CN108282400B - 基于合作博弈论的dtn路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提及一种基于合作博弈论的DTN路由方法，包括：选择其中任意一个节点运行一基于纳什讨价还价解的博弈算法，计算得出关于该节点的一预设博弈区域范围内的每个节点对预设博弈区域范围内所有节点所携带的每个消息的转发能力、空间距离和效用距离积，进而获取该预设博弈区域范围内的每个节点对所有消息的转发优先级列表，最后广播该转发优先级列表至预设博弈区域中所有的节点；预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发。本发明将节点之间的分布式数据传输映射为一个多方博弈模型，能够灵活地控制消息的副本数，在多副本策略和单副本策略之间做一个很好的折中，实现较高的资源利用率和较低的丢包率。

Description

基于合作博弈论的DTN路由方法

技术领域

本发明涉及DTN网络领域，属于一种基于合作博弈论的DTN路由方法。

背景技术

容迟与容断网络具有间歇连接、频繁割裂、时延极高、非对称的数据速率、较高的误码率、异构互联等特点，传统的网络采用的路由协议难以有效应用在容迟与容断网络中。容迟与容断网路的代表性应用场景包括深空环境下行星际网络与空间传感网络；附着在动物身上的传感器组成的移动传感网；战场环境下的战术、战略移动Ad Hoc网络；高速行驶的车辆组成的车辆Ad Hoc网络等等。

DTN网络的路由策略根据存在网络中的单个消息的副本数可分为两大类：单拷贝路由策略和多拷贝路由策略。单拷贝路由策略可以减少资源浪费，降低网络开销，比如Direct Delivery，First Contact，CAR等。但由于机会网络节点拓扑结构变化频繁，所以采用单副本策略传输时延较长，也在一定程度上降低了消息的成功传输率。多副本策略大多采用洪泛原理，同时将一个消息的副本发送给多个节点，比如，具有代表性的Epidemic，Prophet，MaxPro等。但是，多副本策略消耗更多的网络资源，此外，多个节点间的带宽资源竞争也更加激烈，对于资源受限型DTN网络尤为严重。因此，不论单一的采用单副本路由策略或多副本策略都各有利弊，无法达到一个很好的折中。

针对此问题，Spray and Wait，Spray and Focus算法固定了消息的转发副本数。固定消息的副本数虽然可以缓解过多的冗余包对网络资源的消耗，并达到较高的成功传输率。但缺乏灵活性，无法灵活控制消息的副本数。此外，这些策略对于节点相互合作对拷贝数和资源利用率的影响考虑不足。节点之间的合作不仅可以有效利用有限的网络资源，而且可以减少没必要的消息冗余。因此在DTN网络中，设计一种路由策略，使得节点之间既可以相互合作有效利用节点资源，又能灵活控制消息拷贝数很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于合作博弈论的DTN路由方法，利用纳什讨价还价解来解决DTN网络节点间的合作问题，进而提出一种新的路由方法。该路由方法将节点之间的分布式数据传输映射为一个多方博弈模型。通过转发节点之间的相互合作，可以灵活地控制消息的副本数，在多副本策略和单副本策略之间做一个很好的折中。此外，该路由方法在消息转发过程中考虑了节点的资源和历史相遇概率，可以实现较高的资源利用率和较低的丢包率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于合作博弈论的DTN路由方法，该DTN网络中的所有节点的集合被定义成N＝{1，...，n}，节点产生的消息集合被定义成M＝{1，...，g}，所述方法包括：

选择其中任意一个节点运行一基于纳什讨价还价解的博弈算法，计算得出关于该节点的一预设博弈区域范围内的每个节点对预设博弈区域范围内所有节点所携带的每个消息的转发能力、空间距离和效用距离积，进而获取该预设博弈区域范围内的每个节点对所有消息的转发优先级列表，最后广播该转发优先级列表至预设博弈区域中所有的节点；

所述预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发。

进一步的实施例中，针对其中任意一个节点j在时刻t运行的博弈算法，包括以下步骤：

步骤1、确定节点j所对应的一跳邻居节点集合Q(j)和博弈区域LBZ_R(j)，其中，R为所有节点的通信半径，R＞0；

步骤2、通过节点j广播一探测包至其所对应的所有一跳邻居节点；

步骤3、接收所有一跳邻居节点反馈的确认信息、以及每个一跳邻居节点携带消息的ID列表、节点的历史相遇概率列表、和节点拥有的总缓存空间S_i和总带宽B_i；

步骤4、统计博弈区域LBZ_R(j)内参与博弈的消息数X＝{1，2，...，m}，分别计算每个博弈区域LBZ_R(j)内的每个节点i对每个消息k的转发能力、空间距离和效用距离积，其中，i∈LBZ_R(j)，k∈X；

步骤5、对每个节点关于前述m个消息的空间距离进行降序排列，并且确定分割点；

步骤6、获取每个节点对消息的转发优先级列表，并且通过节点j广播转发优先级列表给博弈区域LBZ_R(j)中所有的节点。

进一步的实施例中，所述方法还包括，根据下述公式计算t时刻节点i对消息k的转发能力c_i，k(t)和节点i对消息k的空间距离d_i，k，

其中，

α₁和α₂是权重因子，且满足α₁+α₂＝1；

P_(i，d(k))(t)是指t时刻节点i和消息k的目的节点d(k)之间基于历史相遇机会的预测概率；

b_i，k(t)是指t时刻节点i为消息k服务所消耗的带宽；

s_i，k(t)是指t时刻节点i为消息k服务所消耗的缓存。

进一步的实施例中，所述方法还包括：

所述P_(i，d(k))(t)满足下述公式，

P_(i，j)＝P_(i，j)old+(1-P_(i，j)old)×P_int

其中，P_(i，j)old是节点i和节点j之间的历史预测概率，P_int∈[0，1]是一个初始化的常数。

进一步的实施例中，所述P_(i，j)old满足下述公式，

P_(i，j)＝P_(i，j)old×γ^e

其中，γ^e∈[0，1)是一个度量常数，用以描述在传递中对传输预期值的影响大小。

进一步的实施例中，所述预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发方法遵循下述规则，

其中，

进一步的实施例中，所述博弈区域LBZ_R(j)被定义成LBZ_R(j)＝{j}∪{l|l∈Q(j)，distance(j，l)≤R，j≠l}

进一步的实施例中，步骤4中，对于重复相同ID的消息，只统计一次。

进一步的实施例中，所述方法还包括：

响应于节点转发过程中的两个目的节点为经过节点j的两跳邻居，且两者之间的通信距离大于R小于等于2R，调用节点j作为中间节点以实现两者之间的消息传输。

进一步的实施例中，其特征在于，所述方法还包括：

响应于算法启动，在一预设时间范围内采用传染路由策略以实现消息传输。

本发明的有益效果在于：

1)提高消息传输率。

2)优化资源消耗与时延：减少缓存规模和传输能量消耗，同时尽量减小传输时延。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的基于合作博弈论的DTN路由方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请书中：

Delay and disruption tolerance network：容迟与容断网络，是一种由于端到端缺乏稳定链路，导致传输时延较高，甚至绝大部分时间处于中断状态的一类网络环境。其典型的应用场景包括星际网络、战地网络、乡村网络、野生动物监控与追踪网络等。容迟与容断网络也可被称为DTN(Delay tolerance network)网络。

纳什讨价还价解：Nash bargaining solution，是纳什合作博弈的均衡解。纳什讨价还价解研究了人们达成合作时如何分配合作得到的收益，即收益分配问题。

结合图1，本发明提及一种基于合作博弈论的DTN路由方法，所述方法包括：

选择其中任意一个节点运行一基于纳什讨价还价解的博弈算法，计算得出关于该节点的一预设博弈区域范围内的每个节点对预设博弈区域范围内所有节点所携带的每个消息的转发能力、空间距离和效用距离积，进而获取该预设博弈区域范围内的每个节点对所有消息的转发优先级列表，最后广播该转发优先级列表至预设博弈区域中所有的节点。

所述预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发。

设计一个好的路由策略，不仅可以提高传输成功率，而且可以有效利用网络资源。本发明所提及的路由方法正是根据各个邻居节点的转发能力以相互合作地转发消息，并且灵活控制消息副本数，使得每个节点可以有效利用自身的转发能力为尽可能多的消息服务。

节点的转发能力是由两个因素决定的：节点估计的资源利用率和相遇预测概率。

基于前述理论，本发明提及一种针对其中任意一个节点j在时刻t运行的博弈算法，包括以下步骤：

步骤1、确定节点j所对应的一跳邻居节点集合Q(j)和博弈区域LBZ_R(j)，其中，R为所有节点的通信半径，R＞0。

步骤2、通过节点j广播一探测包至其所对应的所有一跳邻居节点。

步骤3、接收所有一跳邻居节点反馈的确认信息、以及每个一跳邻居节点携带消息的ID列表、节点的历史相遇概率列表、和节点拥有的总缓存空间S_i和总带宽B_i。

步骤4、统计博弈区域LBZ_R(j)内参与博弈的消息数X＝{1，2，...，m}，分别计算每个博弈区域LBZ_R(j)内的每个节点i对每个消息k的转发能力、空间距离和效用距离积，其中，i∈LBZ_R(j)，k∈X。

步骤5、对每个节点关于前述m个消息的空间距离进行降序排列，并且确定分割点。

步骤6、获取每个节点对消息的转发优先级列表，并且通过节点j广播转发优先级列表给博弈区域LBZ_R(j)中所有的节点。

步骤1中定义了博弈区域LBZ_R(j)，具体含义如下：

假设所有节点的通信半径为R(R＞0)，在节点j(j∈[1，...n]的传输范围内的节点集合为Q(j)。则节点j的以通信半径R的博弈区域(local bargaining zone(LBZ))被定义成LBZ_R(j)＝{j}∪{l|l∈Q(j)，distance(j，l)≤R，j≠l}。

即，博弈区域LBZ_R(j)是在某一个时间间隔中节点j和j的一跳邻居节点组成的集合。

下面我们先介绍本发明所提及的方法中，与节点转发能力相关的几个概念及其对应的计算方法。

(1)节点估计的资源利用率

为了便于描述，假设该DTN网络中的所有节点的集合被定义成N＝{1，...，n}，节点产生的消息集合被定义成M＝{1，...，g}。此外，定义二进制变量v_i，k(t)，用来标识在t时刻、消息k是否存储在节点i中，具体的，

本方法涉及的机会网络传输模型中，网络中节点的资源都是有限的。假设节点i(i∈N)总带宽和缓存空间分别表示为B_i和S_i。在任意时刻t，这个值是已知的。并且，节点i为消息k服务所消耗的带宽和缓存分别记为b_i，k和s_i，k。则在时刻t节点i估计的资源利用率可表示为：

其中，ω₁和ω₂是权重因子，表示节点对资源使用情况所占的比重，且满足ω₁+ω₂＝1，此外

是一个二进制变量，表示消息k在经过一段时间后是否还在节点i中，若还在节点i中，则其值为1，若不在，其值为0。

(2)节点对消息的相遇预测概率

当前节点与其他节点相遇预测概率的计算基于下述公式：

P_(i，j)＝P_(i，j)old+(1-P_(i，j)old)×P_int

其中，P_(i，j)old是节点i和节点j之间的历史预测概率，P_int∈[0，1]是一个初始化的常数。时间间隔越长，则它们在以后再次相遇的概率就会下降。

具体的，所述P_(i，j)old满足下述公式，

P_(i，j)＝P_(i，j)old×γ^e

其中，γ^e∈[0，1)是一个度量常数，用以描述在传递中对传输预期值的影响大小。该公式同时用以表示前述相遇概率的衰退过程。

(3)节点的转发能力

本发明所提及的方法设定如下，如果节点i转发消息k给节点j，意味着节点j比节点i对消息k具有更好的转发能力。

我们根据下述公式计算节点i对消息k的空间距离d_i，k和t时刻节点i对消息k的转发能力c_i，k(t)，

其中，

α₁和α₂是权重因子，且满足α₁+α₂＝1。

P_(i，d(k))(t)是指t时刻节点i和消息k的目的节点d(k)之间基于历史相遇机会的预测概率。

b_i，k(t)是指t时刻节点i为消息k服务所消耗的带宽。

s_i，k(t)是指t时刻节点i为消息k服务所消耗的缓存。

本方法采用基于空间距离的一种方法来解决多方纳什讨价还价博弈问题。此方法可以在确定均衡点时减少其计算代价。这个策略将节点对消息的效用值(节点对消息的转发能力)转换为一种空间距离，并根据这个空间距离决定每个消息应该被分发到哪个节点。节点对某一消息的效用值(转发能力)越高，则此节点距离该消息的空间距离就越短。因此，节点i对消息k的空间距离可以用下述公式来表述：

由此公式可知，所有博弈者对任意一个消息空间距离的和都是1。

路由策略的目的是在资源受限的DTN网络中找到一个可以有效控制消息副本数并最大化节点资源利用率的路由方法，即该方法可以最大化节点的传输能力。

在一些例子中，所述预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发方法遵循下述规则：

其中，

从上式可知，节点将会根据自身的转发能力尽最大努力地为更多的消息服务，从而使这些消息有更多的机会和更大的概率被传输到目的节点。需要注意一点，在任意时刻t，网络中存在的消息副本数可能大于一个，因为每个消息或副本可以被一个或多个节点携带。

为了实现这个目标，需要一种能最大化目标函数的消息分发策略，而纳什讨价还价解便是一种很有效的可以对资源进行分配的方法，对纳什讨价还价解的应用思路在于将消息在相遇节点之间进行的交换，映射为消息在节点之间根据他们适应度的分配，这种适应度便是节点的转发能力。

因此本方法将消息分发映射为一个多方博弈模型，网络中的节点作为博弈方，而消息则为博弈的商品，并试图找到一个纳什讨价还价解。根据此解，消息便可以分发到更适合的节点，且消息的副本数也可有效控制。

然而DTN实际网络中，节点之间消息的传播依赖节点的相遇机会，而节点是可能是有规律的(比如卫星)，也可能是完全随机的(比如车辆)，所以网络中节点的全局信息很难获取，而影响消息传输的主要是其相遇的邻居节点，因此需要采用分布式优化实现设计目标。

纳什讨价还价解采用的是中心管理方式，需要网络中的所有节点的全局信息才可以找到一个全局最优解。但在DTN网络中，局势瞬息万变，在抓取信息过程中，全局状态可能已经发生大的变动，因此本方法限制节点仅利用局部相遇的邻居节点信息进行纳什讨价还价博弈，具体的消息分发策略如下：

在定义了局部博弈区域之后，将在此区域内节点之间的消息分发映射为一个纳什讨价博弈。在此区域内的节点定义为博弈方，而这些节点所携带的消息定义为商品。如果能找到此博弈的唯一纳什讨价还价解，则按此方法对消息进行分发，且此分发策略是在当前情况下的最优解。

应当理解，本方法设计的路由策略基于以下假设：

1、存在一种方法使得两跳之内的节点之间都可以进行数据通信。

2、在彼此两跳范围内的节点同时运行此路由算法的概率非常小。

3、节点低速移动从而保证算法执行时它们不会很快的移出博弈区域。

例如，假设节点j在时刻t运行博弈算法，节点j首先确定它的一跳邻居节点集合Q(j)，并确定博弈区域LBZ_R(j)，继而在LBZ_R(j)内的节点之间进行纳什讨价还价博弈。

具体的，当节点j广播探测包给它的一条邻居节点时，每个收到探测包的邻居在发送确认信息时，将捎带自己携带消息的ID列表，节点的历史相遇概率列表，和节点拥有的总资源S_i和B_i给节点j。在节点j收到所有的消息列表后，便可以统计出在LBZ_R(j)内参与博弈的消息数X＝{1，2，...，m}(对于重复相同ID的消息，只统计一个)。节点j充当集中管理器，它将分别计算每个节点i∈LBZ_R(j)对每个消息，k(∈X)的转发能力，空间距离和效用距离积。之后，节点j分别对每个节点计算这m个消息所得的空间距离按降序排列，最后根据下述公式确定分割点，继而得到每个节点对消息的转发优先级列表。

之后节点j广播这个优先级列表给LBZ_R(j)中所有的节点，每个节点收到信息后便可知它们将它们携带的那些消息转发给相应的哪些邻居节点，是否需要复制消息，需要复制几分。

在一些例子中，消息的转发过程存在两个特例。

第一个特例

如果节点转发过程中的两个目的节点为经过节点j的两跳邻居，且两者之间的通信距离大于R小于等于2R，节点j将作为中间节点以实现两者之间的消息传输。即，假设本次消息转发的两个目标节点为节点i和节点h，i，h∈Q(j)，并且节点i和节点h为经过j的两跳邻居、R＜distance(i，h)≤2R，节点i和节点h之间传输消息将通过j帮助其转发。

第二个特例

在算法刚开始运行时，由于每个节点都没有历史预测概率，并且节点资源相对充分。在这种情形下，将采用传染路由策略。即，响应于算法启动，在一预设时间范围内采用传染路由策略以实现消息传输。

也可以设定为，在积累了一定的节点历史预测概率且节点资源紧缺时，换用本发明所提及的路由方法继续进行消息的转发。

在采用本方法对消息进行划分的过程中，如果节点i的消息k仅出现在一个邻居节点j+1的转发列表中，则证明节点j+1在这几个博弈者中是最适合转发消息k的节点。所以，节点i将消息k转发给节点j+1。如果节点k在后续参与的博弈中都被转发给一个节点并且到达目的。则此路由策略执行单副本策略。

如果节点i的消息k出现在两个或多个节点的优先级列表中，例如节点j+和j+2，节点i复制消息k的两个副本并转发到它的两个邻居j+1和j+2。在这种情形下，本路由方法执行多副本策略。

如果节点i的消息k没有出现在任何节点的优先级列表中，它在此次博弈中将继续被原始节点i携带，所以可以保证在博弈之后每个消息都至少被一个节点携带。

采用这种方式，本路由方法可以灵活地控制消息的拷贝数，并在单拷贝策略和多拷贝策略之间做一个很好的折中，有效利用节点的带宽和缓存资源。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于合作博弈论的DTN路由方法，该DTN网络中的所有节点的集合被定义成N＝{1,…,n}，节点产生的消息集合被定义成M＝{1,…,g}，其特征在于，所述方法包括：

选择其中任意一个节点运行一基于纳什讨价还价解的博弈算法，计算得出关于该节点的一预设博弈区域范围内的每个节点对预设博弈区域范围内所有节点所携带的每个消息的转发能力、空间距离和效用距离积，进而获取该预设博弈区域范围内的每个节点对所有消息的转发优先级列表，最后广播该转发优先级列表至预设博弈区域中所有的节点；

所述预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发；

针对其中任意一个节点j在时刻t运行的博弈算法，包括以下步骤：

步骤1、确定节点j所对应的一跳邻居节点集合Q(j)和博弈区域LBZ_R(j)，其中，R为所有节点的通信半径，R>0；

步骤2、通过节点j广播一探测包至其所对应的所有一跳邻居节点；

步骤3、接收所有一跳邻居节点反馈的确认信息、以及每个一跳邻居节点携带消息的ID列表、节点的历史相遇概率列表和节点拥有的总缓存空间S_i和总带宽B_i；

步骤4、统计博弈区域LBZ_R(j)内参与博弈的消息数X＝{1,2,…,m}，分别计算每个博弈区域LBZ_R(j)内的每个节点i对每个消息k的转发能力、空间距离和效用距离积，其中，i∈LBZ_R(j)，k∈X；

步骤5、对每个节点关于前述m个消息的空间距离进行降序排列，并且确定分割点；

步骤6、获取每个节点对消息的转发优先级列表，并且通过节点j广播转发优先级列表给博弈区域LBZ_R(j)中所有的节点；

所述方法还包括，根据下述公式计算t时刻节点i对消息k的转发能力c_i,k(t)和节点i对消息k的空间距离d_i,k，

其中，

α₁和α₂是权重因子，且满足α₁+α₂＝1；

P_(i,d(k))(t)是指t时刻节点i和消息k的目的节点d(k)之间基于历史相遇机会的预测概率；

b_i,k(t)是指t时刻节点i为消息k服务所消耗的带宽；

s_i,k(t)是指t时刻节点i为消息k服务所消耗的缓存；

所述博弈区域LBZ_R(j)被定义成：

LBZ_R(j)＝{j}∪{l|l∈Q(j),distance(j,l)≤R,j≠l}

2.如权利要求1所述的基于合作博弈论的DTN路由方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述P_(i,d(k))(t)满足下述公式，

P_(i,j)＝P_(i,j)old+(1-P_(i,j)old)×P_int

其中，P_(i,j)old是节点i和节点j之间的历史预测概率，P_int∈[0,1]是一个初始化的常数。

3.如权利要求2所述的基于合作博弈论的DTN路由方法，其特征在于，所述P_(i,j)old满足下述公式，

P_(i,j)＝P_(i,j)old×γ^e

其中，γ^e∈[0,1)是一个度量常数，用以描述在传递中对传输预期值的影响大小。

4.如权利要求1所述的基于合作博弈论的DTN路由方法，其特征在于，所述预设博弈区域中的所有节点根据接收到的转发优先级列表对自身携带的消息进行复制和转发方法遵循下述规则，

其中，

5.如权利要求1所述的基于合作博弈论的DTN路由方法，其特征在于，步骤4中，对于重复相同ID的消息，只统计一次。

6.如权利要求1所述的基于合作博弈论的DTN路由方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于节点转发过程中的两个目的节点为经过节点j的两跳邻居，且两者之间的通信距离大于R小于等于2R，调用节点j作为中间节点以实现两者之间的消息传输。

7.如权利要求1-6任意一项所述的基于合作博弈论的DTN路由方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于算法启动，在一预设时间范围内采用传染路由策略以实现消息传输。

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