無線Mesh網絡中基于獎勵機制的均衡傳輸方案

何 健

(羅定職業技術學院 電子信息系，廣東 羅定 527200)

0 引言

無線Mesh網絡即“無線網格網絡”，它是多跳(multi-hop)網絡，是解決“最后一公里”問題的關鍵技術之一[1]。在多跳無線Mesh網絡中，從移動用戶到有限網絡的流量是經由網關通過多無線傳輸訪問點(Transit Access Points，TAPs)進行處理。然而，在現有MAC操作中，對于一些距離網關幾跳距離的用戶，其可能會遭受較低的吞吐量[2]。甚至會由于多跳中繼、流聚合和底層MAC層機制而導致吞吐量饑餓情況。為此，需要可以確保無線Mesh網絡中公平資源共享的解決方案[3]。無線Mesh網絡系統模型見圖1。

圖1 無線Mesh網絡系統模型

由于無線Mesh網絡中的下行流量不能通過逐跳傳輸進行聚合，因此當前的研究[4-6]集中于上行流量。事實上，下行流量通過擴散方式從網關傳輸到各個目標TAP，因此，由流量聚合和TAP之間的競爭而導致下行流量出現問題的概率較小。然而，下行流量的量常常要大于上行流量，這是因為移動用戶常常從有線網絡中下載數據。如果無線Mesh網絡中的節點(TAPs和網關)為獨立實體，那么去往不同TAPs的下行網絡將會嚴重受到傳輸不均衡問題的影響[7-9]。迄今為止，極少有學者嘗試解決這一點上的均衡問題。文獻[10]提出了一種針對包含了自私TAPs的多跳無線Mesh網絡的基于激勵的傳輸機制，但是僅考慮了上行流量。由于上行流量和下行流量的均衡機制的關鍵設計問題不同，所以現有機制不能適用于解決具有自私節點的無線網格網絡下行和雙向流量的均衡傳輸問題?；诖?，提出了一種基于獎勵的傳輸機制，該方法主要創新點如下：

1)研究了自私TAPs和自私網關在無線Mesh網絡中如何影響雙向流量的均衡傳輸問題。

2)推導出了每個傳輸訪問點(TAP)的雙向目標吞吐量，并提出了一種基于獎勵的均衡傳輸機制，通過信用幣和代幣支付策略來鼓勵閑置TAP轉發數據，同時使網關盡可能均衡地向TAP傳輸下行數據。

1 公平參考模型和虛擬信用幣

1.1 公平參考模型

很多研究已經提出各種解決方案來解決無線Mesh網絡中雙向傳輸的均衡問題。然而，這些方案并沒有考慮公平訪問問題。要驗證提出的基于獎勵的均衡傳輸機制能否解決雙向傳輸的公平問題，首先應該建立一套公平參考模型，為提出的機制提供理想基準，推導出理想狀態下TAPs的客觀吞吐量。要建立這樣一個理想基準，則要做到以下幾點。第一，公平的間隔尺寸為一個TAP-聚合流量，這是因為提出的機制是從服務提供者而非移動用戶的角度而設計的。第二，使用廣播時間取代吞吐量作為網絡中的資源從而避免IEEE 802.11無線網絡中的性能異常。一個TAP的目標吞吐量與其鏈路容量成比例，為TAPs支付更多的操作者理應擁有更高的鏈接容量，這對現實世界的商業模式也合理。第三，在不考慮TAPs到網關距離的情況下，所有TAPs都應當分配到相同的時間。這在多跳無線Mesh網絡中是必要性能，因為不同位置上的TAPs不應該由于其到網關的距離受到處罰，必須最大化空間復用從而保證鏈接得到充分利用。

1.2 虛擬幣假設

本文定義了兩種虛擬貨幣：信用幣和代幣。信用幣在多跳無線Mesh網絡中沒有實際的貨幣價值。當TAP向前一跳TAPs轉發數據時可獲得信用幣，當其與局部移動用戶進行數據包傳輸時使用信用幣。該策略有助于鼓勵TAP參加數據轉發，以此增加其信用幣的存量。對于TAP發送一個單位局部數據包所能獲得的確切信用幣數量，其是根據網絡中每個TAP-聚合流量的目標吞吐量來確定的。與信用幣不同，代幣擁有實際貨幣價值。移動用戶向處理其數據的相關TAP支付代幣，TAP向網關支付代幣來促使其盡可能多地傳輸數據。另外，TAP和網關在負責交易代幣的中央銀行兌現各自的代幣。節點(即，用戶、網關和TAP)可通過可用鏈路與中央銀行進行交流，中央銀行利用代幣不同的賣出和買入價格來從中獲利。其中，中央銀行通常屬于網絡運營者或設備提供者。

總之，該策略鼓勵TAP通過為其他TAP轉發數據來增加信用幣存量，并通過發送數據到其局部移動用戶來賺取代幣。本文假設每個TAP具備一個基于信任計算的防篡改模塊，該模型是通過轉發數據來獲得信用幣，通過發送局部數據來消耗信用幣。因此，在提出的機制中，每個TAP 信用幣的生成和消耗均可以防篡改。

2 基于獎勵的雙向均衡傳輸機制

2.1 獎勵機制

無線Mesh網絡中因自私節點導致的均衡傳輸問題已得到廣泛認知，并且已經提出一些支持節點間合作的機制[11-13]。這些機制大體可分為兩類：1)基于信譽的機制，其監控每個節點的行為并懲罰非合作節點；2)基于支付的機制，其引進了一些虛擬貨幣來支持向其他節點發送數據包。然而在無線Mesh網絡中，收益主要來自于移動用戶，而不是現有研究假設的TAPs或有線網絡的終點。因此，上述基于信譽和基于支付的機制不能擴展用于解決包含自私節點的無線Mesh網絡中的均衡傳輸問題。為此，本文提出的基于獎勵的均衡傳輸機制兼顧了這些問題。

2.2 下行流量的均衡傳輸機制

先前的研究主要集中于無線Mesh網絡中上行流量的均衡傳輸問題，上行流量在中間TAPs丟棄數據包，然而幾乎所有的下行流量都在網關進行丟棄。因此，當網絡節點為自私時，用于上行和下行流量的均衡傳輸機制的也存在不同。對于上行流量，關鍵角色為中間TAPs，設計的傳輸機制必須鼓勵TAPs轉發所有傳輸數據并向其移動用戶提供真實的數據速率。然而對于下行流量，網關才是機制設計中最重要的一環，這是因為所有數據流量都必須從網關向無線Mesh網絡發送。如果網關為自私的，就會造成中間TAPs的轉發問題，顯然，這種自私行為會造成下行流量的傳輸不均衡問題，因為網關控制了下行流量的整體性能[14]。因此，提出的新方法需要處理中間TAPs的轉發問題，并且促進網關均衡地向不同TAPs傳輸數據。使每個TAP對其他TAPs的最優策略為轉發所有傳輸數據，而對網關的最優策略，則是根據不同TAPs到最近TAPs的吞吐量，來確定下行數據傳輸到哪些TAPs。在提出的均衡傳輸機制中，每個TAP通過向鄰近TAP轉發一個單位傳輸數據獲得一個信用幣。為了賺取真實收益，TAPs必須收集足夠的信用幣來向其移動用戶發送數據。向移動用戶發送一個單位數據所需的信用幣數量并不固定為一個。此外，根據TAPs接收的吞吐量，其向網關支付代幣來確保網關會盡全力向無線Mesh網絡傳輸下行數據。TAPs向網關支付的接收一個單位數據所需的代幣數量也不固定，其是根據所有TAPs吞吐量的均衡指數來確定的。

TAPs也向通向網關的路由通道中的閑置TAPs支付代幣，當TAPs和網關與銀行有較好的鏈路鏈接時，其可以在中央銀行兌現代幣。因此，在提出的均衡傳輸機制下，這種消耗信用幣和代幣的支付設計，是鼓勵自私TAPs轉發所有的傳輸數據，而網關必須盡力向網絡均衡地傳輸下行數據。

設計的策略具體如下：

1)通過控制每個時期自動產生的信用幣數量和TAPs向網關支付的代幣數量，并根據TAPs的目標吞吐量，使網關盡可能均衡地向TAPs傳輸下行數據。

2)調整每個TAP發送一個單位數據到其移動用戶所需的信用幣數量。用來確保每個TAP將會向其他TAPs轉發所有的傳輸數據。

3)向路由通道中閑置的TAPs支付代幣來鼓勵其參與到數據轉發中。

2.3 雙向流量的目標吞吐量

首先，使每個TAP的下行和上行流量共享的時間一致，從而推導出多速率多權值Mesh網絡中雙向流量狀況下的TAPs共享的目標時間。然后證明了當TAPs可以控制下行和上行流量之間的比率時，下行和上行流量的目標吞吐量的可行性(即，所有TAPs傳輸所有局部和傳輸數據所需時間為1，并且所有TAPs都有充足時間來傳輸所有傳輸數據)。

(1)

其中:WTAPi為網絡中TAPi的權重。還需保證每個TAP有足夠時間來轉發來自前面TAPs的所有傳輸數據因此有：

?i,j∈Rf

(2)

然后，必須滿足下列方程式來獲得最大聚合吞吐量。

(3)

這里為了描述簡單，先假設無線Mesh網絡中所有鏈接都有著相同的干擾范圍(即，只有一個鏈接可以在網絡中傳輸)。對于可以空間復用的網絡，必須找到干擾范圍內具有最多流量的瓶頸鏈接。ht為鏈接l上運行的流量數，CLl表示鏈接l的干擾范圍內鏈接的集合。然后瓶頸鏈接定義為具有最大∑l∈CLlhl值的鏈接。由于希望所有上行和下行流量都可以充分利用網絡資源，所以用等式∑fF∑l∈CLktlf= 1表示瓶頸鏈接的時間份額。

根據公式(1)～(3)，可以將每個流量x的第一個鏈接的時間份額計算如下：

belong to TAPk(TAPm)

(4)

由于每個鏈接可能具有不同鏈路容量，所以確定每個鏈接上的每個流量的目標時間份額如下：

is belong to TAPk(TAPm)

(5)

因此，具有雙向流量的無線Mesh網絡中每個TAP的目標時間份額為下行和上行流量時間份額的總和：

flowx(f) is belong toTAPm

(6)

然而，在真實無線Mesh網絡中，TAPs應該有權控制上行和下行流量的比率。定義TAPi的上行和下行流量的時間份額如下：

(7)

(8)

(9)

根據公式(2)可以得出中間TAPs在考慮鏈路容量之后從TAPi轉發傳輸數據所需傳輸時間，如公式(10)和(11)所示：

(10)

(11)

然后，TAPi的上行和下行流量的目標吞吐量為：

*Ci

(12)

(13)

2.4 提出的均衡雙向傳輸機制

(14)

其中:STi為流量穿過TAPi的TAPs的集合。

*(1±δ),thenω=ω,

otherwiseω=ωL,whereωL>ωL

(15)

為了從有限網絡向無線Mesh網絡傳輸下行數據，網關從網絡中所有TAPs處掙得代幣。對于雙向流量，公式如下：

*CTAPi*WTAPi/

CTAPi*WTAPi/(AdTAPi+AuTAPl)))2)

(16)

根據公式(16)，當網關根據TAPs目標吞吐量傳輸下行流量時，AT_FI的值為1。結果，網關轉發一個單位數據就從TAPs接收ζ*AT_FI個代幣。與前文描述的基于獎勵的下行流量機制類似，TAPi向路由通路中閑置TAPs支付λ代幣來傳輸一個單位下行或上行數據。值得注意的是參數ω、λ和ζ之間的關系為ω>λ+ζ。

3 仿真評估

3.1 實驗環境

本章利用NS-2網絡仿真器評估了提出的雙向流量的均衡傳輸機制。重點關注雙向流量的機制是因為空間限制以及雙向流量包括下行流量。圖2仿真模型是一個具有3個雙向流量的TAPs的無線Mesh網絡，在該網絡結構中，處于兩個跳躍之外的TAPs位于載波檢測范圍內。無線鏈接速率均設置為11 Mbps。這些仿真中使用的MAC協議是不具有RTS/CTS的IEEE 802.11 DCF。在接下來的仿真中假設TAPs可以通過交換信息學習移動用戶的聚合流量負載。根據前面提到的設計原則，ω、ζ和λ的值分別為10、2和0.1/字節數據。提出的機制設定δ的值為5%。測量周期為1s。仿真中的所有TAPs都運行雙向流量并且數據流量是數據大小為1000字節的UDP CBR流量。首先，所有TAPs飽和(即，總是有流量傳輸到移動用戶或從移動用戶傳出)，并且TAPs的上行和下行流量的比率為：AuTAP1:AdTAP1=2:3，AuTAP2:AdTAP2=3:7，AuTAP3:AdTAP3=1:4。

圖2 具有3個雙向流量TAPs的無線Mesh網絡

3.2 仿真結果

仿真結果如表1顯示，初始條件下每個TAPs的上行流量和下行流量的平均吞吐量分別為：583和460、433和390、85和405，均衡機制條件下分別為：302和446、225和520、154和592?；谠?02.11 MAC協議，雙向流量的平均吞吐量明顯不公平。相反，均衡傳輸機制下的仿真結果與系統設置則十分接近。值得注意的是這里使用廣播時間替代吞吐量作為網絡中的資源從而避免IEEE 802.11無線網絡的性能異常。表2

表1 TAPs上行和下行流量的平均吞吐量

表2 每個流量的平均吞吐量

顯示了每個流量的平均吞吐量，每個TAP的目標吞吐量大約為742字節，這與仿真結果十分接近。上行和下行流量間的比率也確認了提出方法的配置。此外，仿真結果的平均吞吐量與公平參考模型下的目標吞吐量也十分接近。

接下來本文討論了自私TAPs的不正當行為，即其宣布處于忙碌狀態的錯誤信息。表3分別顯示了TAP2在真實閑置和謊稱非閑置時，在真實非閑置和謊稱閑置時，其獲得的代幣?？梢钥闯?，當TAP2為閑置時，在宣布閑置時TAP3將會支付其114.24個代幣來轉發其上行和下行流量。然而，如果其行為不當或錯誤宣布其忙碌，則TAP3和TAP2的移動用戶將不會向TAP2支付代幣，這是因為TAP2忙碌，沒有數據從移動用戶傳出或傳向移動用戶。同樣，當TAP2真實忙碌(即，其有來自于移動用戶的局部數據要發送)，它將無法謊稱空閑。這是因為當其謊稱空閑時，其他TAPs的支付要遠少于移動用戶(即，ω>λ)的支付。

表3 TAP2在閑置和非閑置情況下獲得的代幣

4 總結

對于無線Mesh網絡中存在的自私節點問題，提出基于獎勵的均衡傳輸機制來解決。再構建公平參考模型，并推導出理想狀態下，每個TAP的客觀吞吐量并證明了每個TAP上行和下行流量目標吞吐量的可行性。然后建立基于獎勵的傳輸機制，最后，將均衡機制下的仿真結果與推導出的每個TAP的客觀吞吐量進行比較，驗證了基于獎勵的均衡傳輸機制的可行性。此外，該網絡中沒有自私行為出現。

未來將會考慮復雜的網絡環境，例如多網關、多信道分配、負載平衡以及資源分配問題。

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