多数的已有的机会路由协议都是假设所有节点都是愿意参与合作的，但是在机会网络中，存在一个现实的问题，就是移动节点的资源有限。例如节点的内存空间，电量，转发能力，以及一些其他的因素，都会导致节点倾向于自私而拒绝为其他的节点转发数据，这样的节点称为自私节点。自私节点的参与使得网络的整个性能严重受损，为此，节点间的协作和激励机制就显得尤为重要。为了激励节点合作,提高机会网络的总体性能，必须提出一种有效的激励机制促进节点为其他节点转发数据。

另一个问题是如何平衡消息的副本数和转发代价。在网络中分发更多的消息副本能提高消息的发送成功率，降低延迟。但分发消息副本需要消耗节点的能量，分发代价会增加。以往的研究往往通过网络条件，节点自身的上下文确定副本数量，忽视了转发副本带来的市场成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，解决在存在自私节点的机会网络中如何选择中继节点，如何确定转发的副本数量，如何确定副本单位价格以及如何计算支付数额的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，包括以下步骤：

步骤A.1)，源节点在一跳范围内广播消息副本分发请求；

步骤A.2)，设接收到该请求的节点集合为N，对任意候选中继节点i∈N，返回该节点的最长停留时间t_i；

步骤A.3)，源节点收到候选中继节点i∈N的返回后，在所有候选中继节点中选择提供最大t_i的节点作为中继节点；

步骤A.4)，源节点根据以下公式计算中继节点i的副本单位价格p(t_i)：

其中，源节点分发副本数量D和中继节点接收副本数量S由市场供需关系决定，D＝α-βp，S＝a+bp，α、β、a、b为常数，p为当前价格，α＞a，β＞0，b＞0；市场均衡价格

λ＝(b+β)k；p₀为市场价格初始值；

步骤A.5)，源节点根据以下公式计算分发副本数量L：

步骤A.6)，源节点根据以下公式计算支付给中继节点i的数额p_i：

步骤A.7)，源节点和中继节点i接触t_i时间，完成L个副本分发，源节点向中继节点支付报酬p_i；

步骤A.8)，源节点删除自身保存的消息，结束。

在该单中继副本分发方法中，定义源节点的效用为：

在单中继副本分发方法中，中继节点i的效用为：

其中，g为单位成本。

本发明还公开了另一种基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，包括以下步骤：

步骤B.1)，令中继节点集合

源节点在一跳范围内广播消息副本分发请求；

步骤B.2)，设接收到该请求的节点集合为N，对任意候选中继节点i∈N，可返回一个该节点的最长停留时间t_i；

步骤B.3)，源节点收到候选中继节点i∈N的返回后，在所有候选中继节点中选择提供最大t_i的节点作为中继节点，将i存入中继节点集合W；

步骤B.4)，源节点根据以下公式计算副本单位价格

其中，源节点分发副本数量D和中继节点接收副本数量S由市场供需关系决定，D＝α-βp，S＝a+bp，α、β、a、b为常数，p为当前价格，α＞a，β＞0，b＞0；市场均衡价格

λ＝(b+β)k；p₀为市场价格初始值；

步骤B.5)，源节点根据以下公式计算分发副本数量L_t：

步骤B.6)，源节点根据以下公式计算分发至每个中继节点i的副本数量L_i：

步骤B.7)，源节点根据以下公式计算支付给中继节点i的数额p_i：

步骤B.8)，源节点和中继节点i,i∈W之间接触t_i时间，完成L_i个副本分发，源节点向中继节点支付报酬p_i；

步骤B.9)，源节点删除自身保存的消息，结束。

在该多中继副本分发方法中，定义源节点的效用为：

在多中继副本分发方法中，定义中继节点i的效用为：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明所提单中继副本分发方法是有利的，即u₀≥0。

根据单中继副本分发模型，源节点的效用为：

当t_i＝0，u₀＝0；

当t_i＞0，此时u₀＝(r-p(t_i))(a+bp(t_i))，由于

而p(t)＝p_e+(p₀-p_e)e^-λt是随t单调递增函数，且有p(t→∞)＝p_e，因此得到r＞p(t_i)；

因此u₀＞0，综上，单中继副本分发方法是有利的。

2.本发明所提单中继副本分发方法是最大化源节点效用的。

令u₀＝(r-p(t_i))(a+bp(t_i))一阶导数为0，得到

即当

时，u0是关于p(t_i)的单调递增函数；

现在有

满足条件，又由于p(t)是关于t_i的单调递增函数；

因此，要最大化u₀只需要最大化t_i即可；

在本发明所提的单中继副本分发方法，源节点总是选择具有最大等待时间的候选中继节点作为中继节点，因此，可最大化源节点的效用。

3.本发明所提单中继副本分发方法是个人理性的，即u_i≥0。

根据单中继副本分发模型，中继节点i的效用为：

其中，g为分发副本的单位成本；

当t_i＝0，u_i＝0，当t_i＞0，u_i＝(p(t_i)-g)(a+bp(t_i))，当p(t_i)取最小值时，u_i取得最小值，由于p(t_i)在t_i＞0时是关于t_i的单调递增函数，当t_i＝1时，p(t_i)＝p_e+(p₀-p_e)e^-λ取得最小值，由于0＜g≤p_e+(p₀-p_e)e^-λ，可知u_i≥0，因此单中继副本分发方法是个人理性的。

4.本发明所提单中继副本分发方法是真实的，即节点i提交一个不真实的最长等待时间将不会提高自身的效用。

考虑如下两种情况：

情况1：节点i不是中继节点，则u_i＝0，若降低最大等待时间，节点i仍不能成为中继节点，u_i＝0；

情况2：节点i是中继节点，则有u_i＝(p(t_i)-g)(a+bp(t_i))，当t_i≥1时，该函数是关于t_i的单调递增函数，因此，降低最大等待时间，将使得u_i减小；

由于单中继副本分发方法在分发副本时需要的接触时间等于节点提交的最长等待时间，若实际不能等待所提交的最大等待时间，则节点的支付数额为零，效用将降低；

因此，单中继副本分发方法是真实的。

5.本发明所提多中继副本分发方法是有利的，即u₀≥0。

根据多中继副本分发模型，源节点的效用为：

当

当

此时

由于

而

是随

单调递增函数，且有

因此得到

综上，多中继副本分发方法是有利的。

6.本发明所提多中继副本分发方法是最大化源节点效用的。

根据多中继副本分发方法模型，源节点的效用为：

令

一阶导数为0，得到

即当

时，u0是关于

的单调递增函数。现在有

满足条件。又由于

是关于

的单调递增函数，因此，要最大化u₀只需要最大化

即可。在本发明所提的多中继副本分发方法，源节点选择所有候选中继节点作为中继节点，因此，可最大化源节点的效用。

7.本发明所提多中继副本分发方法是个人理性的，即u_i≥0。

根据多中继副本分发模型，中继节点i的效用为：

其中g为分发副本的单位成本；

当t_i＝0，u_i＝0，当t_i＞0，

只需要满足

即可，由于

在t_i＞0时是关于

的单调递增函数，当

时，

取得最小值，由于0＜g≤p_e+(p₀-p_e)e^-λ，可知u_i≥0，因此多中继副本分发方法是个人理性的。

8.本发明所提多中继副本分发方法是真实的，即节点i提交一个不真实的最长等待时间将不会提高自身的效用。

考虑如下两种情况：

情况1：节点i不是中继节点，则u_i＝0。若降低最大等待时间，节点i仍不能成为中继节点，u_i＝0；

情况2：节点i是中继节点，则有

当t_i≥1时，若其他候选中继节点提交的最大等待时间不变，该函数是关于t_i的单调递增函数，因此，降低最大等待时间，将使得u_i减小；

由于多中继副本分发方法在分发副本时需要的接触时间等于节点提交的最长等待时间，若实际不能等待所提交的最大等待时间，则节点的支付数额为零，效用将降低。

因此，多中继副本分发方法是真实的。

附图说明

图1是单中继副本分发方法流程图；

图2是多中继副本分发方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

首先对用到的几个名词做一个说明：

源节点：拥有消息并打算将将该消息的副本分发给其他节点的节点；

候选中继节点：在源节点发出分发请求时，在源节点一跳范围内并提交了返回信息的节点；

中继节点：接收副本的节点。

源节点拥有消息，并且需要将该消息的若干个副本分发至中继节点中。源节点此时在一跳范围内广播消息副本分发请求，收到该请求的邻居节点返回最长等待时间，源节点根据接收到的等待时间，计算副本单位价格、确定中继节点、计算分发副本数量、计算支付数额。源节点通知中继节点，然后中继节点等待约定的时间，完成副本传输。源节点支付报酬给中继节点。

本发明给出了一种单中继副本分发模型，方案如下：

源节点分发副本数量D和中继节点接收副本数量S由市场供需关系决定，其中D＝α-βp，S＝a+bp，α、β、a、b为常数，p为当前价格，α＞a，β＞0,b＞0。

令S＝D，求得市场均衡价格

令市场价格的变化率与剩余需求成正比，即

其中k为正常数，t为时间，化简得到

其中λ＝(b+β)k。

解上述微分方程，设市场价格初始值为p₀，且p₀＜p_e，得到p(t)＝p_e+(p₀-p_e)e^-λt。

对于给定中继节点i的最长停留时间t_i，副本单位价格为

源节点计算分发副本数量L的方法为：

支付给中继节点i的数额

在单中继副本分发方法中，定义源节点的效用为：

在单中继副本分发方法中，中继节点i的效用为：

其中，g为单位成本。

本发明基于上述单中继副本分发模型给出了一种基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，为单中继分发方法，实施流程如图1所示，具体步骤如下：

步骤A.1)，源节点在一跳范围内广播消息副本分发请求；

步骤A.2)，设接收到该请求的节点集合为N，对任意候选中继节点i∈N，返回该节点的最长停留时间t_i；

步骤A.3)，源节点收到候选中继节点i∈N的返回后，在所有候选中继节点中选择提供最大t_i的节点作为中继节点；

步骤A.4)，源节点根据公式(1)计算中继节点i的副本单位价格p(t_i)；

步骤A.5)，源节点根据公式(2)计算分发副本数量L；

步骤A.6)，源节点根据公式(3)计算支付给中继节点i的数额p_i；

步骤A.7)，源节点和中继节点i接触t_i时间，完成L个副本分发，源节点向中继节点支付报酬p_i；

步骤A.8)，源节点删除自身保存的消息，结束。

本发明还给出了一种多中继副本分发模型，方案如下：

源节点分发副本数量D和中继节点接收副本数量S由市场供需关系决定，其中D＝α-βp，S＝a+bp，α、β、a、b为常数，p为当前价格，α＞a，β＞0,b＞0。

令S＝D，求得市场均衡价格

令市场价格的变化率与剩余需求成正比，即

其中k为正常数，W为中继节点集合，t_i为中继节点i最长停留时间，化简得到

其中λ＝(b+β)k。

解上述微分方程，设市场价格初始值为p₀，且p₀＜p_e，得到

对于给定t_i，副本单位价格为

分发副本数量

分发到节点i的副本数量

支付给中继节点i的数额

在多中继副本分发方法中，定义源节点的效用为：

在多中继副本分发方法中，定义中继节点i的效用为：

本发明基于上述多中继副本分发模型给出了一种基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，为多中继路由方法，实施流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤B.1：令集合

源节点在一跳范围内广播消息副本分发请求；

步骤B.2：设接收到该请求的节点集合为N。对任意候选中继节点i∈N，可返回一个该节点的最长停留时间t_i；

步骤B.3：源节点收到候选中继节点i∈N的返回后，在所有候选中继节点中选择提供最大t_i的节点作为中继节点，将i存入集合W；

步骤B.4：源节点根据公式(4)计算副本单位价格

根据公式(5)计算分发副本数量L_t，根据公式(6)计算分发至每个中继节点i的副本数量L_i，根据公式(7)计算支付给中继节点i的数额p_i；

步骤B.5：源节点和中继节点i,i∈W之间接触t_i时间，完成L_i个副本分发，源节点向中继节点支付报酬p_i；

步骤B.6：源节点删除自身保存的消息，结束。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A.1)，源节点在一跳范围内广播消息副本分发请求；

步骤A.2)，设接收到该请求的节点集合为N，对任意候选中继节点i∈N，返回该节点的最长停留时间t_i；

步骤A.3)，源节点收到候选中继节点i∈N的返回后，在所有候选中继节点中选择提供最大t_i的节点作为中继节点；

步骤A.4)，源节点根据以下公式计算中继节点i的副本单位价格p(t_i)：

其中，源节点分发副本数量D和中继节点接收副本数量S由市场供需关系决定，D＝α-βp，S＝a+bp，α、β、a、b为常数，p为当前价格，α＞a，β＞0，b＞0；市场均衡价格

λ＝(b+β)k；p₀为市场价格初始值；k为预先设定的正常数；

步骤A.5)，源节点根据以下公式计算分发副本数量L：

步骤A.6)，源节点根据以下公式计算支付给中继节点i的数额p_i：

步骤A.7)，源节点和中继节点i接触t_i时间，完成L个副本分发，源节点向中继节点支付报酬p_i；

步骤A.8)，源节点删除自身保存的消息，结束。

2.基于市场供需关系的激励相容机会式副本分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B.1)，令中继节点集合

源节点在一跳范围内广播消息副本分发请求；

步骤B.2)，设接收到该请求的节点集合为N，对任意候选中继节点i∈N，可返回一个该节点的最长停留时间t_i；

步骤B.3)，源节点收到候选中继节点i∈N的返回后，在所有候选中继节点中选择提供最大t_i的节点作为中继节点，将i存入中继节点集合W；

步骤B.4)，源节点根据以下公式计算副本单位价格

其中，源节点分发副本数量D和中继节点接收副本数量S由市场供需关系决定，D＝α-βp，S＝a+bp，α、β、a、b为常数，p为当前价格，α＞a，β＞0，b＞0；市场均衡价格

λ＝(b+β)k；p₀为市场价格初始值；k为预先设定的正常数；

步骤B.5)，源节点根据以下公式计算分发副本数量L_t：

步骤B.6)，源节点根据以下公式计算分发至每个中继节点i的副本数量L_i：

步骤B.7)，源节点根据以下公式计算支付给中继节点i的数额p_i：

步骤B.8)，源节点和中继节点i,i∈W之间接触t_i时间，完成L_i个副本分发，源节点向中继节点支付报酬p_i；

步骤B.9)，源节点删除自身保存的消息，结束。

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