杨鹏等：能量均衡的间断连接无线网络数据转发策略 ·963· 的组网环境下，节点需要消耗大量能量来探测邻居节 数据转发看成多个非合作子博弈过程，要求链路上的 点，并利用移动带来的相遇机会进行通信，因此，优化 负载均衡分担，虽然降低了网络的投递时延，优化了网 网络能耗，提高网络可靠性成为研究间断连接无线网 络的整体性能，但未考虑网络节点的自私性 络的关键问题[) 为了克服上述策略的不足，本文结合间断连接无 在拓扑动态变化的ICWN中，由节点移动产生的 线网络实际环境和帕累托最优理论，提出了一种能量 相遇机会十分珍贵，因此，部分较活跃的节点在数据转 均衡的数据转发策略(energy equilibrium data forward-- 发过程中会起到非常重要的作用，它们能够较快地将 ing strategy,EEDFS).该策略采用分布式方式评估节 数据中继到目的节点[-).然而，由于此类节点所转发 点的活跃度、剩余能量和数据转发率，预测节点的转发 的数据较多，有限的能量资源过度消耗将导致节点过 意愿强度，同时兼顾链路的可靠性，采用帕累托最优理 早死亡，这会对网络的可靠性及生存性造成极大威胁， 论动态选择最优下一跳中继节点.与其他策略相比， 产生网络“热点”问题6.目前，国内外研究人员多采 所提策略能够充分考虑节点的转发能力，选取剩余能 用优化邻居节点探测能耗的方式来减少节点能量消 量充足且转发意愿强的节点作为中继节点，有效地提 耗，但这些方法未考虑“热点”问题，选取任意节点进 高了通信链路的可靠性和数据转发率，并解决了“热 行合作转发，忽略了网络节点因能量受限而引起的自 点”问题带来的网络性能下降.本文的主要贡献如下. 私性，即节点并非每次都愿意为其他节点转发数据，从 (1)提出用转发意愿来衡量节点为其他节点提供 而，会造成整体网络性能下降[-).因此，如何综合考 转发服务的概率.以分布式的方法评估节点的活跃 虑节点剩余能量和活跃度是选择最佳下一跳中继节点 度、剩余能量以及数据转发率并以此对节点的转发意 的关键问题. 愿进行量化，解决了网络中存在的“热点”问题和节点 根据间断连接无线网络数据转发原理，可将数据 自私性问题，并提高了数据的传播速度和投递率，降低 转发过程看作网络资源分配问题)，并通过博奔论的 了数据的投递时延，使网络性能得到较大改善. 理论知识分析解决，将上一跳节点和下一跳节点作为 (2)利用帕累托最优理论对网络进行扩展式动态 博弈双方，通过博弈上一跳节点获得下一跳节点为其 博弈建模分析，设计出了一种高效的合作数据转发机 提供的数据转发服务，下一跳节点获得上一跳节点为 制(EEDS).该机制将网络中的节点看作是博弈的有 其提供的互惠收益.针对上述“热点”问题，国内外相 限个参与者，将最佳下一跳中继节点的选择看作资源 关研究人员把博弈论应用到ICWN研究中[o-],以解 配置问题，采用局部信息对网络进行建模分析，从网络 决节点负载不均衡和自私性问题，进而建立有效的管 运行环境中获取信息，计算节点的效用函数同时对其 理机制，提高有限网络资源的利用率，优化网络性能. 他节点的状态和行为动机作出合理地判断，从而选择 文献[12]基于博弈论提出了一种分布式可扩展 最佳的合作对象 的数据转发策略.该策略对节点的中继转发请求进行 1节点服务状态分析 选择性接收，推导出了纳什均衡的存在性并给予求解， 进而，选择合适的中继节点，达到优化网络性能的目 如前所述，节点的活跃度能够衡量节点的负载状 的.然而，其使用的假设条件过于牵强，与实际网络运 况、重要程度以及节点对网络的贡献程度，剩余能量百 行环境有一定差距.Wang等为了解决ICWN中的资 分比是节点自身资源水平的直接表达，数据转发率能 源分配问题，在文献[13]中提出联盟博弈模型.通过 够客观地反映节点转发服务状态，因此，这三个参数能 分析多个理性联盟的收益与代价函数，判决是否允许 够客观地评价节点服务状态，并为下一跳中继节点的 节点加人联盟，在一定程度上能够激励节点的合作意 选择提供科学依据，本节将对其进行具体分析 愿，但是在网络拓扑动态变化的ICWN中，节点的移动 1.1节点活跃度估计 使得策略中联盟的划分和维护实现难度较大.文献 在网络拓扑动态变化的ICN中，若某个节点在 [14]提出基于概率的节点自私行为检测的博弈模型. 网络中与其他节点的相遇持续时间长、相遇时间间隔 采用传统的博弈理论验证其合理性，并在网络中部署 短、相遇频率高，则该节点便能够将数据迅速转发给其 了一些可信且概率适中的节点，以保证数据安全转发， 他节点，从而提高数据的传播速度和投递率，降低数据 并使得投递代价降低，达到优化网络性能的目的，但该 的投递时延，达到改善网络性能的目的，因此，本文引 模型未考虑随着可信节点自身资源消耗，其自私性也 入节点活跃度来衡量节点在网络中的重要程度，并精 会加重的问题.此外，文献[15]设计出负载均衡的博 确地估计该参数. 弈数据转发策略，将数据的投递时延作为效用函数，把 如前所述，节点间的平均相遇次数和平均相遇持杨 鹏等: 能量均衡的间断连接无线网络数据转发策略 的组网环境下,节点需要消耗大量能量来探测邻居节 点,并利用移动带来的相遇机会进行通信,因此,优化 网络能耗,提高网络可靠性成为研究间断连接无线网 络的关键问题[3] . 在拓扑动态变化的 ICWN 中,由节点移动产生的 相遇机会十分珍贵,因此,部分较活跃的节点在数据转 发过程中会起到非常重要的作用,它们能够较快地将 数据中继到目的节点[4鄄鄄5] . 然而,由于此类节点所转发 的数据较多,有限的能量资源过度消耗将导致节点过 早死亡,这会对网络的可靠性及生存性造成极大威胁, 产生网络“热点冶问题[6] . 目前,国内外研究人员多采 用优化邻居节点探测能耗的方式来减少节点能量消 耗,但这些方法未考虑“热点冶问题,选取任意节点进 行合作转发,忽略了网络节点因能量受限而引起的自 私性,即节点并非每次都愿意为其他节点转发数据,从 而,会造成整体网络性能下降[7鄄鄄8] . 因此,如何综合考 虑节点剩余能量和活跃度是选择最佳下一跳中继节点 的关键问题. 根据间断连接无线网络数据转发原理,可将数据 转发过程看作网络资源分配问题[9] ,并通过博弈论的 理论知识分析解决,将上一跳节点和下一跳节点作为 博弈双方,通过博弈上一跳节点获得下一跳节点为其 提供的数据转发服务,下一跳节点获得上一跳节点为 其提供的互惠收益. 针对上述“热点冶问题,国内外相 关研究人员把博弈论应用到 ICWN 研究中[10鄄鄄11] ,以解 决节点负载不均衡和自私性问题,进而建立有效的管 理机制,提高有限网络资源的利用率,优化网络性能. 文献[12]基于博弈论提出了一种分布式可扩展 的数据转发策略. 该策略对节点的中继转发请求进行 选择性接收,推导出了纳什均衡的存在性并给予求解, 进而,选择合适的中继节点,达到优化网络性能的目 的. 然而,其使用的假设条件过于牵强,与实际网络运 行环境有一定差距. Wang 等为了解决 ICWN 中的资 源分配问题,在文献[13]中提出联盟博弈模型. 通过 分析多个理性联盟的收益与代价函数,判决是否允许 节点加入联盟,在一定程度上能够激励节点的合作意 愿,但是在网络拓扑动态变化的 ICWN 中,节点的移动 使得策略中联盟的划分和维护实现难度较大. 文献 [14]提出基于概率的节点自私行为检测的博弈模型. 采用传统的博弈理论验证其合理性,并在网络中部署 了一些可信且概率适中的节点,以保证数据安全转发, 并使得投递代价降低,达到优化网络性能的目的,但该 模型未考虑随着可信节点自身资源消耗,其自私性也 会加重的问题. 此外,文献[15]设计出负载均衡的博 弈数据转发策略,将数据的投递时延作为效用函数,把 数据转发看成多个非合作子博弈过程,要求链路上的 负载均衡分担,虽然降低了网络的投递时延,优化了网 络的整体性能,但未考虑网络节点的自私性. 为了克服上述策略的不足,本文结合间断连接无 线网络实际环境和帕累托最优理论,提出了一种能量 均衡的数据转发策略( energy equilibrium data forward鄄 ing strategy, EEDFS). 该策略采用分布式方式评估节 点的活跃度、剩余能量和数据转发率,预测节点的转发 意愿强度,同时兼顾链路的可靠性,采用帕累托最优理 论动态选择最优下一跳中继节点. 与其他策略相比, 所提策略能够充分考虑节点的转发能力,选取剩余能 量充足且转发意愿强的节点作为中继节点,有效地提 高了通信链路的可靠性和数据转发率,并解决了“热 点冶问题带来的网络性能下降. 本文的主要贡献如下. (1)提出用转发意愿来衡量节点为其他节点提供 转发服务的概率. 以分布式的方法评估节点的活跃 度、剩余能量以及数据转发率并以此对节点的转发意 愿进行量化,解决了网络中存在的“热点冶问题和节点 自私性问题,并提高了数据的传播速度和投递率,降低 了数据的投递时延,使网络性能得到较大改善. (2)利用帕累托最优理论对网络进行扩展式动态 博弈建模分析,设计出了一种高效的合作数据转发机 制(EEDFS). 该机制将网络中的节点看作是博弈的有 限个参与者,将最佳下一跳中继节点的选择看作资源 配置问题,采用局部信息对网络进行建模分析,从网络 运行环境中获取信息,计算节点的效用函数同时对其 他节点的状态和行为动机作出合理地判断,从而选择 最佳的合作对象. 1 节点服务状态分析 如前所述,节点的活跃度能够衡量节点的负载状 况、重要程度以及节点对网络的贡献程度,剩余能量百 分比是节点自身资源水平的直接表达,数据转发率能 够客观地反映节点转发服务状态,因此,这三个参数能 够客观地评价节点服务状态,并为下一跳中继节点的 选择提供科学依据,本节将对其进行具体分析. 1郾 1 节点活跃度估计 在网络拓扑动态变化的 ICWN 中,若某个节点在 网络中与其他节点的相遇持续时间长、相遇时间间隔 短、相遇频率高,则该节点便能够将数据迅速转发给其 他节点,从而提高数据的传播速度和投递率,降低数据 的投递时延,达到改善网络性能的目的,因此,本文引 入节点活跃度来衡量节点在网络中的重要程度,并精 确地估计该参数. 如前所述,节点间的平均相遇次数和平均相遇持 ·963·