一種基于QoS的無線Mesh網(wǎng)絡DSR路由優(yōu)化算法
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無線Mesh網(wǎng)絡(WireleSS Mesh Network，簡稱WMN)是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即一種高容量、高速率的分布式無線網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡拓撲與移動Ad hoc網(wǎng)絡相似，但WMN的網(wǎng)絡節(jié)點移動性較弱，一般不使用電池作為動力，拓撲變化較小。在單跳接入時，WMN看成是一種特殊的無線局域網(wǎng)(Wireless Lical Area Networks，簡稱WLAN)。目前無線Mesh網(wǎng)絡已作為解決“最后一公里”的網(wǎng)絡接入問題的解決方案寫入IEEE標準。
無線Mesh接入網(wǎng)絡中，非常重要的問題就是路由選擇其協(xié)議借鑒Ad hoc網(wǎng)絡的路由協(xié)議，分為3種：第一種為先驗式路由協(xié)議，也稱為表驅(qū)動式路由協(xié)議(如DSDV、GSR、ZHLS等)；第二種為反應式路由協(xié)議，也稱為源驅(qū)動按需路由協(xié)議(如AODV、DSR、TCRA等)；第三種是前二者的混合．稱為混合式路由協(xié)議(如ZRP等)。
源驅(qū)動按需路由協(xié)議中的動態(tài)源路由協(xié)議(DvnmicSarle Routing,稱稱DSR)是一種按需路由協(xié)議，它允許節(jié)點動態(tài)發(fā)現(xiàn)到目的節(jié)點的多跳路由。DSR協(xié)議具有支持單向鏈路，發(fā)現(xiàn)多條路由等優(yōu)點，但對路由需求反應慢，這樣可能造成時延、網(wǎng)絡擁塞等故障，從而嚴重影響服務質(zhì)量(Ouality ofService，簡稱QoS)。在優(yōu)化DSR協(xié)議的基礎上，對于多條可選擇的非相關(guān)路由應用博弈論于各節(jié)點間的功率增益、源節(jié)點的發(fā)射功率、接收端(目的節(jié)點或目的網(wǎng)關(guān))的噪聲頻譜密度等，提出一種可有效提高數(shù)據(jù)效率，減少時延和網(wǎng)絡擁塞的新路由算法。
2 基于博弈論的DSR路由優(yōu)化算法
以DSR協(xié)議為基礎，引入博弈論的思想，綜合多種影響網(wǎng)絡傳輸?shù)囊蛩貙崿F(xiàn)DSR路由優(yōu)化算法。
2．1 無線Mesh網(wǎng)絡中的博弈論思想
博弈論應用于無線Mesh網(wǎng)絡，包括以下幾個方面。
(1)參與者 定義無線Mesh網(wǎng)絡中的源節(jié)點l是參與者，l為一個有限集合，l={l，2，3…k}。
(2)策略集合本算法假定在無線Mesh網(wǎng)絡中，每個源節(jié)點都要選擇一定路由才能到達目的節(jié)點(或目的網(wǎng)關(guān))，并且所選的路由策略盡可能保證源節(jié)點的最大吞吐量，盡可能減少時延和網(wǎng)絡擁塞等問題，以及提高QoS，所以在無線Mesh網(wǎng)絡中源節(jié)點到達目的節(jié)點(或目的網(wǎng)關(guān)1的所有可能單跳或多跳路由策略就是Mesh博弈論的策略集合。
(3)贏得集合無線Mesh網(wǎng)絡中，算法設定任意一對節(jié)點間的功率增益、每個源節(jié)點的發(fā)射功率、接收端(目的節(jié)點或目的網(wǎng)關(guān))的噪聲頻譜密度等網(wǎng)絡必備因素。在此前提下，源節(jié)點根據(jù)一定的路由策略得到的符合完成吞吐量以及解決擁塞問題的路由，即博弈論中的Nash均衡點。
2．2 非相關(guān)路由的選擇標準
非相關(guān)路由數(shù)目的增加有利于源節(jié)點尋找到大吞吐量、小時延的路由。從而實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，隨之選擇非相關(guān)路由成為問題的關(guān)鍵。這里引用博弈論思想，由于備選的路由本身存在競爭關(guān)系，因此是一個動態(tài)博弈的過程。
在兩節(jié)點的并行鏈路拓撲情況下，均衡的存在性和唯一性可通過一定的弱凸條件得到。量化用戶i的延時函數(shù)為：
式中，jil(fl)為節(jié)點i在鏈路l上的延時。
對于每個用戶來說，其延時為經(jīng)過鏈路上的延時之和，每個鏈路占用率只與該鏈路上的業(yè)務流相關(guān)。假設鏈路的均衡條件：
(2)Til連續(xù)可微，嚴格遞增且是凸函數(shù)。
為每單位流量。
該假設保
都是凸函數(shù)，鏈路占用函數(shù)為：
式中：Cl為鏈路帶寬,fl為業(yè)務流速率。且flCl，否則Til(fl)趨近于無窮，從(1)式可知它包含無窮大值(到無窮大的過程是連續(xù)的)。
對于一個Nash均衡點．每個業(yè)務流分配都是對其他所有聯(lián)合流分布的一個最佳反應，則：
上述兩個假設保證Til(fl)是嚴格凸于fil的。只要保證這個模型是凸博弈，則它的均衡就存在。作為每條鏈路的最佳響應，最優(yōu)化的問題經(jīng)上述假設成為一個存在均衡解凸問題。盡管如此，最佳響應的唯一性并不能保證均衡點的唯一性。當鏈路占用函數(shù)為無窮大時．即當發(fā)送的數(shù)據(jù)大小無法在一條鏈路上傳輸時，就無法通過上述兩個約束條件來尋找Nash均衡點，即尋找最合適的路由進行傳輸，這樣就引入均衡條件(3)：對于任何一個導致無限分配的流分配方案，至少可以找到一種將要傳輸通過更改流分配使其從無限代價轉(zhuǎn)化成有限代價，引入一個效用函數(shù)的方法來解決，該效用函數(shù)通常默認是凸增的，也即當業(yè)務流速率可能大于鏈路帶寬即有彈性需求時，其解決辦法就是增加鏈路分流超出固定需求的部分，而其代價就是使用該部分業(yè)務流。
對于無線Mesh網(wǎng)絡來說，判斷是否存在均衡點的方法就是利用齊次嚴凸(Diagonal Strict Convexity，簡稱DSC)，DSC是一種用來求解唯一均衡的常用工具。
在這里，定義
為流分配延時的加權(quán)和，并且
如果DSC系統(tǒng)存在矢量ρ，那么均衡就是唯一的，也就是說該g(f ρ)Pseudo-Jacobian矩陣是正定的，則均衡是唯一存在的。
由上述可知，當業(yè)務流速率小于鏈路帶寬時，則依據(jù)均衡條件(1)和(2)，在延時和吞吐量等因素間的博弈中找到最佳路由。而當業(yè)務流速率可能大于鏈路帶寬，即有彈性需求時，則依據(jù)均衡條件(3)，將流分配延時加入博弈的因素中，在這幾種因素中進行博弈，得到最佳路由。
依照以上對于基于博弈論的DSR路由優(yōu)化算法的闡述，發(fā)現(xiàn)該算法在增加了源節(jié)點到目的節(jié)點的非相關(guān)路由之后，考慮業(yè)務流速率小于或大于鏈路帶寬這兩種情況，在眾多備選的路由中，綜合延時、網(wǎng)絡吞吐量等因素，在這些因素的相互博弈中尋找到最佳的傳輸路由，理論上可以達到預定的優(yōu)化效果。
3 協(xié)議仿真與性能評價
3．1 仿真環(huán)境設定
仿真時選擇Linux下的ns一2的2．3l版本，MAC層采用802．11協(xié)議，仿真環(huán)境是1 000 m×1 000 m，隨機分布50個節(jié)點。節(jié)點0每隔0．05 s發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組，目的節(jié)點是節(jié)點19，其他節(jié)點不發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點每次傳輸數(shù)據(jù)時，從自身的路由表中選取一條路由行傳輸。首先為節(jié)點1設定選取方向，沿著該方向以一定速度移動。當移動到邊界時，再隨機選取另一個方向，以相同的速度移動。節(jié)點在低于10 m／s的速度下仿真和模擬，以節(jié)點移動30 m為限與原始DSR協(xié)議相對比。
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