吳 慶,胡 明,孟子健,方 爽,王志剛,趙訓(xùn)威,劉 迪
(國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 102211)
為進(jìn)一步提升突發(fā)事件應(yīng)對能力,國家電網(wǎng)公司啟動了新一代應(yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè),確保突發(fā)事件情況下應(yīng)急處置實時化、可視化、智能化、數(shù)字化,有效提升突發(fā)事件的應(yīng)對水平。其中,以手持設(shè)備、便攜基站、無人機[1]、飛艇、衛(wèi)星等構(gòu)成的電力應(yīng)急通信系統(tǒng),在5G、光纖等正常電力通信網(wǎng)絡(luò)不可用的情況下,能夠為突發(fā)災(zāi)害、迎峰度夏、重大活動保電等電力應(yīng)急事件[2]提供通信服務(wù),在應(yīng)急搶修作業(yè)現(xiàn)場與后方指揮中心之間建立可靠的通信連接[3]。特別是在應(yīng)急作業(yè)現(xiàn)場,本地通信網(wǎng)絡(luò)能夠為作業(yè)終端提供信息傳輸服務(wù),確?,F(xiàn)場人員溝通及時、作業(yè)安全、效率提升。然而,本地應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)(在新一代應(yīng)急指揮系統(tǒng)中是Mesh自組織網(wǎng)絡(luò)[4])在完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建后,各業(yè)務(wù)終端對網(wǎng)絡(luò)資源需求的自私性與網(wǎng)絡(luò)資源有限性之間形成矛盾,各節(jié)點系統(tǒng)申請或占用盡可能多、質(zhì)量盡可能好的信道資源進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,這將造成無線信道資源的浪費,信道資源利用率的下降;另一方面,由于電池容量、處理能力、存儲空間等約束,部分節(jié)點不愿意過多地參與到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作中,從而影響了Mesh網(wǎng)絡(luò)提供高效的通信服務(wù)。
文獻(xiàn)[5]以網(wǎng)絡(luò)的總鏈路加權(quán)干擾為約束條件完成信道分配,主要應(yīng)用于大量密集節(jié)點應(yīng)用場景。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了一種動態(tài)頻譜分配模型,主要應(yīng)用于移動運營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[7]對Mesh網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路的預(yù)期負(fù)載進(jìn)行量化分級,通過節(jié)點優(yōu)先級和節(jié)點鄰居數(shù)來對信道分配進(jìn)行優(yōu)化,但節(jié)點優(yōu)先級與業(yè)務(wù)之間的對應(yīng)關(guān)系不明晰。文獻(xiàn)[8]提出了一種新的基于聯(lián)合合作博弈來解決聯(lián)合路由與信道分配的最優(yōu)化問題,需要各個節(jié)點及簇節(jié)點通過遵守公平路由協(xié)議來實現(xiàn)信道資源管理。
綜上,本文針對應(yīng)急現(xiàn)場Mesh自組織網(wǎng)絡(luò),考慮現(xiàn)場采集、視頻、交互等業(yè)務(wù)特征及通信需求,提出面向應(yīng)急現(xiàn)場的電力應(yīng)急通信非合作博弈信道分配方法,結(jié)合應(yīng)急單兵裝備業(yè)務(wù)特征,通過“節(jié)點報價-業(yè)務(wù)通信-節(jié)點懲罰”機制,提升Mesh網(wǎng)絡(luò)信道資源利用效率及網(wǎng)絡(luò)整體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量,為應(yīng)急作業(yè)協(xié)調(diào)指揮效率優(yōu)化提升提供參考。
根據(jù)新一代應(yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè)要求,形成了以“超小型便攜衛(wèi)星站+無線寬帶Mesh自組網(wǎng)設(shè)備+便攜式融合調(diào)度一體機+個人終端”為核心的應(yīng)急通信及單兵裝備,其中現(xiàn)場單兵裝備主要包括以下幾類設(shè)備。
1)智能安全帽:具備視頻、對講、定位、報警等功能,實現(xiàn)作業(yè)人員與后方直接溝通,輔助提升處理能力和作業(yè)效率。
2)智能布控球:具備視頻采集、紅外夜視、對講等功能,采集現(xiàn)場音視頻,便于后方指揮中心掌握現(xiàn)場情況。
3)智能手環(huán):能夠?qū)θ藛T體征(體溫、心率等)及定位信息實時采集和監(jiān)測,對異常狀態(tài)自動報警,確保人員狀態(tài)正常。
4)行為記錄儀:具備視頻記錄、對講、定位等功能,監(jiān)督作業(yè)過程規(guī)范、安全。
5)氣體檢測儀:具備可燃?xì)怏w、氧氣、一氧化碳、硫化氫等氣體檢測能力,確?;印⒐芾?、密閉空間等作業(yè)環(huán)境安全。
此外,超小型便攜衛(wèi)星站和無線寬帶Mesh自組網(wǎng)設(shè)備為應(yīng)急現(xiàn)場提供通信服務(wù)。多個Mesh自組網(wǎng)設(shè)備之間建立無中心多跳通信網(wǎng)絡(luò),并通過WiFi熱點為周圍單兵裝備提供通信接入。典型的應(yīng)急現(xiàn)場作業(yè)部署如圖1所示,各應(yīng)急基干分隊、各搶修作業(yè)人員、各單兵設(shè)備之間主要通過Mesh網(wǎng)絡(luò)與前方指揮部通信。
圖1 應(yīng)急通信與單兵裝備典型應(yīng)用場景
在應(yīng)急現(xiàn)場,Mesh自組網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,主要包括3類節(jié)點:一是為應(yīng)急現(xiàn)場單兵裝備提供WiFi熱點接入的節(jié)點,如節(jié)點S1,S2,S3等;二是作為Mesh自組網(wǎng)中繼的節(jié)點,如節(jié)點R1,R2,R3等,同時也可以為單兵裝備提供WiFi接入;三是直接與前方指揮部連接的節(jié)點,如節(jié)點D。應(yīng)急現(xiàn)場有且只有一個節(jié)點D,應(yīng)急現(xiàn)場信息都將匯聚到節(jié)點D,網(wǎng)絡(luò)形成樹狀拓?fù)洹?/p>
圖2 Mesh自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
Mesh自組織網(wǎng)絡(luò)采用正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)作為多址接入方案[9],能夠為不同的業(yè)務(wù)或鏈路分配不同的子載波,從而可以成為能夠靈活調(diào)配的通信資源,并且在多個子載波上并行傳輸業(yè)務(wù),能夠帶來分集增益。
對于隨機分布的無線Mesh節(jié)點,將各個節(jié)點構(gòu)建可靠的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫堑谝徊健N墨I(xiàn)[10-12]等提供了針對不同場景、不同應(yīng)用的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建方法,為業(yè)務(wù)、節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)組建適合的路由。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建完成后,基于多射頻多信道、定向天線、改進(jìn)MAC協(xié)議等技術(shù)實現(xiàn)信道分配,從而增強網(wǎng)絡(luò)整體信通性能。
仍以圖2為例,各個節(jié)點根據(jù)算法構(gòu)建Mesh拓?fù)?由源節(jié)點Si經(jīng)過中繼節(jié)點Ri連接至根節(jié)點D形成一條端到端的業(yè)務(wù)信息通路,現(xiàn)場各單兵裝備在Mesh網(wǎng)絡(luò)上形成了許多路徑相同、不同或部分相同的業(yè)務(wù)信息通路。為減少信道間干擾對通信帶寬、通信質(zhì)量的影響,需要對所有業(yè)務(wù)信息通路進(jìn)行信道分配,實現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸需求與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量最大化的匹配。
首先定義無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點、鏈路等相關(guān)參數(shù)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)建模為圖G(N,E),其中,N表示無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中所有的Mesh節(jié)點集合,E表示經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建后形成的所有鏈路集合。對于N中兩個節(jié)點p,q∈N,以及節(jié)點p,q形成的鏈路ep-q∈E。鏈路e的上行節(jié)點U(e)表示鏈路e的兩個節(jié)點p,q中更靠近根節(jié)點D的節(jié)點,D(e)表示鏈路e的兩個節(jié)點中更靠近現(xiàn)場單兵裝備的節(jié)點,也即
U(e)={p|ep-q∈E,D(e)=q}
(1)
D(e)={q|ep-q∈E,U(e)=p}
(2)
定義單位路徑l表示為以根節(jié)點D、源節(jié)點S、或存在多個下行節(jié)點的中繼節(jié)點R為端點,且路徑中不含這3類節(jié)點的最長路徑,即在整條單位路徑l中不會在某個中途節(jié)點出現(xiàn)分支鏈路的情況??梢詾槊恳粋€節(jié)點定義節(jié)點權(quán)重Qn,每一條單位路徑定義路徑權(quán)重Ql,Ql為距離根節(jié)點D較遠(yuǎn)端節(jié)點的節(jié)點權(quán)重,有
Ql=Qn(D(l))
(3)
基于以上定義,在完成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG構(gòu)建之后對鏈路進(jìn)行權(quán)重計算,按照鏈路權(quán)重順序依次分配信道直到所有鏈路都被分配了信道。其中,鏈路權(quán)重基于式(3)計算,其核心是節(jié)點權(quán)重Qn的計算方法。
文獻(xiàn)[13]針對樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?按照距離根節(jié)點的距離對鏈路進(jìn)行分級,并結(jié)合流量和信道間干擾情況作為信道分配的因子,以最小化鏈路帶寬損失作為目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于鄰節(jié)點數(shù)B、節(jié)點優(yōu)先級P的節(jié)點權(quán)重計算方法,節(jié)點權(quán)重為Qn=B/P??梢?鄰節(jié)點越多、優(yōu)先級越高的節(jié)點,權(quán)重越大。上述方法僅考慮了無線Mesh通信網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)涮匦院托诺栏蓴_,并未完全結(jié)合實際業(yè)務(wù)。而在電力應(yīng)急現(xiàn)場,氣體檢測儀環(huán)境采集、智能布控球視頻采集、行為記錄儀多方音視頻會商等業(yè)務(wù)對通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的要求不相同,單從接入單兵裝備的數(shù)量、某個Mesh節(jié)點優(yōu)先級無法獲得最優(yōu)的信道分配結(jié)果。因此,本文提出基于非合作博弈的Mesh網(wǎng)絡(luò)資源分配方法,利用基于非合作博弈的經(jīng)濟(jì)學(xué)理論,通過一定的激勵機制,提升網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點的運行效率或效益,為單兵裝備提供最優(yōu)的通信服務(wù)。
博弈理論的核心是參與者之間的相互作用,每一個參與者自身的行為,對所有參與者所感興趣的結(jié)果都會產(chǎn)生影響。同時,每一個參與者也知道自身的行為會對所有參與者所感興趣的結(jié)果產(chǎn)生影響,并采取相應(yīng)的行動。博弈論一般被分成兩種類型:合作博弈與非合作博弈[14]。合作博弈要求參與者之間應(yīng)遵循具有約束力的協(xié)議,參與者通過建立起的這個有約束力的協(xié)議,使得本不能實現(xiàn)的合作方案得以實現(xiàn),從而達(dá)到博弈的效果。而非合作博弈則在參與者之間不存在這樣的協(xié)議約束。因此在非合作博弈中,參與者一般可以看作是一個或一類理性的決策單元,當(dāng)參與者彼此之間產(chǎn)生影響的時候,單獨博弈參與者如何決策是影響結(jié)果的主要因素,其策略與其他參與者無關(guān),該參與者通過采取適合的策略使得自身的收益得到最大化的實現(xiàn)。
對于沒有任何合作或者無約束條件的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)而言,引入節(jié)點報酬概念,優(yōu)化節(jié)點信道資源的利用效率。
2.2.1 系統(tǒng)模型
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量通信服務(wù)的核心是合理的信道分配,而信道分配的依據(jù)來源于各節(jié)點對通信資源的需求(申請)。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從某個源節(jié)點Si最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點D,各中繼節(jié)點Ri轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需要付出一定的成本。各節(jié)點的成本定義為c={cR1,cR2,…,cRn},各中繼節(jié)點根據(jù)自己的成本信息可以給出轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的報價b={bR1,bR2,…,bRn},目標(biāo)節(jié)點D根據(jù)各中間節(jié)點的報價計算得到不同鏈路上所有節(jié)點的報價之和,從而根據(jù)不同層級鏈路和不同鏈路報價來進(jìn)行信道分配。對于鏈路上各個節(jié)點各自的收益pRi,節(jié)點Ri的效用值uRi=pRi-cRi,這里pRi不一定等于bRi。
對于電力應(yīng)急通信系統(tǒng)而言,各個無線Mesh節(jié)點相對獨立,由于各節(jié)點之間信息的非對稱,節(jié)點盲目、自私、夸大、虛假報價都將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)最終無法達(dá)到理想的信道分配最優(yōu)解。因此,有學(xué)者提出Ad hoc-VCG(Vickery-Clark-Groves)防策略機制[15],激勵各節(jié)點給出轉(zhuǎn)發(fā)所需的真實成本。其核心思想是對于某一條鏈路(信道)上的所有節(jié)點Ri,除支付該節(jié)點所報的價格bRi之外,還向該節(jié)點支付一定的額外報酬ΔpRk,這個額外的報酬值為鏈路(通道)選擇其他節(jié)點比選擇該節(jié)點Rk多出來的機會成本值。那么節(jié)點Rk獲得的實際報酬為
pRk=ΔpRk+cRk
(4)
這樣,可以激勵節(jié)點Rk報出真實成本,從而實現(xiàn)防策略性,保證節(jié)點沒有動機去任意抬高自己的價格,其收益不會隨著其報價提高而增加[16]。
2.2.2 報價機制
結(jié)合2.2.1節(jié)描述的系統(tǒng)模型和OURS模型[17],能夠在其他節(jié)點報出真實成本的情況下,節(jié)點Ri的最優(yōu)策略是報出自己的真實成本cRi。這樣,所有節(jié)點在非合作情形下,都選擇報出各自的真實成本達(dá)到納什均衡。
報價機制包含初始化、報價和懲罰3個階段。在初始階段,各源節(jié)點Si根據(jù)各自接入的單兵裝備業(yè)務(wù)特征及預(yù)算,對發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)所能支付的價格進(jìn)行廣播。顯然,承載音視頻指揮會商業(yè)務(wù)傳輸,相對于承載現(xiàn)場氣象情況采集業(yè)務(wù)傳輸,源節(jié)點Si支付的價格更高,以便獲得更好的通信資源。在報價階段,全部中繼節(jié)點Ri基于Si廣播的支付能力和自己所處的鏈路拓?fù)湮恢锰岢鰣髢rbRi。在完成業(yè)務(wù)(或者一定時間內(nèi)的一批業(yè)務(wù))傳輸后,進(jìn)入懲罰階段,對比源節(jié)點Si、中繼節(jié)點Ri轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類型和報價之間關(guān)系,若節(jié)點報價與轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類型相匹配,則按照其報價進(jìn)行支付;若節(jié)點報價與轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類型不符(如承載音視頻交互業(yè)務(wù)卻提出低報價,或者承載采集類業(yè)務(wù)卻提出高報價),則對該節(jié)點進(jìn)行罰款懲罰(式(4)中的額外報酬ΔpRk變?yōu)榱P款懲罰,從而防止節(jié)點報出非真實成本下的報價,造成鏈路權(quán)重失真的問題)。這樣,式(3)中節(jié)點權(quán)重Qn可由各節(jié)點真實報價bRi得到,進(jìn)而可以計算得到鏈路權(quán)重,并根據(jù)鏈路權(quán)重的高低順序分配無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道資源。
2.2.3 算法步驟
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道節(jié)點權(quán)重(報價)的算法偽碼如下:
輸入:無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)、單兵裝備業(yè)務(wù)類型
輸出:信道分配結(jié)果
1 fori=1:m//m個源節(jié)點,初始階段廣播支付價格
2 CollectTask(i) //收集接入終端的業(yè)務(wù)類型
3 BroadcastPrice(i) //廣播報價
4 end for
5 forj=1:n//n個中繼節(jié)點依次報價
6 GetPrice(j) //中繼節(jié)點獲取下游節(jié)點報價
7 BroadcastPrice(j) //廣播報價
8 end for
9 AllocationChannel(Qn) //計算權(quán)重并分配信道
10 TaskTransmission() //各單兵裝備業(yè)務(wù)傳輸
11 fork=1:m+n//對n+m個節(jié)點進(jìn)行懲罰或支付
12 if(IsPunishment(k))//判斷滿足懲罰條件
13 Punish(k) //對節(jié)點做出懲罰
14 else //支付
15 Pay(k) //對節(jié)點進(jìn)行支付
16 end if
17 end for
在電力應(yīng)急現(xiàn)場,應(yīng)急通信與單兵裝備主要圍繞前方指揮部、各作業(yè)現(xiàn)場部署,相對于一般的Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景,應(yīng)急現(xiàn)場部署的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬潭?各鏈路上承載的業(yè)務(wù)相對固定,業(yè)務(wù)對通信性質(zhì)的需求也相對固定,上述算法可在初始化后進(jìn)行保持,直到出現(xiàn)單兵裝備入/退網(wǎng)、突發(fā)業(yè)務(wù)傳輸起止、Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓惹闆r,再動態(tài)調(diào)整以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)整體最優(yōu)。
以國家電網(wǎng)公司應(yīng)急基干分隊裝備配置標(biāo)準(zhǔn)、電力應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)[18-19]、某地區(qū)搶險救災(zāi)作業(yè)現(xiàn)場、實際列裝Mesh裝備等作為參考設(shè)置仿真參數(shù)。部署Mesh自組網(wǎng)設(shè)備10臺(分別以最大兩跳廣度優(yōu)先和最大4跳深度優(yōu)先隨機形成樹狀拓?fù)?如圖3和圖4所示)。部署各類單兵裝備10~20臺(3類終端各1/3且隨機接入到Mesh設(shè)備源節(jié)點Si),音視頻會商交互類業(yè)務(wù)(如行為記錄儀、個人手機)支付價格P1設(shè)置為5,視頻采集類業(yè)務(wù)(如智能布控球)支付價格P2設(shè)置為3,一般采集類業(yè)務(wù)(如智能手環(huán)、氣體檢測儀、智能安全帽)支付價格P3設(shè)置為1。
圖3 隨機生成Mesh通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?廣度優(yōu)先)
圖4 隨機生成Mesh通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?深度優(yōu)先)
需要注意的是,與一般的樹狀拓?fù)洳煌?圖3和圖4中1號節(jié)點(即目標(biāo)節(jié)點D)所處位置為應(yīng)急前方指揮部,實際情況中不可能部署在災(zāi)害現(xiàn)場中心,也即所有節(jié)點R和S基本都分布在同一個區(qū)域(災(zāi)害現(xiàn)場),而不會分散在節(jié)點D周圍360°區(qū)域內(nèi)。因此在分配信道時,圖3和圖4拓?fù)渲?即使相鄰但不處于同一條鏈路上(如圖3中e2-7和e3-8,圖4中e4-7和e5-8),也應(yīng)盡量分配不同的信道以避免干擾。
根據(jù)設(shè)置,部分信道正??沙休d單兵業(yè)務(wù);部分信道由于外部干擾或鄰信道干擾,所承載的單兵業(yè)務(wù)將受到影響。在設(shè)置相同節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、業(yè)務(wù)類型、信道條件的前提下,當(dāng)正常信道數(shù)量減少時,根據(jù)本文方法以及文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[13]方法,信道情況與不受信道干擾影響的單兵裝備數(shù)量占比之間的關(guān)系仿真計算結(jié)果如圖5和圖6所示。
圖5 信道情況與服務(wù)單兵裝備數(shù)關(guān)系(廣度優(yōu)先)
圖6 信道情況與服務(wù)單兵裝備數(shù)關(guān)系(深度優(yōu)先)
此外,若不采取“節(jié)點懲罰”的機制來實現(xiàn)非合作博弈,則節(jié)點將產(chǎn)生無節(jié)制的資源競爭,信道分配更趨于隨機。信道分配結(jié)果與該信道承載單兵裝備業(yè)務(wù)之間的適配關(guān)系程度將惡化,如圖7所示。
圖7 可用信道數(shù)量與服務(wù)單兵裝備數(shù)關(guān)系(無節(jié)點懲罰)
由圖著色原理[20],當(dāng)可用信道數(shù)足夠多時(如圖5中存在5個無干擾信道),可避免相鄰鏈路間的信道干擾,所有單兵裝備均能夠得到滿足要求的通信服務(wù)。但當(dāng)無干擾信道數(shù)量減少,或者相鄰鏈路間不得不分配相同信道資源時,所造成的干擾將降低鏈路通信服務(wù)質(zhì)量。由圖5和圖6可見,采用本方法相對于文獻(xiàn)[7]和[13]方法能為相對更多的單兵裝備提供通信服務(wù)。
本文提出的非合作博弈信道資源分配方法充分考慮了電網(wǎng)新一代應(yīng)急指揮系統(tǒng)對現(xiàn)場采集、視頻、交互等不同單兵裝備業(yè)務(wù)類型的通信需求,為Mesh網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點報價提供了依據(jù)。通過“節(jié)點報價-業(yè)務(wù)通信-節(jié)點懲罰”機制,確保中繼節(jié)點權(quán)重計算的可信性,進(jìn)而為信道資源分配的合理性提供基礎(chǔ),避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點因為自私性對網(wǎng)絡(luò)通信資源的不合理占用,為現(xiàn)場態(tài)勢收集分析、各方資源調(diào)動協(xié)調(diào)、應(yīng)急指揮輔助決策提供支撐與保障。