電力應急通信非合作博弈資源分配方法*

吳 慶,胡 明,孟子健,方 爽,王志剛,趙訓威,劉 迪

(國網信息通信產業集團有限公司,北京 102211)

0 引 言

為進一步提升突發事件應對能力,國家電網公司啟動了新一代應急指揮系統建設,確保突發事件情況下應急處置實時化、可視化、智能化、數字化,有效提升突發事件的應對水平。其中,以手持設備、便攜基站、無人機[1]、飛艇、衛星等構成的電力應急通信系統,在5G、光纖等正常電力通信網絡不可用的情況下,能夠為突發災害、迎峰度夏、重大活動保電等電力應急事件[2]提供通信服務,在應急搶修作業現場與后方指揮中心之間建立可靠的通信連接[3]。特別是在應急作業現場,本地通信網絡能夠為作業終端提供信息傳輸服務,確?，F場人員溝通及時、作業安全、效率提升。然而,本地應急通信網絡(在新一代應急指揮系統中是Mesh自組織網絡[4])在完成網絡拓撲構建后,各業務終端對網絡資源需求的自私性與網絡資源有限性之間形成矛盾,各節點系統申請或占用盡可能多、質量盡可能好的信道資源進行數據發送,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,部分節點不愿意過多地參與到數據轉發工作中,從而影響了Mesh網絡提供高效的通信服務。

文獻[5]以網絡的總鏈路加權干擾為約束條件完成信道分配,主要應用于大量密集節點應用場景。文獻[6]構建了一種動態頻譜分配模型,主要應用于移動運營商蜂窩網絡。文獻[7]對Mesh網絡中無線鏈路的預期負載進行量化分級,通過節點優先級和節點鄰居數來對信道分配進行優化,但節點優先級與業務之間的對應關系不明晰。文獻[8]提出了一種新的基于聯合合作博弈來解決聯合路由與信道分配的最優化問題,需要各個節點及簇節點通過遵守公平路由協議來實現信道資源管理。

綜上,本文針對應急現場Mesh自組織網絡,考慮現場采集、視頻、交互等業務特征及通信需求,提出面向應急現場的電力應急通信非合作博弈信道分配方法,結合應急單兵裝備業務特征,通過“節點報價-業務通信-節點懲罰”機制,提升Mesh網絡信道資源利用效率及網絡整體業務服務質量,為應急作業協調指揮效率優化提升提供參考。

1 應急現場通信網絡

1.1 應急通信與單兵裝備

根據新一代應急指揮系統建設要求,形成了以“超小型便攜衛星站+無線寬帶Mesh自組網設備+便攜式融合調度一體機+個人終端”為核心的應急通信及單兵裝備,其中現場單兵裝備主要包括以下幾類設備。

1)智能安全帽:具備視頻、對講、定位、報警等功能,實現作業人員與后方直接溝通,輔助提升處理能力和作業效率。

2)智能布控球:具備視頻采集、紅外夜視、對講等功能,采集現場音視頻,便于后方指揮中心掌握現場情況。

3)智能手環:能夠對人員體征(體溫、心率等)及定位信息實時采集和監測,對異常狀態自動報警,確保人員狀態正常。

4)行為記錄儀:具備視頻記錄、對講、定位等功能,監督作業過程規范、安全。

5)氣體檢測儀:具備可燃氣體、氧氣、一氧化碳、硫化氫等氣體檢測能力,確?；?、管廊、密閉空間等作業環境安全。

此外,超小型便攜衛星站和無線寬帶Mesh自組網設備為應急現場提供通信服務。多個Mesh自組網設備之間建立無中心多跳通信網絡,并通過WiFi熱點為周圍單兵裝備提供通信接入。典型的應急現場作業部署如圖1所示,各應急基干分隊、各搶修作業人員、各單兵設備之間主要通過Mesh網絡與前方指揮部通信。

圖1 應急通信與單兵裝備典型應用場景

1.2 Mesh自組織網絡

在應急現場,Mesh自組網絡如圖2所示,主要包括3類節點:一是為應急現場單兵裝備提供WiFi熱點接入的節點,如節點S1,S2,S3等;二是作為Mesh自組網中繼的節點,如節點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點,如節點D。應急現場有且只有一個節點D,應急現場信息都將匯聚到節點D,網絡形成樹狀拓撲。

圖2 Mesh自組網絡拓撲

Mesh自組織網絡采用正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)作為多址接入方案[9],能夠為不同的業務或鏈路分配不同的子載波,從而可以成為能夠靈活調配的通信資源,并且在多個子載波上并行傳輸業務,能夠帶來分集增益。

2 電力應急通信網絡信道分配方法

2.1 多信道無線Mesh網絡信道分配模型

對于隨機分布的無線Mesh節點,將各個節點構建可靠的無線Mesh網絡拓撲是第一步。文獻[10-12]等提供了針對不同場景、不同應用的無線Mesh網絡拓撲構建方法,為業務、節點和網絡組建適合的路由。在無線Mesh網絡拓撲構建完成后,基于多射頻多信道、定向天線、改進MAC協議等技術實現信道分配,從而增強網絡整體信通性能。

仍以圖2為例,各個節點根據算法構建Mesh拓撲,由源節點Si經過中繼節點Ri連接至根節點D形成一條端到端的業務信息通路,現場各單兵裝備在Mesh網絡上形成了許多路徑相同、不同或部分相同的業務信息通路。為減少信道間干擾對通信帶寬、通信質量的影響,需要對所有業務信息通路進行信道分配,實現業務傳輸需求與網絡服務質量最大化的匹配。

首先定義無線Mesh網絡中的節點、鏈路等相關參數。無線Mesh網絡建模為圖G(N,E),其中,N表示無線Mesh網絡中所有的Mesh節點集合,E表示經過網絡拓撲構建后形成的所有鏈路集合。對于N中兩個節點p,q∈N,以及節點p,q形成的鏈路ep-q∈E。鏈路e的上行節點U(e)表示鏈路e的兩個節點p,q中更靠近根節點D的節點,D(e)表示鏈路e的兩個節點中更靠近現場單兵裝備的節點,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表示為以根節點D、源節點S、或存在多個下行節點的中繼節點R為端點,且路徑中不含這3類節點的最長路徑,即在整條單位路徑l中不會在某個中途節點出現分支鏈路的情況?？梢詾槊恳粋€節點定義節點權重Qn,每一條單位路徑定義路徑權重Ql,Ql為距離根節點D較遠端節點的節點權重,有

Ql=Qn(D(l))

(3)

基于以上定義,在完成無線Mesh網絡拓撲圖G構建之后對鏈路進行權重計算,按照鏈路權重順序依次分配信道直到所有鏈路都被分配了信道。其中,鏈路權重基于式(3)計算,其核心是節點權重Qn的計算方法。

文獻[13]針對樹狀網絡拓撲,按照距離根節點的距離對鏈路進行分級,并結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函數。文獻[7]提出了一種基于鄰節點數B、節點優先級P的節點權重計算方法,節點權重為Qn=B/P?？梢?鄰節點越多、優先級越高的節點,權重越大。上述方法僅考慮了無線Mesh通信網絡本身的拓撲特性和信道干擾,并未完全結合實際業務。而在電力應急現場,氣體檢測儀環境采集、智能布控球視頻采集、行為記錄儀多方音視頻會商等業務對通信網絡性能指標的要求不相同,單從接入單兵裝備的數量、某個Mesh節點優先級無法獲得最優的信道分配結果。因此,本文提出基于非合作博弈的Mesh網絡資源分配方法,利用基于非合作博弈的經濟學理論,通過一定的激勵機制,提升網絡及節點的運行效率或效益,為單兵裝備提供最優的通信服務。

2.2 基于非合作博弈的Mesh網絡資源分配方法

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果都會產生影響。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果產生影響,并采取相應的行動。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遵循具有約束力的協議,參與者通過建立起的這個有約束力的協議,使得本不能實現的合作方案得以實現,從而達到博弈的效果。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,當參與者彼此之間產生影響的時候,單獨博弈參與者如何決策是影響結果的主要因素,其策略與其他參與者無關,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。

對于沒有任何合作或者無約束條件的無線Mesh網絡而言,引入節點報酬概念,優化節點信道資源的利用效率。

2.2.1 系統模型

無線Mesh網絡提供高質量通信服務的核心是合理的信道分配,而信道分配的依據來源于各節點對通信資源的需求(申請)。在無線Mesh網絡中,業務數據從某個源節點Si最終到達目標節點D,各中繼節點Ri轉發數據需要付出一定的成本。各節點的成本定義為c={cR1,cR2,…,cRn},各中繼節點根據自己的成本信息可以給出轉發數據的報價b={bR1,bR2,…,bRn},目標節點D根據各中間節點的報價計算得到不同鏈路上所有節點的報價之和,從而根據不同層級鏈路和不同鏈路報價來進行信道分配。對于鏈路上各個節點各自的收益pRi,節點Ri的效用值uRi=pRi-cRi,這里pRi不一定等于bRi。

對于電力應急通信系統而言,各個無線Mesh節點相對獨立,由于各節點之間信息的非對稱,節點盲目、自私、夸大、虛假報價都將導致網絡最終無法達到理想的信道分配最優解。因此,有學者提出Ad hoc-VCG(Vickery-Clark-Groves)防策略機制[15],激勵各節點給出轉發所需的真實成本。其核心思想是對于某一條鏈路(信道)上的所有節點Ri,除支付該節點所報的價格bRi之外,還向該節點支付一定的額外報酬ΔpRk,這個額外的報酬值為鏈路(通道)選擇其他節點比選擇該節點Rk多出來的機會成本值。那么節點Rk獲得的實際報酬為

pRk=ΔpRk+cRk

(4)

這樣,可以激勵節點Rk報出真實成本,從而實現防策略性,保證節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

結合2.2.1節描述的系統模型和OURS模型[17],能夠在其他節點報出真實成本的情況下,節點Ri的最優策略是報出自己的真實成本cRi。這樣,所有節點在非合作情形下,都選擇報出各自的真實成本達到納什均衡。

報價機制包含初始化、報價和懲罰3個階段。在初始階段,各源節點Si根據各自接入的單兵裝備業務特征及預算,對發送業務數據所能支付的價格進行廣播。顯然,承載音視頻指揮會商業務傳輸,相對于承載現場氣象情況采集業務傳輸,源節點Si支付的價格更高,以便獲得更好的通信資源。在報價階段,全部中繼節點Ri基于Si廣播的支付能力和自己所處的鏈路拓撲位置提出報價bRi。在完成業務(或者一定時間內的一批業務)傳輸后,進入懲罰階段,對比源節點Si、中繼節點Ri轉發業務類型和報價之間關系,若節點報價與轉發業務類型相匹配,則按照其報價進行支付;若節點報價與轉發業務類型不符(如承載音視頻交互業務卻提出低報價,或者承載采集類業務卻提出高報價),則對該節點進行罰款懲罰(式(4)中的額外報酬ΔpRk變為罰款懲罰,從而防止節點報出非真實成本下的報價,造成鏈路權重失真的問題)。這樣,式(3)中節點權重Qn可由各節點真實報價bRi得到,進而可以計算得到鏈路權重,并根據鏈路權重的高低順序分配無線Mesh網絡信道資源。

2.2.3 算法步驟

無線Mesh網絡信道節點權重(報價)的算法偽碼如下:

輸入:無線Mesh網絡拓撲架構、單兵裝備業務類型

輸出:信道分配結果

1 fori=1:m//m個源節點,初始階段廣播支付價格

2 CollectTask(i) //收集接入終端的業務類型

3 BroadcastPrice(i) //廣播報價

4 end for

5 forj=1:n//n個中繼節點依次報價

6 GetPrice(j) //中繼節點獲取下游節點報價

7 BroadcastPrice(j) //廣播報價

8 end for

9 AllocationChannel(Qn) //計算權重并分配信道

10 TaskTransmission() //各單兵裝備業務傳輸

11 fork=1:m+n//對n+m個節點進行懲罰或支付

12 if(IsPunishment(k))//判斷滿足懲罰條件

13 Punish(k) //對節點做出懲罰

14 else //支付

15 Pay(k) //對節點進行支付

16 end if

17 end for

在電力應急現場,應急通信與單兵裝備主要圍繞前方指揮部、各作業現場部署,相對于一般的Mesh網絡應用場景,應急現場部署的無線Mesh網絡拓撲相對固定,各鏈路上承載的業務相對固定,業務對通信性質的需求也相對固定,上述算法可在初始化后進行保持,直到出現單兵裝備入/退網、突發業務傳輸起止、Mesh網絡拓撲變化等情況,再動態調整以達到網絡服務整體最優。

3 仿真分析

3.1 仿真場景構建

以國家電網公司應急基干分隊裝備配置標準、電力應急通信系統架構[18-19]、某地區搶險救災作業現場、實際列裝Mesh裝備等作為參考設置仿真參數。部署Mesh自組網設備10臺(分別以最大兩跳廣度優先和最大4跳深度優先隨機形成樹狀拓撲,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設備源節點Si),音視頻會商交互類業務(如行為記錄儀、個人手機)支付價格P1設置為5,視頻采集類業務(如智能布控球)支付價格P2設置為3,一般采集類業務(如智能手環、氣體檢測儀、智能安全帽)支付價格P3設置為1。

圖3 隨機生成Mesh通信網絡拓撲(廣度優先)

圖4 隨機生成Mesh通信網絡拓撲(深度優先)

需要注意的是,與一般的樹狀拓撲不同,圖3和圖4中1號節點(即目標節點D)所處位置為應急前方指揮部,實際情況中不可能部署在災害現場中心,也即所有節點R和S基本都分布在同一個區域(災害現場),而不會分散在節點D周圍360°區域內。因此在分配信道時,圖3和圖4拓撲中,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),也應盡量分配不同的信道以避免干擾。

3.2 仿真結果及分析

根據設置,部分信道正?？沙休d單兵業務;部分信道由于外部干擾或鄰信道干擾,所承載的單兵業務將受到影響。在設置相同節點數量、網絡拓撲、業務類型、信道條件的前提下,當正常信道數量減少時,根據本文方法以及文獻[7]、文獻[13]方法,信道情況與不受信道干擾影響的單兵裝備數量占比之間的關系仿真計算結果如圖5和圖6所示。

圖5 信道情況與服務單兵裝備數關系(廣度優先)

圖6 信道情況與服務單兵裝備數關系(深度優先)

此外,若不采取“節點懲罰”的機制來實現非合作博弈,則節點將產生無節制的資源競爭,信道分配更趨于隨機。信道分配結果與該信道承載單兵裝備業務之間的適配關系程度將惡化,如圖7所示。

圖7 可用信道數量與服務單兵裝備數關系(無節點懲罰)

由圖著色原理[20],當可用信道數足夠多時(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。但當無干擾信道數量減少,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質量。由圖5和圖6可見,采用本方法相對于文獻[7]和[13]方法能為相對更多的單兵裝備提供通信服務。

4 結 論

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新一代應急指揮系統對現場采集、視頻、交互等不同單兵裝備業務類型的通信需求,為Mesh網絡中的源節點報價提供了依據。通過“節點報價-業務通信-節點懲罰”機制,確保中繼節點權重計算的可信性,進而為信道資源分配的合理性提供基礎,避免網絡節點因為自私性對網絡通信資源的不合理占用,為現場態勢收集分析、各方資源調動協調、應急指揮輔助決策提供支撐與保障。