CN117979381A

CN117979381A - 一种基于博弈论的改进无线自组织网络aodv路由方法

Info

Publication number: CN117979381A
Application number: CN202410083107.0A
Authority: CN
Inventors: 秦文虎; 胡仕成; 孙立博
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2024-01-19
Filing date: 2024-01-19
Publication date: 2024-05-03

Abstract

本发明提出了一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，具体方法分为三个步骤：第一步，修改AODV路由协议中RREQ信息帧中的保留位定义，将其中8bit用来存储节点度数据，1bit用来标识RREQ信息是否为重发送消息。第二步，网络节点基于节点自身的位置及通讯范围来估计自身的节点度信息。第三步，网络节点接收到RREQ消息时，如果是重发送的RREQ消息，如果是则以广播方式转发该消息；否则网络节点利用纳什均衡方法通过上一级节点的节点度和RREQ消息当前跳数计算转发RREQ消息的概率。第四步，增加RREP消息重传机制，增加RREP‑ACK定时器和重传次数。该方法解决了AODV路由协议中路由发现时可能会产生广播风暴，避免了中间节点转发RREQ消息网络分组过于冗余的情况。

Description

一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法

技术领域

本发明涉及无线自组织网络领域，具体涉及一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法。

背景技术

移动自组织网络作为一种不需基础设施支持、无中心、分布式、多跳传输的先进网络技术，具备传输可靠性高、抗毁自愈的优良性能，可以解决当前应用中要求的快速架设、平台移动、复杂环境，同时可以解决近年来越发重要的集群任务通信问题，已广泛应用于民用环境和军事领域中。

路由协议是无线自组织网络核心支撑技术，主要解决数据分组实时、可靠传输的问题。目前常见的无线自组织网络路由协议可以分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议这3种，3种路由协议中，按需路由协议因为路由开销小、不需要维护全网络信息等优点，倍受国内外研究者关注。在按需路由协议中，当源节点没有到目的节点的路由时，需要采用广播路由请求的方式开启路由发现过程，而路由发现过程的效率严重影响路由协议的整体性能，最简单的广播是洪泛，其思想是：节点接收到非重复的广播分组，随即重新广播分组。按需路由协议的路由发现过程中采用洪泛机制，容易导致广播风暴问题：大量的冗余、竞争和冲突浪费了网络带宽，消耗了节点的能量，严重影响了无线自组织网络的性能。

为了缓解广播风暴问题，科研人员提出了多种广播方案，这些广播方案可以分为确定广播方案和概率广播方案，确定广播方案在接收到广播分组的节点中选取一部分节点转发分组，该方案的不足是：一部分节点可能会因为多次承担广播任务而耗尽能量，导致网络连通性下降：另一方面，由于无线自组织网络拓扑的高动态变化，给转发节点的选取带来了困难。

概率广播方案中，网络中的所有节点以概率的方式转发分组，相比确定广播方案，概率广播方案在路由失败、网络攻击和动态拓扑条件下表现出更好的鲁棒性，概率广播方案中，节点转发概率如何获取是无线自组织网络广播协议亟需解决的关键问题之一。在本发明中利用节点的节点度结合博弈论中的静态博弈理论求解这个问题。

为此，本发明提出一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法。本方法首先根据本发明提出的节点度的估计模型估算节点的节点度，在该估计模型中考虑边界影响，采用分段函数的思想将广播区域分为中心、边和角区域，分别估算网络中节点在不同区域的节点度，避免了周期性广播Hello消息获取节点度导致的额外开销；之后，上一跳节点在发送RREQ路由请求封包时，将自身的节点度信息写入到该RREQ路由请求封包中；中间节点收到上一跳节点发来的RREQ路由请求封包时，中间节点采用纳什均衡计算转发该RREQ路由请求封包的概率，从而减少了路由请求分组广播过程中产生的大量的冗余、竞争和冲突，节约带宽资源，提高了路由发现过程中路由请求分组的广播效率。

发明内容

本发明针对无线自组织网络AODV路由协议路由发现过程中路由请求包过多的问题，提出了一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，以解决现有的泛洪广播或者确定广播方法中请求包过多而导致路由性能下降问题。本发明首先根提出了一种新的节点度估计模型，它考虑边界影响，采用分段函数的思想将路由请求转发区域分为中心、边和角区域，分别估算网络中节点在不同区域的节点度。除此之外，本方法采用静态博弈转发策略，通过纳什均衡获得节点转发路由请求分组的转发概率，从而减少了路由请求分组广播过程中产生的大量的冗余、竞争和冲突，提高了路由发现过程中路由请求分组的广播效率。

为了达到上述目的，本申请实例采用下述技术方案：

一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，包括以下步骤：

S1、在RREQ消息封包中添加上一跳节点的节点度信息与RREQ消息是否为重发送标志。对AODV路由协议中RREQ信息帧的保留位定义进行修改，将其中8bit用于存储网络节点的节点度数据，1bit用来标识RREQ信息是否为重发送消息，其中节点度数据用于步骤S3的转发概率计算，重发送消息标志位用于标识重新发送的REEQ消息。

S2、网络节点根据节点度估计模型估计自身的节点度。无线自组织网络中的网络节点基于节点自身的位置及通讯范围计算其占整个无线自组织网络通讯覆盖面积的比例，来估计自身的节点度信息。

S3、中间节点接收到RREQ消息封包时，计算转发该RREQ消息封包的概率。当中间节点接收到上一级节点的路由请求时，节点首先判断是否重新发送的REEQ消息，如果是则以广播方式转发该消息；否则使用RREQ消息封包中添加的上一级节点的节点度信息和当前跳数，利用纳什均衡方法来计算转发该请求分组的概率。具体地说，中间节点可以将转发请求分组看作是一个策略选择问题，其中每个节点都试图最大化其自身的收益。在这种情况下，中间节点可以将转发请求视作为静态博弈，并利用纳什均衡计算出其策略选择所带来的期望收益。如果该概率高于某个阈值，则中间节点将转发该请求分组，否则丢弃该请求分组。

S4、修改发送REEP消息的sendReply函数，添加REEP消息重传机制。目的节点收到REEQ消息时，首先根据REEQ消息中的源节点序列号更新到源节点的反向路由表，之后回复REEP消息。如果在一定时间内没有收到源节点回复的REEP-ACK消息且REEP消息重传次数未超出限制，则重传REEP消息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的修改AODV路由协议中RREQ信息帧中的保留位定义，将其中8bit用于存储网络节点的节点度数据，1bit用来标识RREQ信息是否为重发送消息，当中间节点接收到RREQ消息时，可以根据节点度数据字段获取上一跳节点的节点度信息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中的一种考虑边界影响的节点度估计模型，该节点度估计模型基于节点自身的位置及通讯范围计算其占整个无线自组织网络通讯覆盖面积的比例来估计自身的节点度信息，与传统的通过Hello消息探测邻居节点数量相比，其不需要频繁发送接收Hello消息，对通讯资源的消耗小。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的中间节点转发RREQ消息封包时当中间节点接收到上一级节点的路由请求时提供的退化机制，节点首先判断是否重新发送的REEQ消息，如果是则以广播方式转发该消息，可以避免因概率广播方式广播REEQ消息时，可能造成的无法抵达目的节点的问题。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的中间节点转发RREQ消息封包时计算转发概率的方法，在该方法中中间节点并不是以固定概率转发RREQ消息封包，而是根据上一跳节点的节点度和RREQ消息跳数进行计算。该方法将网络数据包转发过程建模成静态博弈过程，参与转发RREQ消息的节点，以概率P做出转发该数据包的策略和概率(1-P)做出不转发该数据包的策略，在做出决策时，并不知道其他节点的策略，参与博弈转发的节点之间没有关于博弈信息的交换，节点自身通过纳什均衡方法求得节点的转发RREQ消息的概率P。本发明的有益效果在于：本发明方法的通用性非常强，可以在许多不同的情境下使用，相比目前的概率广播方案，该方法解决了AODV路由协议中路由发现时可能会产生广播风暴，避免了中间节点转发RREQ消息网络分组过于冗余的情况，从而提高了无线自组织网络资源利用效率。

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，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，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是无线自组织网络区域划分图。

图2是无线自组织网络区域详细划分图。

图3是节点通讯风险示意图。

图4是节点处于S₁区域。

图5是节点处于S₂区域。

图6是节点处于S₃区域且O₃D>R。

图7是节点处于S₃区域且O₃D<R。

图8是REEQ消息生成与发送流程图。

图9是REEQ消息处理与转发流程图。

图10是REEP消息生成与发送流程图。

图11是本发明的整体流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案、使用说明和特点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例对本申请技术方案进行更完整地描述。所描述的实例仅是本申请一部分实例，而不是全部的实例，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供了一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，具体包括以下步骤：

(一)对无线网络节点活动区域进行划分

假设节点在整体网络范围内符合随机分布，如图1所示，本发明中，将无线网络节点运动的区域划分为核心区域和边缘区域，实线矩阵的区域即为整个无线自组织网络范围，无线网络节点在该区域内随机运动，虚线区域即为核心区域。需要说明的是，边缘区域的宽度l即为无线网络节点的通讯范围R。

在核心转发区域外扩展宽度为l的边缘区域，网络节点的通讯范围用R表示，则边缘转发区域宽度l满足公式(1)：

l＝R (1)

其中R为网络节点的通讯半径。

(二)利用节点度估计模型对节点度进行估计

在转发区域划分的基础上，再将转发区域细分为中间、边、角这3个区域，分别用S₁、S₂和S₃表示，如图2所示：

可以看出整个无线网络节点活动区域生成的转发区域又细分为3个区域，这里划分的目的是根据不同的区域来估计网络节点的节点度。

由于在整个无线网络节点活动区域内，网络节点的分布可以近似认为是均匀分布，因此可以根据节点的通讯范围位于转发区域的面积大小来估计节点的度，而节点的通讯范围可以认为是一个半径为R的圆形区域，则转发区域的总面积S为公式(2)：

S＝(L+2R)(H+2R) (2)

其中L和H为核心区域的长度和宽度。

网络节点的信号强度随着传输距离而衰减，在r的范围内，可以认为是无风险通讯，而当节点位于r的范围外通讯风险迅速增加，如图3所示。

并且其通讯风险可以表示为公式(3)：

其中D表示网络节点间的距离。

在动态的环境中，节点的度受其邻居节点链路状态而改变，通讯风险高意味着链路容易断开，节点的度也会受到影响，则网络节点的邻居节点密度X可以表示为公式(4)：

节点处于S₁区域

当节点位于S₁区域时，节点的整个通讯范围都在转发区域内，如图4所示：

根据公式，节点的通讯范围可以表示为公式(5)：

此时，剩下的n-1个节点平均分布在矩形区域内，此时节点的平均邻居个数可以估算为公式(6)：

节点处于S₂区域

当节点处于S₂区域时，其分布如所示，

其中，B为AC的中点，O₂B⊥AC，其中θ可以表示为公式(7)：

可以求得圆O₂位于转发区域内的面积为公式(8)：

其中X为公式(4)表示的节点密度。此时，剩下的n-1个节点平均分布在矩形区域内，此时节点的平均邻居个数可以估算为公式(9)：

节点位于S₃区域且O₃D>R

当节点处于S₃区域时，如图5中圆O₃所示，

此时O₃D>R，O₃K⊥AC，O₃M⊥EG。则和/>可以表示为公式(10)、公式(11)：

可以求得圆O₃位于转发区域内的面积为公式(12)：

其中X为公式(4)表示的节点密度。此时，剩下的n-1个节点平均分布在矩形区域内，此时节点的平均邻居个数可以估算为公式(13)：

节点位于S₃区域且O₃D<R

当节点处于S₃区域时，如图中圆O₄所示，

此时O₄D<R，O₄K⊥AD，O₄M⊥DG。则和/>可以表示为公式(14)、公式(15)、公式(16)和公式(17)：

可以求得圆O₄位于转发区域内的面积为公式(18)：

其中X为公式(4)表示的节点密度。

此时，剩下的n-1个节点平均分布在矩形区域内，此时节点的平均邻居个数可以估算为公式(19)：

综上所述，节点的度可以根据其位置分布通过公式(20)估计：

本节点度的估计模型与传统方法相比，有如下优点，第一考虑网络场景边界区域的影响，提高了算法获得节点度信息的准确性；此外，相比节点广播Hello消息获得节点度信息，避免了不必要的开销。

(三)利用纳什均衡计算RREQ消息转发概率

本方法解决的核心问题是RREQ路由请求消息封包转发概率计算问题，本方法通过将分组转发过程建模成静态博弈过程来求解此问题。

在按需路由协议中，当源节点有数据要发送而没有到目的节点的路由时，需要发起路由发现过程，此时源节点发起一个RREQ路由请求分组，由其邻居节点进行转发，直到该分组到达目的节点或者直到目的节点路由的中间节点，这时再回复源节点具体的路由信息。

中间节点对RREQ路由请求消息封包的转发过程可以看成一个完全信息静态博弈过程，即参与转发RREQ路由请求的节点，可以采取转发和不转发的策略，在做出决策时，并不知道其他节点的策略，参与博弈转发的节点之间没有关于博弈信息的交换，一旦节点做出决策后，对博弈的发展不能再产生任何影响，并且节点对于每一次进行转发的策略和收益是完成了解的。

将一个静态博弈过程，定义为G＝{N,A,U}，其中N为请求节点的邻居个数，A为策略空间，U为效益函数，策略空间即节点以P的概率转发REEQ消息，属于混合策略类型，效益函数如表格(1)所示：

表格1静态博弈收益表

表中b表示RREQ路由请求消息封包被转发时获得的收益，即只要存在节点转发了该RREQ消息所有参与的节点都可以获得该收益，c表示节点在转发请求包时的开销，并且b＞＞c>0。

当节点在接收到RREQ路由请求消息封包时即参与了此次博弈，假设参与博弈的节点以概率P转发分组，通过如下方法可以计算出节点的转发概率P。

其他n-1个节点至少有一个节点转发分组的概率如公式(21):

P_n-1＝1-(1-P)^n-1 (21)

静态博弈分组转发的纳什均衡点为：当前节点转发RREQ路由请求消息的收益与当前节点不转发RREQ路由请求消息的收益相等，即公式(22)：

(b-c)＝b[1-(1-p)^(n-1)] (22)

因此，概率P可以用公式(23)表示：

用n_hop表示该路由请求包所经过的转发次数，设计一个递减函数f(n_hop)，使得n_hop值越大时，f(n_hop)越小。然后，每个节点在收到该包时，先通过公式(23)计算出转发概率p，再利用递减函数f(n_hop)对转发概率p进行修正，得到修正后的转发概率p^*，之后节点以概率p^*转发该路由请求包，具体的递减函数f(n_hop)设计和概率修正如公式(24)、公式(25)所示：

实施例

在具体的路由请求消息格式设计中，RREQ路由请求消息封包应该带有路由请求上一跳节点的节点度估计值，将原始的RREQ路由请求消息封包11bit保留位中的8bit作为节点度数据，其中1bit用来标识RREQ信息是否为重发送消息，具体的RREQ路由请求封包格式如下表2所示：

表格2路由请求消息封包详情表

源节点发起REEQ路由请求消息的具体流程为：

Step1：检查自身路由表是否有到达目的地址的合法路由，如果有，转Step6；否则转Step2。

Step2：启用定时器，记录发起到目的地址REEQ请求的次数，构建REEQ消息封包。

Step3：根据到目的地址REEQ请求的次数判断是否为重新发送的REEQ请求，如果是则修改REEQ消息封包重发位为1，转Step4；如果否，则转Step4。

Step4：判断在定时器时间范围内是否收到REEP回复，如果未收到，转Step5；否则转Step6。

Step5：判断重新发送REEQ次数是否达到最大限制，如果达到，则转Step6；如果未达到，转Step1。

Step6：结束REEQ消息发送流程。

RREQ路由请求消息封包的具体处理的流程为：

Step1：中间节点接收到路由请求分组后，判断是否重复接收。如果重复接收，转Step7；否则，转Step2。

Step2：中间节点判断是否存在到源节点的反向路由，如果存在则根据RREQ消息更新反向路由；如果不存在，则建立新的反向路由。

Step3：如果中间节点是目的节点，或者中间节点不是目的节点但是中间节点有到目的节点的路由，发送路由回复包RREP；否者转Step4。

Step4：此时中间节点不是目的节点，且没有到目的节点的路由，首先根据RREQ路由请求消息中获取TTL值，如果TTL值为1，转Step7；否者，转Step5。

Step5：从RREQ消息中获取上一跳节点的节点度值，根据公式(23)、公式(25)计算出转发概率P，并生成[0,1]之间的随机数m。

Step6：如果m<P，中间节点转发该RREQ路由请求消息，并根据节点度估计模型估算自己的节点度N，用自身节点度N替换RREQ路由请求消息中的上一跳节点的节点度，转发RREQ消息；否则，转Step7。

Step7：丢弃分组。

目的地址节点回复REEP消息的具体流程为：

Step1：判断REEQ消息是否大于路由表中源节点的序列号，如果是，转Step2；否则，转Step3。

Step2：根据REEQ消息，更新到达源节点的反向路由。

Step3：生成REEP消息，启用定时器，记录回复该REEP消息的次数。

Step4：判断在定时器时间范围内是否收到RREP-ACK回复，如果未收到，转Step5；否则转Step6。

Step5：判断重传REEP次数是否达到最大限制，如果达到，则转Step6；如果未达到，转Step3。

Step6：结束REEP消息发送流程。

Claims

1.一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在RREQ消息封包中添加上一跳节点的节点度信息与RREQ消息是否为重发送标志；对AODV路由协议中RREQ信息帧的保留位定义进行修改，将其中8bit用于存储网络节点的节点度数据，1bit用来标识RREQ信息是否为重发送消息，其中节点度数据用于步骤S3的转发概率计算，重发送消息标志位用于标识重新发送的REEQ消息；

S2、网络节点根据节点度估计模型估计自身的节点度；无线自组织网络中的网络节点基于节点自身的位置及通讯范围计算其占整个无线自组织网络通讯覆盖面积的比例，来估计自身的节点度信息；

S3、中间节点接收到RREQ消息封包时，计算转发该RREQ消息封包的概率；当中间节点接收到上一级节点的路由请求时，节点首先判断是否重新发送的REEQ消息，如果是则以广播方式转发该消息；否则使用RREQ消息封包中添加的上一级节点的节点度信息和当前跳数，利用纳什均衡方法来计算转发该请求分组的概率；具体地说，中间节点转发请求分组看作是一个策略选择问题，其中每个节点都试图最大化其自身的收益；在这种情况下，中间节点将转发请求视作为静态博弈，并利用纳什均衡计算出其策略选择所带来的期望收益；如果该概率高于某个阈值，则中间节点将转发该请求分组，否则丢弃该请求分组；

S4、修改发送REEP消息的sendReply函数，添加REEP消息重传机制；目的节点收到REEQ消息时，首先根据REEQ消息中的源节点序列号更新到源节点的反向路由表，之后回复REEP消息；如果在一定时间内没有收到源节点回复的REEP-ACK消息且REEP消息重传次数未超出限制，则重传REEP消息。

2.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，其特征在于，所述步骤S1中的修改AODV路由协议中RREQ信息帧中的保留位定义，将其中8bit用于存储网络节点的节点度数据，1bit用来标识RREQ信息是否为重发送消息，当中间节点接收到RREQ消息时，根据节点度数据字段获取上一跳节点的节点度信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，其特征在于所述步骤S2中的一种考虑边界影响的节点度估计模型，该节点度估计模型首先将无线自组织网络区域范围划分为中间区域、边缘区域和角区域三个区域，在不同的区域网络节点的通讯范围不同，基于节点通讯范围计算其占整个无线自组织网络通讯覆盖面积的比例来估计自身的节点度信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，其特征在于，所述步骤S3中的中间节点转发RREQ消息封包时当中间节点接收到上一级节点的路由请求时提供的退化机制，节点首先判断是否重新发送的REEQ消息，如果是则以广播方式转发该消息，避免因概率广播方式广播REEQ消息时，可能造成的无法抵达目的节点的问题。

5.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，其特征在于，所述步骤S3中的中间节点转发RREQ消息封包时计算转发概率的方法，在该方法中中间节点并不是以固定概率转发RREQ消息封包，而是根据上一跳节点的节点度和RREQ消息跳数进行计算；该方法将网络数据包转发过程建模成静态博弈过程，参与转发RREQ消息的节点，以概率P做出转发该数据包的策略和概率(1-P)做出不转发该数据包的策略，在做出决策时，并不知道其他节点的策略，参与博弈转发的节点之间没有关于博弈信息的交换，节点自身通过纳什均衡方法求得节点的转发RREQ消息的概率P。

6.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的改进无线自组织网络AODV路由方法，其特征在于所述步骤S4中REEP消息重传机制；REEP消息重传机制中增加了REEP-ACK定时器和REEP消息最大重传次数，目的节点在定时器超时时间范围内检测是否收到源节点回复的REEP-ACK消息。