无线mesh网络中基于演化博弈的抗振荡信道分配策略-乐光学.pdf
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1、第1期2016年1月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICAV0144 No1Jan 2016无线Mesh网络中基于演化博弈的抗振荡信道分配策略乐光学1”,李明明123,丁 辉1”,刘建生2,骆 丹1一,马伯林2(1嘉兴学院数理与信息工程学院,浙江嘉兴314000;2江西理工大学理学院,江西赣州431000;3嘉兴职业技术学院,浙江嘉兴314000)摘要: 为抑制无线Mesh网络中的信道振荡和提升网络效用,综合分析路由端和用户端信道振荡产生的因素引入演化博弈理论,联合改进的果蝇优化算法提出基于ESSPFOA(Evolutionary Stable StatusPromote
2、d FruitFlies Optimal Algorithm)算法的分布式信道分配策略实验分析发现当信道振荡宽容因子口05时网络呈同构特征,305时网络向异构转化,3,o9时网络呈异构特征;网络效用和信道振荡抑制率与信道振荡宽容因子届紧密相关仿真结果表明,ESSPFOA算法的信道振荡率从044下降至008,在异构网络环境下其网络收益和信道振荡抑制率明显占优,能有效提高网络效用关键词: 无线Mesh网络;多信道多射频;演化博弈;信道振荡;网络效用中图分类号:TP393 文献标识码: A 文章编号:037221 12(2016)01-017610电子学报URL:http:wwwejourualor
3、gcn DOI:103969jissn037221 122016叭026The Anti-Channel Oscillation Channel Assignment Scheme Based onEvolutionary Game in Wireless Mesh NetworkYUE Guangxuel2,LI Mingmin9123,DING Huil2,LIU Jianshen92,LUO Danl2,MA Bo1in2(1College ofMathematics Physics and Information Engineering,Jiaxing University,Jiaxi
4、ng,Zhejiang 314000,China2School of Science,Jiangxi University of Science and Technol093,Ganzhou,Jiangxi 43 1 000,China;3Jiaxing Vocational Technical College,Jiaxing,Zhejiang 314000,China)Abstract: What caused channel oscillation among faceto route and faceto client have been analyzedIn order to redu
5、ce channel oscillation and promote throughput of channel assignment scheme,evolutionary game has been imported to jointwith promoted fruitflies optimal algorithm,a distributed channel assignment scheme based on ESSPFOA algorithm has beenproposed in wireless mesh networkThe simulations reflect that n
6、etwork utility and channel oscillation ratio have been influenced by channel oscillation tolerance factor,and network topology presents homogeneous when3q05 and309The result reflects that channel oscillation ratio has been fallen from 044 to 008,channel oscillation inhibition ratio has been restrain
7、ed,and network utility has been improved in heterogeneous networkKey words:wireless mesh network;multiradio multichannel;evolutionary game;channel oscillation;network utility1 引言无线Mesh网络的信道连接依赖问题频繁发生,在通信链路上形成信道空闲、拥塞状态,如何解决信道连接依赖问题是多信道多射频无线Mesh网络信道分配方案的关键。信道连接依赖在多冲突域内表征为信道振荡。4。,发生信道振荡的通信链路,存在流量分配不均、网
8、络负载失衡等问题,严重影响网络稳定性如何有效规避信道振荡发生率、稳定提升网络吞吐量,成为无线Mesh网络信道分配策略的研究热点之一大量研究报告表明,无线Mesh网络信道分配是NP问题”。以提升网络吞吐量8“01、降低链路干扰率J、优化信道利用率2。等方面为研究侧重点,实现信道分配策略的优化文献1研究多冲突域内节点之间频繁切换信道引发的信道振荡问题,提出了基于局部自适应的分布式信道分配方案文献13提出适用于Ad Hoe网络收稿日期:2014-0512;修回日期:2015-02-03;责任编辑:孙瑶基金项目:国家自然科学基金(No61572014);浙江省自然科学基金(NoLYl5F020040,
9、NoLQl5F010008,NoLYl6F020028);浙江省嘉兴市科技计划(No2012AYl027);中央财政支持地方高校发展专项无线Mesh网络若干关键技术研究万方数据第 1 期 乐光学:无线Mesh网络中基于演化博弈的抗振荡信道分配策略 177的集中式信道分配策略,并通过仿真实验验证信道振荡的存在性。“7;文献14在分析如何提升无线Mesh网络有效聚合吞吐量时,发现通信域内存在信道振荡问题“将信道振荡发生率作为一种新的网络性能评价指标,以信道振荡发生作为研究入口,设计有利于规避信道振荡并实现信道重分配的优化策略文献15提出了联合协议与接口分配策略相结合的信道分配优化方案(Protoc
10、ol and Communicational InterfaceChannel to UtilityChannel Assignment,PCUCA),指出信道振荡对Ad Hoc网络信道分配结果的危害性,以给定的信道振荡概率因子P=04作为评价指标,该算法仅适用于Ad Hoc网络文献16提出了基于CHyacinth(CHYA)算法的增强型贪心信道分配策略,以访问节点的优先级作为分配序列,依次分配信道由于策略仅处理单冲突域内信道连接依赖问题,算法尚未计算信道振荡发生率如图l所示,若信道正常分配,多冲突域内源节点s通过信道x向目的节点D转发数据包,对应的目的节点D正通过信道Y与其目的节点R通信,一
11、旦节点D切换信道x至信道Y,将引起信道x通信拥塞、信道Y无数据包转发呈现空闲状态并且在下一个冲突域范围内D-R通信链路上出现数据拥塞同理S1R1、s2一R2均产生类似的信道振荡问题4砂堕kE占 一(口)信道振荡前多苎L矽堕燮堕多型K亟j笪塑_ 至多堕k叠多型塑盟重多(b)信道振荡发生后图1信道振荡对比图在信道分配优化方面,国内外研究人员作了大量工作,并取得了突出成果针对不同网络拓扑,尝试降低数据包的转发率以提升网络吞吐量“在异构网络中,处理边界节点的流量拥塞控制问题,提出了基于预知拥塞控制的数学模型在多层异构无线网络中,针对射频接口能量流失问题,提出满足所有链路需求的最小化射频接口流量损失模型
12、。12在多媒体异构Mesh网络中,建立多媒体异构Mesh网络的服务质量控制机制,提出了双层规划模型的蚁群优化路由算法。”为了实现完全的避免信道干扰,提出了域内中心调度的接口分域信道分配(InterfacedClustered Channel Assignment,ICCA)方案,算法有效提升了网络吞吐量”将博弈理论应用于多信道多射频无线Mesh网络信道分配策略,分析自适应节点的行为以及如何有效提升网络吞吐量”由于节点位置和方向不定,无法计算网络拓扑上的信道振荡发生率,文献25将演化博弈引入无线传感器网络中,仅针对节点信誉机制分析不同的演化稳定均衡解在异构网络环境下,文献E26,27提出了基于非
13、合作博弈的信道资源分配接入模型,算法分析了自私节点的聚集度和网络拓扑,仿真结果表明算法有效提升了网络吞吐量本文将针对异构无线Mesh网络网关节点和用户节点展开信道分配”方案的优化,联合演化博弈理论和改进的果蝇优化算法,设计一种有效的抗振荡信道分配策略(Evolutionary Stable Status-Promoted FruitfliesOptimal Algorithm,ESS-PFOA)首先,建立节点的演化博弈模型,以节点所在干扰域的干扰率与节点有效聚合吞吐率的比值作为演化稳定均衡解的方程继而,分析不同演化稳定均衡状态下的网络收益第三,评价不同信道振荡宽容因子下服务节点的网络收益j计算
14、对应的信道振荡发生率最后,与已有抗振荡的信道分配策略PCU-CA、CHYA算法对比,综合评价抗振荡信道分配策略的有效性、稳定性2 问题提出及模型的建立21信道振荡问题描述PCUCA算法采用线性模型处理给定节点之间的信道振荡问题“,但是线性模型无法处理离散节点的分布旧8ICHYA算法采用集中式的信道分配策略“,仅处理单冲突域内信道连接依赖问题,且仅适用于稳定的网络拓扑。2。基于ESSFPOA算法针对离散节点采用非线性数学模型,为自适应的无线Mesh网络设计分布式信道分配策略,实现业务稳定传输假设多信道多射频无线Mesh网络的每一个节点具有两个可用射频接口,如图2()所示其路由端节点的特点是自上而
15、下的数据转发方式,易造成通信链路信息冗余;如图2(b)所示其用户端节点具有随机性和交互性,节点之问存在竞争行为当节点B接收到来自不同冲突域的节点A和节点D的数据包,需要选择切换信道,出现信道选择停留状态,该状态是信道振荡发生的明显特征4122演化博弈模型针对自适应的多冲突域无线Mesh网络拓扑结构,建立动态演化博弈模型模型设计思路为:(1)在多冲突域内存在通信信道集C,服务节点集y,万方数据178 电 子 学 报 2016年(口)面向路由端信道振荡切换至信道1I(6)面向用户端信道振荡图2两种不同的信道振荡类型以及服务节点的信道接口集K,则通信过程中节点最大有效聚合吞吐量集合为B(C)得到节点
16、的信道分配策略为S(K,C,矿)如果节点在通信链路上通过射频接口成功通信,则其网络效用函数表示为U(S(K,C,V),B(C)(2)由于服务节点群体数量受节点的在线服务时间、节点自组织、信道干扰等因素影响,将信道分配过程中服务节点数量的变化理解为服务节点抑制信道振荡发生的演化过程节点在时刻T选择策略s的概率为P,则其混合策略为P(3)根据节点的信道分配策略S和混合策略P建立演化博弈模型,得到演化博弈稳定均衡解根据演化稳定均衡解,分析不同的演化稳定均衡状态,选择最优状态并计算最优网络收益U(S,B,P)通信节点”,V使用信道c,C的接口数量矗K第i个节点使用第,个信道成功通信策略S,=(七,南。
17、,南fP),其中i=1,2,N;j=1,2,P,丘。=0,1节点成功通信七。=1,否则矗。=0节点在t0,T时刻选择s,的概率为P可构建在t时刻所有节点的混合策略描述模型:fP。=P;f】(t),掣(t),P”(t)p;”(t)=P(t)术p(t)设P(t)-0,i1,N,1,P,0(t)表示节点的数量,彰“(t)表不在t时刻成功通信的节点数量多冲突域内节点具有随机性和可重复性,其分布状态服从泊松分布汹1对比分析单冲突域节点的状态函数,增加节点的冲突域个数、节点的干扰距离等参数,构建节点的状态描述模型:以,2轰。(1-(扩。) 式(2)定义了多冲突域内节点成功通信的概率,即只允许第i个节点的射
18、频接口利用第j个信道通信参考文献2,给定M为冲突域的个数,d表示通信节点之间的距离L詈J表示节点干扰域内的干扰度,即当前节点可能干扰其后L了M-J个节点转发数据包成功通信的节点在t时刻使用策略S,的网络收益为:乏”i=15。一。曰叭s剐瑙术可术若。其中K表示干扰范围内节点的跳数,n。表示节点在干扰范围内节点与信道通信的射频数量,旦表示节点上n叫有效聚合吞吐量随n。变化的递减函数在+l时刻所有节点的混合策略描述模型可表征为:(t+1)=P;l(t)U(S,Bj)蛳川=等等 P(t)0(t)U(S,B)=F争21一掣(f)口(f)u(S。,B)联合式(3)(4)求解节点的演化动态方程:业一型!竺!
19、二型堕掣(f)一 掣(t)P 、哆“()u(s。,E)一P(”()口()u(s。,孕)=1_寺旦L一P【“(f)P(。()p(f)u(s。,g)一丛兰!堡!二坠兰:竺!u(s,E)U(Si局)_妒轰(5)万方数据第 1 期 乐光学:无线Mesh网络中基于演化博弈的抗振荡信道分配策略 179式(5)表示随时间变化,节点状态的演化率与节点网络效用的演化率相同,其中B表示节点上行链路上的带宽常量平均值,u(S,Bj)表示节点当前干扰域内所有成功通信的节点之间的平均带宽值求解式(5)极限,则节点动态演化方程转化为: 错2南!僻(学)l limf型尘坐生业1珈联合求解式(5)(6),当满足式(7)时,达
20、到网络稳定均衡状态,其中以为节点的干扰阈值A:L等_J仁竖二0 “ 、 k。棚_ i3抗振荡信道分配策略为有效规避信道振荡问题并提升稳定网络收益,将达到演化稳定均衡状态(Evolutionary Stable Status,ESS)的节点收益进行聚类优化,实现多信道多射频无线Mesh网络的抗振荡信道分配策略引入果蝇演化算法(FruitFlies Optimal Algorithm,FOA)、2 9,该算法原型为果蝇通过嗅觉寻找最优路径算法保证适应度函数的快速收敛、缩短运行时间、方便科研验证。9针对异构网络节点的行为特征,改进FOA算法分析基于ESSU(S,曰,)=K木 s。鲁术转。曰术若啡PF
21、OA算法的信道分配策略可行性、收敛性以及算法的时间复杂度31策略分析定理1考虑不完全信息博弈的无线Mesh网络环境,保证节点的顺序理性和可信程度弱一致,顺序理性主要保证节点之间不会出现某一节点单方面偏离因而有限理性节点通信时能够达到演化稳定均衡状态条件如下:(1)后。P(2)存在任意参数s(0,1),在稳定均衡状态下,节点以稳定均衡策略“(t)+P(t)选择稳定策略S。+S。,其稳定网络效用期望满足u(s,B,)+u(S,B,)其中:u(s-,哆)+2占u(st,B)+(1一占)u(st,B)(8)【u(S。,曰,)=占u(S。,Bj)+(1一占)U(S。,曰,)证明 为确保网络拓扑稳定转发数
22、据包,节点通信信道总数P至少与节点的接口总数等值,所有节点的射频接口成功通信的数量之和小于等于通信节点的接口总数,体现动态无线Mesh网络节点的移动交互能力“,故(1)可证在动态信道分配中,处于稳定均衡状态的节点为全局最优状态。1j,采用反证法证明(2):KS。+叭5剐2审术尸!j“()+_“(t)、S。+5,即式(9)满足条件 最大化网络效用。9|,即得到演化稳定状态时的条件:f巧“(z)1一竺!堡!二竺!堡!Jp,f) U(S。,B,):瞀,木轰,一削九u。7 5孙 叫当(笔;等)=。时,达到演化稳定均衡状态,得到其(9)丛:玉譬 (1 1)K (七。)式(11)表示多个冲突域内路由端、客
23、户端节点在其干扰域内的干扰率等同于其当前的节点的网络效用随节点成功通信接口数量的变化率 当分赫吼即(错)邮黼网络有效聚合吞吐量小于平均网络效用,网络之间的干扰率大于网络有效聚合吞吐量的变化率,当前稳定状态为网络拓扑受信道振荡干扰,网络收益无法提高哆一翌削万方数据180 电 子 学 报 2016正当会祷吼即(错嘞网络有效聚合吞吐量的变化率与网络当前干扰率相关,网络拓扑将随节点的度数、数量而演化当前网络有效聚合吞吐量变化率趋于网络之间的干扰率,当前网络效用高于平均网络效用值,当前稳定状态表明网络拓扑干扰率较低,网络拓扑趋于稳定,节点网络效用有所提升综合分析上述演化稳定均衡状态,当了-1f浩,信道分
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