樂(lè)光學(xué)，駱 丹，劉建生，李明明

（1.嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院 嘉興314001；2.江西理工大學(xué)理學(xué)院 贛州341000）

1 引言

隨著有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的深度融合和承載業(yè)務(wù)的多樣化，互聯(lián)網(wǎng)已成為一個(gè)開(kāi)放復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)(wireless mesh network,WMN)由mesh路由和mesh終端組成，具有自組織、自配置、靈活多跳、移動(dòng)等特點(diǎn)[1～4]，是目前比較公認(rèn)的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)本身特有的性能局限、移動(dòng)和行為的不確定性、帶寬有限且不太穩(wěn)定等引發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)抖動(dòng)效應(yīng)，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能并降低網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，尤其對(duì)帶寬、時(shí)延和抖動(dòng)等有嚴(yán)格要求的流媒體服務(wù)影響最為嚴(yán)重。研究表明：抖動(dòng)是網(wǎng)絡(luò)普遍存在的問(wèn)題，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的原因大

可分為以下幾點(diǎn)。

·網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)頻繁上下線引起的抖動(dòng)[5～8]。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)頻繁地上下線，使得該區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鄰居表等信息頻繁更新，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。一旦鄰居表的更新趕不上節(jié)點(diǎn)的頻繁變化，將造成節(jié)點(diǎn)鄰居表中的連接情況與實(shí)際的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一致；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，路由表頻繁更新，將大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)代價(jià)，增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

·網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)[9～11]。節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行流媒體數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)分組i、j到達(dá)接收端的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為Di、Dj，當(dāng)時(shí)延差異值|Di-Dj|大于一定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)致目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)出現(xiàn)播放模糊、像素降低等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響流媒體文件質(zhì)量。

·網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)理性導(dǎo)致的傳輸速率抖動(dòng)[10,12]。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，t、t+1時(shí)刻發(fā)送端上傳速率差異較大，即傳輸過(guò)程中時(shí)快時(shí)慢，斷斷續(xù)續(xù)，導(dǎo)致目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的文件出現(xiàn)播放不暢通、斷斷續(xù)續(xù)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響客戶對(duì)該文件的興趣，降低網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

節(jié)點(diǎn)的行為是自然人的行為特征在網(wǎng)絡(luò)中的體現(xiàn)，具有自私和理性特征，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并非每個(gè)都遵循“平等互惠、友好共處”理念。為防止出現(xiàn)擁塞狀態(tài)，源節(jié)點(diǎn)將通過(guò)限制傳輸速率來(lái)緩解自身的負(fù)荷超載。這種行為將導(dǎo)致流媒體服務(wù)質(zhì)量急劇下降，使服務(wù)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)失去興趣而退出網(wǎng)絡(luò)。

為探究這一問(wèn)題，業(yè)界對(duì)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了大量的研究成果。

[7,8,13]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)特性、測(cè)量方法對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)頻繁上下線引起的抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析，并歸納了現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中抖動(dòng)行為的應(yīng)對(duì)策略。

參考文獻(xiàn)[9,14～18]從擁塞角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)行為進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)[9]中針對(duì)實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的擁塞、時(shí)延抖動(dòng)等情況提出了基于抖動(dòng)檢測(cè)的擁塞控制（JDCC）算法；參考文獻(xiàn)[14]通過(guò)對(duì)丟棄分組概率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送端的發(fā)送速度，提出了基于AOS的H9urst-優(yōu)先級(jí)自適應(yīng)RED與動(dòng)態(tài)調(diào)度算法；參考文[15]中針對(duì)多播樹(shù)中鏈路時(shí)延與節(jié)點(diǎn)會(huì)話期間的行為穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出了適用于高抖動(dòng)下的P2P視頻流媒體多播系統(tǒng)；參考文獻(xiàn)[16]基于最大流的無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，提出了針對(duì)負(fù)載均衡分配的算法，在減少網(wǎng)絡(luò)擁塞概率的同時(shí)，降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；參考文獻(xiàn)[17]中針對(duì)無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量分配問(wèn)題，提出了基于博弈論的公平性路由協(xié)議，將負(fù)載均衡地分配到每個(gè)枝節(jié)點(diǎn)上，從而降低了根節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略降低了節(jié)點(diǎn)端到端的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和平均時(shí)延；參考文獻(xiàn)[18]中針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)直接影響網(wǎng)絡(luò)QoS，提出了具有最大速率控制的速率保障(maximum rate control-guaranteed rate，MRC-GR)算法，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行MRC-GR算法，保障流f在MRCi(pfj)和GRCi(pfj)+βi之間傳輸，對(duì)流的最大速率進(jìn)行控制。

針對(duì)上述情況，本文提出了無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率抖動(dòng)的抑制策略，其核心思想為：

·對(duì)協(xié)同服務(wù)節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行抖動(dòng)預(yù)測(cè)[19～21]，選擇合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流媒體訪問(wèn)，保證下載的流暢性，減小傳輸過(guò)程中出現(xiàn)傳輸速率抖動(dòng)現(xiàn)象。

·對(duì)正在實(shí)施流媒體訪問(wèn)服務(wù)的節(jié)點(diǎn)實(shí)行擁塞檢測(cè)和抖動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)累計(jì)抖動(dòng)超過(guò)容忍度，或發(fā)生擁塞且達(dá)到自恢復(fù)失效臨界的節(jié)點(diǎn)，采用失效恢復(fù)策略進(jìn)行替換處理。

2 抖動(dòng)抑制策略研究與分析

2.1 模型建立

無(wú)線mesh和流媒體技術(shù)對(duì)帶寬具有較高要求，當(dāng)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)過(guò)多、帶寬資源有限、出現(xiàn)擁塞時(shí)，源端節(jié)點(diǎn)將會(huì)限制上傳鏈路的傳輸速率，使得接收端的流媒體播放出現(xiàn)不流暢、斷斷續(xù)續(xù)等狀況，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的可靠性。對(duì)此，針對(duì)無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率抖動(dòng)行為提出了抖動(dòng)抑制策略，核心策略如下。

（1）基于抖動(dòng)預(yù)測(cè)的鄰居選擇策略

當(dāng)節(jié)點(diǎn)選擇源端時(shí)，對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的歷史交易情況、在線時(shí)長(zhǎng)、帶寬等因素預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生傳輸速率抖動(dòng)的概率，保障傳輸過(guò)程中獲得更好的服務(wù)質(zhì)量。

（2）基于抖動(dòng)檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)失效恢復(fù)策略

當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流媒體資源傳輸時(shí)，首先對(duì)源端的擁塞狀態(tài)進(jìn)行判定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的擁塞超過(guò)一定閾值時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)采用基于抖動(dòng)預(yù)測(cè)的鄰居選擇策略，預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng)的概率，判定抖動(dòng)恢復(fù)的自我調(diào)節(jié)能力；當(dāng)源端的抖動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有很好地實(shí)行上傳，甚至制約了節(jié)點(diǎn)間的資源訪問(wèn)，針對(duì)這類(lèi)情況，選擇合適的節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行替換，抑制傳輸速率抖動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)未發(fā)生擁塞時(shí)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)帶寬資源充足，采用限速行為的概率較小，只累計(jì)節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)值，允許網(wǎng)絡(luò)中存在一定程度的抖動(dòng)行為。一旦節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)累計(jì)值超過(guò)了抖動(dòng)閾值，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)失效，選擇節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換。

針對(duì)上述內(nèi)容，無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)傳輸速率抖動(dòng)抑制策略的流程如圖1所示。

圖1 抖動(dòng)抑制策略流程

2.2 基于博弈的信任機(jī)制

無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)帶寬有限，流媒體播放又要求流暢性和清晰度，為了能更好地保障服務(wù)質(zhì)量，避免傳輸過(guò)程中因傳輸速率抖動(dòng)造成資源的不流暢現(xiàn)象，必然要選擇可信的節(jié)點(diǎn)作為源端節(jié)點(diǎn)。

信任機(jī)制通過(guò)建立量化的評(píng)價(jià)體系，計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任值來(lái)度量節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)的“可信程度”，是節(jié)點(diǎn)行為研究過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)是無(wú)中心、自組織，網(wǎng)絡(luò)中共享的資源來(lái)自于系統(tǒng)各個(gè)終端用戶節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)具有理性、自私性，難以保證節(jié)點(diǎn)在資源傳輸交互時(shí)提供的服務(wù)具有可信度，因此信任模型的建立對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)行為研究具有深刻意義。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)鄰近節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求流媒體文件時(shí)，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是理性的，傳輸速率快慢不一致，尤其自身帶寬緊缺時(shí)會(huì)出現(xiàn)限速行為。對(duì)此，根據(jù)節(jié)點(diǎn)歷史交易情況獲得其可信度，其模型如下。

交易情況類(lèi)型：交易成功（success，Ss）、交易失?。╢ail，Sf）。

策略：Si(t)={Ss，Sf}，其中，Si(t)表示節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻交易狀況。

為了保證節(jié)點(diǎn)交易過(guò)程中節(jié)點(diǎn)服務(wù)的質(zhì)量，本文基于博弈方式[22，23]對(duì)最近兩次交易情況進(jìn)行討論，見(jiàn)表1。

表1 迭代過(guò)程中節(jié)點(diǎn)信任度系數(shù)r(t)值

其中，Hi(k)表示節(jié)點(diǎn)i在交易成功或失敗時(shí)受到的獎(jiǎng)罰力度，其中k表示節(jié)點(diǎn)i交易成功（k=1）或交易失?。╧=2）情況。從表1可知，最佳的情況為：(Si(t-1),Si(t-2))=((Ss,Ss))，即：（成功，成功），連續(xù)兩次良好交易獲得的信任最多；反之，一旦節(jié)點(diǎn)i連續(xù)兩次因擁塞限速出現(xiàn)抖動(dòng)行為造成交易失敗，其信任值將會(huì)大幅度下降。

節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的信任值主要包括3個(gè)部分，包括：歷史交易累計(jì)信任值C、近期交易信任值r(t)以及t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的信任值。其中信任值C主要涉及節(jié)點(diǎn)i以往交易成功次數(shù)m與失敗次數(shù)n，根據(jù)成功概率表明其信任值，具體定 義 如 下[24，25]。

定義1根據(jù)節(jié)點(diǎn)的歷史交易情況計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任度C：

定義2節(jié)點(diǎn)i的交易信任度計(jì)算如下：

其中，α是一個(gè)常數(shù)系數(shù)，表示節(jié)點(diǎn)交易信任值對(duì)上一次交易的依賴(lài)度。通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任值，判斷該節(jié)點(diǎn)是否可信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互時(shí)，盡可能地選擇與可信程度較高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接交互，從而減少交互時(shí)因擁塞限速、傳輸斷斷續(xù)續(xù)等不良交互行為，提高通信鏈路的可靠性，同時(shí)保證服務(wù)可信度。

2.3 基于抖動(dòng)預(yù)測(cè)的鄰居選擇策略

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)帶寬資源不足時(shí)，常常通過(guò)限制上傳速率來(lái)避免擁塞，造成訪問(wèn)端接收的流媒體資源服務(wù)質(zhì)量低下，選擇具有良好傳輸品性的節(jié)點(diǎn)能更有效降低節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)行為。針對(duì)這種情況，當(dāng)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求訪問(wèn)時(shí)，選擇提供文件fk的鄰近節(jié)點(diǎn)集，根據(jù)節(jié)點(diǎn)交易情況計(jì)算其交易信任值，通過(guò)共享文件數(shù)量、在線時(shí)長(zhǎng)、交易成功/失敗次數(shù)、帶寬等特征值計(jì)算節(jié)點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng)的概率，選擇抖動(dòng)概率較低的鄰居節(jié)點(diǎn)作為源端進(jìn)行流媒體訪問(wèn)，保障通信鏈路傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量[26，27]。其算法描述如下。

其中，U_churn(j,t)表示抖動(dòng)預(yù)測(cè)值。

參考文獻(xiàn)[27，28]對(duì)服務(wù)效用函數(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，基于參考文獻(xiàn)[27，28]的研究成果，設(shè)t時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)i通過(guò)文件的上傳參與網(wǎng)絡(luò)中資源的共享，根據(jù)上傳成功與失敗的信息獲取文件上傳收益Ufile(i,t)為：

其中，popular(fs)表示文件fs受歡迎度，取值范圍為[0,1]，數(shù)值越大表示共享的文件受歡迎程度越高、價(jià)值越大。反之，數(shù)值為0則表示該文件是毫無(wú)價(jià)值的垃圾文件；Hi(1)、Hi(2)分別表示節(jié)點(diǎn)i在上傳成功和失敗時(shí)對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)罰度；size表示文件大小，count表示文件被上傳/下載次數(shù)表示上傳傳輸速度。節(jié)點(diǎn)上傳成功越多、失敗越少，表明該節(jié)點(diǎn)在傳輸過(guò)程中服務(wù)質(zhì)量越好，性能越高。

定義3資源分享節(jié)點(diǎn)在每次交易過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)交易成功、交易失敗以及無(wú)法滿足所有用戶需求等情況，這些歷史交易數(shù)據(jù)可以用來(lái)預(yù)測(cè)該節(jié)點(diǎn)之后交易行為的狀況，則節(jié)點(diǎn)的交易收益值Udeal(i,t)為：

其 中，counts、countf、countno_sat分 別 表 示 文 件 成 功 交 易次數(shù)、交易失敗次數(shù)、為擱置需求交易次數(shù)；η1、η2、η3是常數(shù)系數(shù)，分別表示上述3種節(jié)點(diǎn)數(shù)量的權(quán)重，取值范圍都在[0,1]之間，且η1+η2+η3=1。相對(duì)于文件上傳收益，此交易收益為小幅度的獎(jiǎng)罰，根據(jù)其歷史交易情況微調(diào)節(jié)點(diǎn)i作為上傳節(jié)點(diǎn)時(shí)的交易收益值，從而更好地預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)i的未來(lái)交易行為。

定義4當(dāng)節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1天時(shí)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)的上下線抖動(dòng)幾率較小，由在線時(shí)長(zhǎng)帶來(lái)的貢獻(xiàn)值越高，那么節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長(zhǎng)收益值公式Uonline為：

其中，online表示節(jié)點(diǎn)i的在線時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長(zhǎng)小于24 h時(shí)，取值范圍為(0,1)，online越小，則節(jié)點(diǎn)在線時(shí)長(zhǎng)收益值就越小，當(dāng)online趨向于24 h時(shí)，在線收益值趨向于1。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長(zhǎng)超過(guò)24 h，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)上下線抖動(dòng)幾率較小，設(shè)置固定值為1。

定義5節(jié)點(diǎn)i根據(jù)t時(shí)刻的交易信任值trust、文件上傳收益值Ufile、交易收益值Udeal以及在線時(shí)長(zhǎng)收益值Uonline計(jì)算效用函數(shù)值[27,29]，構(gòu)建效用函數(shù)，如下：

其中，常數(shù)Ψ表示對(duì)前一次效用值計(jì)算的依賴(lài)度；Rtt表示節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的時(shí)延。

定義6網(wǎng)絡(luò)中一些節(jié)點(diǎn)因自身物理配置限制，出現(xiàn)“低貢獻(xiàn)高收入、高貢獻(xiàn)低收入”等情況，加入帶寬因素BW[27，28]，則此時(shí)節(jié)點(diǎn)i服務(wù)性能函數(shù)U_service(i,t)為：

其中，節(jié)點(diǎn)的服務(wù)性能值與物理配置值成比值關(guān)系，使那些盡全力貢獻(xiàn)卻因物理配置低導(dǎo)致的不公平現(xiàn)象得到了合理的處理。節(jié)點(diǎn)i的服務(wù)性能值越大，表示節(jié)點(diǎn)i的性能越好，發(fā)生抖動(dòng)的概率越小，抖動(dòng)概率U_churn(i,t)計(jì)算如下：

θ是一個(gè)常數(shù)系數(shù)，通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)值選擇抖動(dòng)率較小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源訪問(wèn)，抖動(dòng)值越小，表示節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路的可靠性越高，服務(wù)性能越佳。

2.4 基于擁塞檢測(cè)的抖動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效恢復(fù)策略

當(dāng)源端節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)大發(fā)生擁塞時(shí)，預(yù)測(cè)發(fā)生抖動(dòng)的概率，判斷是否具有抖動(dòng)恢復(fù)的自我調(diào)節(jié)能力。當(dāng)節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)的抖動(dòng)概率過(guò)大或者累計(jì)抖動(dòng)值超過(guò)抖動(dòng)閾值時(shí)，認(rèn)為該源端提供的服務(wù)質(zhì)量低下，為保障之后的流媒體服務(wù)播放質(zhì)量，判定該源節(jié)點(diǎn)失效，不宜繼續(xù)訪問(wèn)，采用基于抖動(dòng)預(yù)測(cè)的鄰居選擇策略選擇合適的替代節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行替換。策略算法的具體步驟如下。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行流媒體訪問(wèn)時(shí)，假設(shè)：

·節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)閾值設(shè)定為churnR；

·源節(jié)點(diǎn)i的最大負(fù)載能力為WLMaxi(the max of workload)；

·節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻其負(fù)載值為workLoadi(t)，抖動(dòng)累計(jì)值為R(t)；

·節(jié)點(diǎn)連接到替代節(jié)點(diǎn)之后如何繼續(xù)之前的流媒體資源訪問(wèn)不予探討，假設(shè)與選擇的替代節(jié)點(diǎn)能順利進(jìn)行訪問(wèn)。

周期監(jiān)測(cè)算法描述如下[9,16～18]。

步驟1計(jì)算傳輸交易過(guò)程中節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的傳輸速率抖動(dòng)值D(t)

假設(shè)節(jié)點(diǎn)i在t和t-1時(shí)刻傳輸速率分別為speed(t)、speed(t-1)，則其傳輸速率抖動(dòng)D(t)為：

步驟2根據(jù)t時(shí)刻的抖動(dòng)值D(t)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i到t時(shí)刻為止的累計(jì)抖動(dòng)值R(t)：

步驟7 抖動(dòng)概率過(guò)大或抖動(dòng)累計(jì)值超額，表明節(jié)點(diǎn)i交易狀態(tài)不良，通信鏈路的傳輸性能低下。對(duì)周?chē)徑?jié)點(diǎn)采用基于抖動(dòng)預(yù)測(cè)的鄰居選擇策略，選擇合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換。

步驟8等待進(jìn)入一下個(gè)周期監(jiān)測(cè)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真環(huán)境

通過(guò)對(duì)源端進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)獲得行為特征值，根據(jù)負(fù)載能力判定判斷是否滿足節(jié)點(diǎn)需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中抖動(dòng)行為進(jìn)行抑制。實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置為：終端節(jié)點(diǎn)200個(gè)，分為如下4類(lèi)。

·超級(jí)節(jié)點(diǎn)：無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)由mesh終端盒mesh路由組成，mesh路由作為信息轉(zhuǎn)發(fā)的中轉(zhuǎn)站，負(fù)載較重，時(shí)常充當(dāng)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的角色。

·熱心節(jié)點(diǎn)：積極為網(wǎng)絡(luò)做貢獻(xiàn)的mesh終端節(jié)點(diǎn)。

·普通節(jié)點(diǎn)：時(shí)常為網(wǎng)絡(luò)做貢獻(xiàn)，具有一定負(fù)載的終端節(jié)點(diǎn)。

·空閑節(jié)點(diǎn)：負(fù)載程度較低的終端節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)上述假設(shè)，4類(lèi)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 仿真初始時(shí)環(huán)境設(shè)置

仿真實(shí)驗(yàn)主要從3個(gè)方面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

·針對(duì)策略中系數(shù)設(shè)定進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)抖動(dòng)閾值、節(jié)點(diǎn)帶寬、抖動(dòng)概率設(shè)定不同的數(shù)值，查看節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)情況。

·節(jié)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞節(jié)點(diǎn)、抖動(dòng)失效節(jié)點(diǎn)等數(shù)量，從而驗(yàn)證該抑制策略的有效性。

·通過(guò)不同策略比較，查看節(jié)點(diǎn)傳輸速率、傳輸速率抖動(dòng)等信息變化來(lái)驗(yàn)證策略有效性。

3.2 節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響仿真

3.2.1 實(shí)驗(yàn)1：抖動(dòng)閾值對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響仿真

根據(jù)不同的抖動(dòng)閾值記錄下載節(jié)點(diǎn)接收的傳輸速率和傳輸速率抖動(dòng)，討論節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)閾值對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的影響，假設(shè)如下。

·不同抖動(dòng)閾值對(duì)應(yīng)每個(gè)周期的預(yù)選節(jié)點(diǎn)一致，即：節(jié)點(diǎn)的負(fù)載、數(shù)量、類(lèi)型等。

·當(dāng)檢測(cè)發(fā)生抖動(dòng)時(shí)選擇的替換節(jié)點(diǎn)順序一致，即：不同抖動(dòng)閾值實(shí)驗(yàn)時(shí)，第i次發(fā)生抖動(dòng)時(shí)查找的替代節(jié)點(diǎn)為P(i)一致。

·抖動(dòng)閾值設(shè)定為2、4、6、8、10。

當(dāng)上傳節(jié)點(diǎn)的累計(jì)傳輸速率抖動(dòng)超過(guò)閾值時(shí)，更換新的替代節(jié)點(diǎn)P(i)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 抖動(dòng)閾值對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響

實(shí)驗(yàn)表明：抖動(dòng)閾值churnR與速率波動(dòng)成正比，與協(xié)同服務(wù)節(jié)點(diǎn)替換頻率成反比。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)2:帶寬因素對(duì)服務(wù)質(zhì)量影響

帶寬是無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)自身受物理設(shè)置限制，即使極力為網(wǎng)絡(luò)做貢獻(xiàn)也被劃分為服務(wù)質(zhì)量低下，存在明顯不公平性。針對(duì)這類(lèi)情況對(duì)構(gòu)建的模型式6、7、8的有效性進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 帶寬對(duì)服務(wù)質(zhì)量影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入帶寬因素能合理地避免物理配置造成的不公平性，加強(qiáng)鏈路傳輸時(shí)抖動(dòng)預(yù)測(cè)地準(zhǔn)確性。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)3：抖動(dòng)概率對(duì)源端節(jié)點(diǎn)性能影響

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)對(duì)通信鏈路傳輸時(shí)性能的影響進(jìn)行分析，假設(shè)選擇5個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們?cè)趥鬏斶^(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)的概率（即傳輸速率的流暢性）分別為：10%、20%、40%、60%和80%，其余條件都一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳輸速率和抖動(dòng)概率差異越小，波動(dòng)越平緩；反之，波動(dòng)越大；此外，對(duì)于流媒體接收端而言，傳輸速率越快越好，但是如果抖動(dòng)發(fā)生的概率越大，同樣不能享受較好的服務(wù)。

圖4 抖動(dòng)概率對(duì)源端節(jié)點(diǎn)性能影響

上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，流媒體接收端為了在觀看過(guò)程中能播放流暢，應(yīng)該選擇抖動(dòng)概率較小、傳輸速率波動(dòng)較小的節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，從而保證流媒體訪問(wèn)的服務(wù)質(zhì)量。

3.3 抖動(dòng)抑制策略有效性仿真

3.3.1 實(shí)驗(yàn)1：抖動(dòng)抑制策略對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量類(lèi)型數(shù)量影響仿真

針對(duì)抖動(dòng)抑制策略的有效性驗(yàn)證，對(duì)環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為200個(gè)，監(jiān)測(cè)周期T=1 h，根據(jù)仿真環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)布局對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下設(shè)定：

·每個(gè)監(jiān)測(cè)周期中有10～40個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流媒體交互。

·對(duì)于流媒體訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)，一旦訪問(wèn)結(jié)束則斷開(kāi)連接。

·當(dāng)節(jié)點(diǎn)的累計(jì)抖動(dòng)值超過(guò)設(shè)定的抖動(dòng)閾值，則認(rèn)為抖動(dòng)超載，斷開(kāi)連接。

實(shí)驗(yàn)周期為T(mén)，共監(jiān)測(cè)150個(gè)周期，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抖動(dòng)抑制策略有效性如圖5所示。其中，前50個(gè)監(jiān)測(cè)周期中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擁塞節(jié)點(diǎn)、抖動(dòng)失效節(jié)點(diǎn)和總失效節(jié)點(diǎn)數(shù)累計(jì)數(shù)量見(jiàn)表3。

圖5 抖動(dòng)抑制策略對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)量影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：抑制策略能有效地抑制網(wǎng)絡(luò)中因擁塞而引發(fā)的抖動(dòng)概率，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)概率由最初的50.5%下降到5.75%。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)2：不同抖動(dòng)抑制策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)行為影響仿真

抖動(dòng)抑制策略是基于擁塞和抖動(dòng)程度提出的，通過(guò)對(duì)抖動(dòng)策略與未采取策略時(shí)的傳輸速率與傳輸速率抖動(dòng)進(jìn)行比較，討論源節(jié)點(diǎn)在不同擁塞度和抖動(dòng)值時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)行為的影響，從而驗(yàn)證仿真抖動(dòng)抑制策略的有效性以及節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)初期抖動(dòng)預(yù)測(cè)的必要性。假設(shè)監(jiān)測(cè)時(shí)間=50 h，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定見(jiàn)表4。

抖動(dòng)策略對(duì)表4中不同狀態(tài)節(jié)點(diǎn)服務(wù)性能影響仿真結(jié)果如圖6所示（注：圖中未采取策略是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在未加干預(yù)狀態(tài)下的自動(dòng)處置方式）。

表3 節(jié)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

表4 仿真初期節(jié)點(diǎn)設(shè)置

圖6 策略對(duì)不同狀態(tài)節(jié)點(diǎn)服務(wù)性能影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

·抖動(dòng)是客觀存在的，且不可消除，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)抖動(dòng)具有一定容忍度；

·抖動(dòng)抑制是一個(gè)周而復(fù)始的的過(guò)程，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng)啟動(dòng)；

·流媒體訪問(wèn)初期對(duì)源端采取抖動(dòng)預(yù)測(cè)、選擇較優(yōu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)具有必要性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的傳輸速率抖動(dòng)抑制策略能有效地降低網(wǎng)絡(luò)中的抖動(dòng)行為，提高通信鏈路的可靠性和服務(wù)的可信度，保證流媒體服務(wù)的質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因擁塞限速引發(fā)的傳輸速率抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和研究，提出了基于抖動(dòng)預(yù)測(cè)的鄰居選擇策略和基于周期檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)失效恢復(fù)策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在150個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)概率從50.5%下降到5.75%，本文提出的抖動(dòng)抑制策略能有效地抑制節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)行為，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生概率，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能。

本文采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可能會(huì)與實(shí)際情況有些差異。

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