基于能耗均衡的无线Mesh自组网络可信连接激励方法与流程

本发明涉及无线自组网领域，具体涉及一种无线mesh自组网络可信连接激励方法。

背景技术：

无线mesh网络不需要基站等基础设施的支撑，以分布式思想为导向，构建动态自组织的无线多跳网络，使得网络覆盖范围内的节点可以灵活对互联网进行高速无线访问，并动态地保持与其他节点的联系。在无线mesh网络中，每个节点都具备向外发出无线信号的能力，极大地拓宽了网络覆盖面，同时每个节点都拥有路由功能，可转发数据，避免因接入节点的增加而造成数据拥堵。另外，mesh网络的自修复技术可以保障当一条连接路径出现故障时，网络节点可以自适应寻找连通路径进行通信，进而提高整个网络的稳定性及可靠性。无线mesh网络能够适应现代化军事及社会发展的通信需求，因此，具有非常重要的研究价值。

在无线mesh网络中，只要有一部手机连入网络，周围一定区域的人们就可以搭建一个属于自己的互联网。但这种通信方式很难保证个人信息的安全，并且骨干节点的耗电量是巨大的。此外，野外环境复杂，部署通信基础设备难度较大，无线网络节点能量使用缺乏均衡性，将导致野外动节点接入互联网及节点间的通信面临巨大挑战。因此，能耗均衡、可信接入是无线自组织网络需要重点关注的两个问题。

假设一个动态节点node可以连接互联网，该节点接入互联网后，其功率覆盖范围内的其他动态节点均可通过node热点上网，并可实现动态节点(智能手机)间的通信。新的动态节点想要接入该组网实现上网或者与组网内的节点通信的目的，必须通过信誉和协作能力的评估认证，只有符合要求的动态节点才具备申请加入该组网的资格。信誉的评估是为了保障节点通信的信息安全性，而协作能力的评估是衡量当前节点是否能够较好的配合其他节点实现组网通信。考虑到组网内所有节点访问互联网均需借助节点node转发消息，势必大量消耗节点node的电能，为了更好的激励节点node无私的提供网络协助，有必要使得节点node能够获取到经济或者其他方面的收益。实际情况是，在一片区域内，可能会存在不止一个动态节点具备连入互联网的能力(网络无线电波可覆盖)，同时可能存在大量的无法连入互联网的节点(网络无线电波未覆盖)，因此，设计一套有效的方法规划协作群体实现网络连通的自由便捷性符合信息时代的理念。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出了一种无线mesh自组网络可信连接激励方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无线mesh自组网络可信连接激励方法，包括如下步骤：

步骤1，设置骨干节点的注册资质及分支节点的准入条件，筛选出具备构建私人网络资质的骨干网络节点集合，以及允许借用骨干节点访问互联网的分支节点的集合；

步骤2，根据动态节点的配合意愿和所具备的能量，计算骨干网络节点组网的整体协作水平，筛选出需要接收新节点的骨干节点集合；

步骤3，从骨干节点的期望接收节点组合剔除垄断节点，确定有效期望组合，计算有效期望组合的单节点平均支出，确定胜者集合和对应的接入节点集合，完成基于激励方法的无线自组网络可信连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：能够有效的激励网络电磁覆盖的完全理性节点构建组网，协助其他非电磁覆盖的节点进行网络通信，该组网具备互相信任、积极协作、能耗均衡的特点，并考虑待接入网络节点的组合意愿及骨干节点期望接收的节点组合。

附图说明

图1是无线mesh自组网络可信连接激励方法的流程图。

图2是mesh末端组网的建立及节点接入的激励机制原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明适应场景为无线mesh网络环境，寻求访问互联网的节点均具备路由转发功能，动态节点通过协作实现网络的访问及节点间的信息交换。本发明旨在设计一套机制激励电磁覆盖的节点共享热点构建自组网络(类似无线mesh的末端网络)，通过建立多方的利益关系，控制非电磁覆盖节点的安全接入已经存在的且对外发布的自组网络，并充分考量各组网内部节点的负载，均衡能耗，保障自组网络的持久稳定性。另外，本发明借鉴加权聚合思想进行适应性分析，决定当前的自组网络是否需要引进新节点，以提升整体协作能力。随着整体节点能量的损耗，通信协作能力呈现下降趋势，因为完全理性的节点都是自私的，强制要求其协助转发消息会使该节点为了追求利益均衡而脱离团队，而引进新节点势必会增加现有节点的通信链路，但新节点的过量加入会使得骨干节点(每个组网连接互联网的唯一节点)超负荷运作，一定程度上损害了主干节点的利益。为此，本发明设计了一套方案控制组网内部整体协作水平，保障各方的利益均衡。

基于能耗均衡的无线mesh自组网络可信连接激励方法，整个操作详细流程参见图1，具体步骤如下：

步骤100：统计某一区域内网络电磁覆盖的且希望建立组网扮演网络访问媒介的节点，命名为骨干节点，另外统计该区域内非网络电磁覆盖的且有意向访问互联网的动态节点，命名为分支节点。并明确骨干节点的注册资质及分支节点的准入条件，详细步骤包括：

动态节点状态初始化101：假设某一区域内存在k个动态节点，定义为a＝{a1,...,ak}，m个电磁覆盖的骨干节点b＝{b1,...,bm}可以连接到互联网且构建了私人网络，存在n个非电磁覆盖的分支节点c＝{c1,...,cn}有意向访问互联网，需要借助骨干节点b中的元素实现目标。其中，

确认所有节点的注册及准入资质102：假设已知动态节点所具备的信誉值，那么a＝{a1,...,ak}所对应的信誉序列为r＝{r(a1),...,r(ak)}，要求a中任意元素所对应的信誉值必须满足ri≥r0，才具备参与任务的资质，其中ri∈r，r0为预设的基准信誉阈值。因此具备构建私人网络资质的骨干网络节点集合为b′＝{b1,...,bm′}，其中而允许借用骨干节点访问互联网的分支节点的集合为c′＝{c1,...,cn′}，其中当某个节点存在危险性行为，如窃取他人信息，其对应的信誉值将大大降低。

步骤200：为了保证自组网络内节点的协作性，本发明设计了一套机制来衡量组网的整体协作能力，辅助骨干节点决策是否要竞标新节点的加入，即多骨干节点竞争分支节点加入自组网络。考虑到动态节点的自私性，假设a中所有动态节点均关联了一个主观配合意愿值，那么结合加权聚合思想和每个节点所具备的能量，本发明进行了拓展延伸，可以量化整体协作能力，并依据骨干节点需求预设一个整体协作阈值{ξ(bi)|bi∈b′}。当以bi为骨干节点的组网内所有节点的整体协作能力水平小于该阈值，则接收新节点提升整体协作水平(新节点的加入势必会增加部分节点路径选择范围)，反之，表明当前节点团体协作通信过程较为和谐，可以考虑暂停接收新节点。其中协作能力代表的是动态节点在网络活动(如借助骨干节点访问网络)中的配合力度，衡量分支节点是否能够积极帮助其他节点转发消息。具体原理包含在图2中，详细步骤包括：

个体节点的协作度量化201：定义a中所有动态节点对应的配合意愿序列为θ＝{θ(a1),...,θ(ak)}，剩余能量百分比序列为e＝{e(a1),...,e(ak)}，节点ai∈a的协作水平定义为x(ai)，充分考虑节点的配合意愿和剩余能量百分比，容易得出x(ai)＝θ(ai)^αe(ai)^β，其中α和β为正数控制因子，取决于骨干节点的偏向。

组网的整体协作度量化202：某一区域内节点集合a中的任一理性节点ai∈a出于个人利益角度分析，可能会出现拒绝配合转发信息的现象，为此，本发明定义理性节点ai选择协助转发信息的概率为p(ai)，那么拒绝配合转发信息的概率为1-p(ai)，其中p(ai)＝x(ai)∈[0,1]。针对骨干节点bj所构建的组网，假设bj存在分支节点集合s(bj)，又称胜者集合，结合加权聚合思想进行拓展，并基于s(bj)的协作水平和bj可容忍的不协作度1-ξ(bj)，围绕bj建立的唯一网络可以得出如下权重聚合结论：

由上述公式容易发现，当存在新节点加入或者s(bj)胜者集合中元素的剩余能量百分比发生变化时，ω(bj)的值才会出现波动，此时骨干节点bj将会作出以下抉择：

当时，说明骨干节点bj所构建的组网具备整体协作良好的状态，bj骨干节点考虑负载均衡和群体利益，选择保持当前状态，不再接收新节点，因为过多的引进新节点会导致网络拥堵，理性分支节点从个人收益角度出发，会选择脱离组网群体，寻找新团体。

反之，时，说明当前以bj为核心的组网整体协作水平下降，则需竞标引进新分支节点，以保持整体协作状态水平，否则可能会出现因部分节点的不合作导致理性分支节点流失，损害骨干节点bj的利益(分支节点的大量流失，势必造成bj收益减少)。

步骤300：基于步骤200中涉及的满足竞拍要求的骨干节点序列及游离分支节点序列，设计一种激励电磁覆盖节点b′＝{b1,...,bm′}构建私有网络的机制，并充分考虑c′＝{c1,...,cn′}中分支节点组合入网的意愿(c′中节点尚未加入到组网群体中)，这符合典型组合竞价的模式，游离分支节点和骨干节点双方构成了密封逆向组合拍卖模型，游离分支节点自行组合，并给出心里可以接受的支付价格，支付价格是针对游离分支节点预计可能消耗流量的给出的一个可接受成本。而骨干节点同样给出希望竞拍得到的节点组合及真实价格(价格同样是针对分支节点所需要消耗的流量而言)，本发明涉及的机制可以保障完全理性骨干节点给出自己的真实价格，因为非真实的价格将使该骨干节点成为此次拍卖的败者。

本发明借鉴组合拍卖激励机制均值报价思想进行演化拓展，涉及的单次拍卖满足单调性和个体交易价格为临界值，如果个体存在投机取巧行为，随意报价，将很可能成为拍卖活动的败者。本发明设计的激励机制符合myerson法则，具备有效激励性。详细原理如图2所示。

组合竞价机制参数定义301：存在c′＝{c1,…,cn′}非电磁覆盖节点元素期待通过b′＝{b1,…,bm′}中骨干节点构造的组网访问互联网，为了促进骨干节点与分支节点间的有效合作，c′＝{c1,…,cn′}中的节点元素需要支付骨干节点酬劳用于激励b′＝{b1,…,bm′}参与合作。b′＝{b1,…,bm′}中骨干节点的功率覆盖范围有限，本发明假设在b′＝{b1,…,bm′}中节点功率覆盖范围内且有意愿接入私人组网的游离分支节点集合为其中代表bi功率覆盖的且有意向引进bi所构建组网的节点集合，而对于任一骨干节点bi∈b′至少存在一个接收节点意向组合，为了便于叙述，本发明定义bi报出的接收意向组合为其中n(bi)代表bi想要竞拍的集合数，骨干节点集合b′＝{b1,…,bm′}对应的期望接收节点组合序列为：

与期望接收节点组合序列对应的密封报价为bi的期望接收节点集合及报价的对偶序列为

另外，c′＝{c1,...,cn′}中元素的意向组合为其中游离分支节点入网意向组合对应的心理价位序列为v＝{v1,...,vγ}。

判断垄断节点302：对c′所包含的游离分支节点，可能存在某一节点cj∈c′只被bi∈b′唯一功率覆盖，那么本发明定义这种情况是垄断的，因为此刻bi不存在任何竞争对手。如果游离分支节点cj非常渴望获取访问互联网的机会，那么骨干节点bi可能为了获取更丰厚的收益而漫天要价。针对这种情况，本发明阐明以下执行流程：

(1)为了保障激励机制的有效性及维护市场的秩序，本发明选择暂时剔除包含垄断节点的游离分支节点组合。定义垄断游离节点集合为cmon，非垄断游离节点集合为cnomo，假设节点元素cj被集合包含的次数为容易得出其中为了保障骨干节点bi恶意规避垄断(因为每个骨干节点可以提交若干个期望接收节点集合，若某一骨干节点提交的多个集合重复包含某个节点，可能会导致自己与自己竞争的局面)，约定提交的期望集合不存在交集，即而中不包括垄断游离分支节点的意向组合为垄断游离分支节点的意向组合为

(2)针对中的游离分支节点意向组合展开竞价拍卖活动。

(3)针对包含垄断游离分支节点的意向组合中的集合，采取协商或重组意向组合，抛弃垄断分支节点，重新组合。假设存在某一包含垄断游离分支节点cl的组合那么变化后的可以选择直接拍卖或与其他非垄断节点结合，然后公开拍卖。

确定胜者集合303：为不包括垄断游离分支节点的入网意向组合，胜者集合的确定依据骨干节点的有效期望组合单节点平均支出，此处的胜者集合为成功获取到游离分支节点加入组网的骨干节点。本发明在此阐述何为有效期望组合单节点平均支出，由步骤301可得，骨干节点bi的期望接入节点组合为依据步骤302定义的非垄断节点组合cnomo，假设当前尚未接入组网的非垄断节点元素集合为crest，那么当存在以价格o(bi)j竞标，那么有效期望组合单节点平均支出为：

为了避免出现骨干节点的作弊现象，骨干节点密封提交的所有意向集合只能有一个中标(如果有多个中标的可能性，机制将存在合作博弈的因素)，确定胜者集合的详细步骤如下：

(1)尚未接入组网的非垄断节点集合crest的初始状态为crest←cnomo，参与竞拍且尚未竞拍成功的骨干节点集合为brest←b′，对应意向集合为胜者集合初始状态定义为对应的期望接入节点集合和真实接入节点集合序列分别为胜者集合与对应接入节点集合映射序列为

(2)对中集合元素r(bi)j，计算有效期望组合单节点平均支出：

(3)计算最小有效期望组合单节点平均支出对应的骨干节点：

(4)统计胜者集合及对应的接入节点集合、映射序列：

(5)去除掉已经成功接入组网的分支节点组合：

(6)去除掉与b^*有关联所有期望接入节点集合：

重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)直到crest为空，此时的即为胜者集合，为其对应的接入点集合，胜者与接入点集合的映射序列为

确定最终交易价格304：迈尔森法则证明了如果单次拍卖满足单调性和个体交易价格为临界值，那么说明这个机制是有效的，具备激励意义。本发明在此计算每个胜者针对接入节点集合的临界价格(骨干节点想要获取的收益价格)。确定临界交易价格的详细步骤如下：

(1)针对步骤303中的胜者集合定义对应的交易价格映射序列为q，用于判断摆脱个体控制的报价映射序列为q′；

(2)选择任一胜者依据步骤301的期望集合暂存期望集合(注：计算过程中胜者与临时定义的期望集合对应，如

(3)初始化临时胜者集合存储序列crest←cnomo，骨干节点剩余集合为brest←b′；

(4)由步骤303中的期望节点集合可获知由骨干节点发起且真正参与到竞拍中的节点元素组合，并依此计算当前的最小价格：更新最终交易价格为其中r(bτ)ex为步骤304中叙述的序列中胜者bτ对应的期望报价组合；

(5)为激励骨干节点给出真实的报价，计算骨干节点收益的临界点价格判断摆脱个体控制的价格

(6)更新若则

(7)重复步骤(4)、(5)，直到此时q(bτ)的值即为bτ可以获取的交易价格，q←q∪(bτ,q(bτ))，q′←q′∪(bτ,q′(bτ))；

(8)跳转到步骤(2)，直到遍历完中所有的胜者(骨干节点竞拍胜利者)，得到完整的胜者和交易价格映射序列q。

激励机制有效性控制305：由步骤302的非垄断组合序列及步骤301叙述的游离分支节点入网意向组合分支节点可承受价格序列为v＝{v1,...,vγ}，因为很容易就可以得出对应的价格序列，定义为v^*，总承受价格依据步骤304中q′映射序列容易得出，机制有效的报价上限值为如果v^*<q′,说明此次游离分支节点或骨干节点的报价不足以支撑本次机制的有效运作，则寻求价格调整，重新展开拍卖活动。

确定分支节点实际支付成本306：由步骤304中报价映射序列q，容易得出胜者集合提供服务所需总价值为依据分支节点的流量需求及骨干节点服务体验度，划分个体应该承担的价格。假设已知胜者骨干节点bi的体验度为t(bi)，已接入骨干节点bi建立网络的分支节点cj流量需求为f(cj)，则cj个体需要承担的价格依据为g(cj)＝t(bi)^ζf(cj)^η，ζ和η已知且可调整，取决于参与竞拍分支节点的偏向。计算所有已经接入网络节点cj对应的权重g(cj)，划分胜者集合提供服务所需总价值若存在部分属于cnomo的节点放弃本次拍卖安排，则跳转到步骤302，重新开始节点网络连接的“拍卖”活动。

本发明还提出一种无线mesh自组网络可信连接激励系统，基于上述方法，进行无线mesh自组网络可信连接激励。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法，进行无线mesh自组网络可信连接激励。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法，进行无线mesh自组网络可信连接激励。

以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。