基于網絡層次分析法的無線自組網性能評估指標研究

趙 鋒,郭愛煌

(同濟大學電子與信息工程學院,上海 200092)

無線自組織網絡的多態性和復雜性,使得現有網絡特性指標已無法滿足刻畫自組織網絡性能的要求。對網絡綜合性能評估迫使人們一方面需要簡化已有龐大的指標體系,另一方面需要根據網絡性能評估有效確定新指標。

建立網絡評估指標體系能有效選取網絡指標[1-3],為網絡系統性能評估提供基礎。通常,指標體系的建立采用專家法、德爾菲法、層次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)等。然而,網絡綜合性能是一個由眾多指標共同表征的復雜系統,傳統的 AHP方法由于未能充分考慮系統中各個因素之間的相互影響以及各個層次之間的反饋,其結果也往往存在偏差。T.L.Saaty教授于 1996年提出了網絡分析法[4-5]ANP(the Analytic Network Process),它是在 AHP方法的基礎上形成并發展,但并非像 AHP模型那樣有嚴格的層次關系,而且它充分考慮了各個因素之間的相關性,有效解決了 AHP的不足。這一特點使其越來越受到決策者的青睞,應用領域也因此涉及到企業管理、政策評價、工程方法選擇、教育評估等方方面面。如：文獻[6]運用ANP,成功建立了高等院校的科研能力評估體系;文獻[7]基于 ANP進行了城市競爭力的評價研究;文獻[8]通過將模糊數學和 ANP的結合,有效分析了某公司的業績,保證了評估的準確性。

本文首次將 ANP應用于無線自組織網絡,通過建立 ANP模型,設計指標簡化準則,從復雜的網絡指標中有效篩選出典型指標,并結合極大不相關法,定量分析了性能指標間的相關性,建立了無線自組織網絡評估指標體系,有效簡化了指標,為網絡性能的有效評估提供了基礎。

1 ANP模型建立與評估指標簡化準則

1.1 指標簡化框圖

圖1明確說明了指標簡化的步驟,在指標簡化準則的基礎上,選取一組典型的網絡性能指標[9],并通過構建無線網絡仿真環境(添加無線 Rayleigh信道,設置 NS門限,確定仿真場景等),得出仿真結果并生成原始矩陣,然后依次為基礎,采用極大不相關法對網絡性能指標作相關性分析,計算復相關系數,最終簡化指標,建立網絡性能指標體系。

圖1 指標相關性分析流程框圖

1.2 無線自組網的 ANP模型

ANP模型[10]的提出主要是研究指標間層次結構內部的依賴性和反饋性,并刪除冗余指標,建立模型如圖 2所示：控制層為網絡綜合性能;網絡層為網絡指標集,其中指標間相互的聯系和依賴用線連接表示(圖 2中只畫出了 C1,C2和 C7對于剩余指標的所有連線,其它指標如 C3,C4線等畫法同 C1);方案選擇層即仿真分析中所選取的無線路由協議。

圖2 基于無線自組織網絡的ANP模型結構圖

1.3 指標簡化準則

(1)存在與評估目標不一致的指標

任何評估都是具有一定目的,當一個指標不能反映所要求的目標時,就是無效的。這種無效的指標只會干擾評估目標的實現,應該刪除。

(2)某些指標對目標信息反映較少

評估指標體系不是所有相關指標的羅列。而應抓住重要性指標,抓住能反映本質特性的指標。主次不分只能使人們失去對事物本質的認識。因此,即使有些指標與評估目標有關,但卻只反映了較少的信息,這種指標也應作相應處理。

(3)指標間存在相關性

如果各指標間存在多重共線性,即意味著某些指標可用其他指標線性表出,這些指標就不能為評估目標提供附加的信息,而且指標的相關同樣會帶來信息的冗余,這樣會增大評估的工作量,而且使重復的指標被重復地評分,影響結論的合理性。

(4)存在有不可操作的指標

不可操作是指在實際評估過程中無法對指標變量進行測量或喪失了進行操作的意義。

1.4 極大不相關法

選定p個指標x1,x2,…xp,在一定條件下得到 N組數據,組成 N行 p列矩陣,并用 X表示。如果指標 x1與其他的 x2,…,xp是獨立的,表明 x1無法由其他指標來代替,因此保留的指標應該是相關性越小越好,且指標的復相關系數用 ρi表示。

由 X得到方差、協方差,形成矩陣,

式中,方差：

協方差：

由式(1)、(2)、(3)、(4),求得相關系數矩陣 Rx

式中 ：ri2?1為一級偏相關系數 ,ri3?12為二級偏相關系數,以此類推。

得出 ρi(i=1,2,…p)后,其中最大的一個,表示與其與變量的相關性最大。在指定臨界值 D(對于 D的選擇,為了兼顧建立全面表征網絡性能的指標集合和盡最大可能去除冗余指標,通常取 D=0.95×max(ρ1,ρ2…ρi))后,當 ρi＞D時,即可刪去相對應的 xi。

2 無線自組網系統評估指標體系建立

2.1 仿真場景

設定了一個無線運動場景,節點使用相同的無線收發設備(表 1)。仿真軟件采用 NS-2。

表1 重要仿真參數和環境變量設置

2.2 仿真結果及分析

2.2.1 矩陣生成

首先根據指標簡化準則初步篩選,得到無線自組網下表征網絡性能的 10個指標,依次分別為：分組投遞率 C1、端到端平均吞吐量 C2、平均路由跳數 C6、端到端平均時延 C7、時延抖動 C8、尋路時間 C9、單位數據包能耗 C12、標準路由負載 C14、數據包文字節效率 C17和控制開銷 C18;然后選取 AODV,DSDV,DSR三個成熟的無線路由協議,分別在節點移動速度取 2,5,10,15,20m/s時,仿真各得到 5組數據,并以此構造 X、X′、X″矩陣 ,結果為 ：

AODV協議下,得到由各指標數值所組成的矩陣 X：

DSR協議下,得到由各指標數值所組成的矩陣 X′：

DSDV協議下,得到由各指標數值所組成的矩陣 X″：

2.2.2 性能指標相關性分析

采用極大不相關法對矩陣 X進行指標相關性分析,得到 10個指標中每一個與剩余 9個指標的復相關系數,結果為：

可見,指標 x8與其余 9個指標之間的相關系數最大,且只有 x8,x10的復相關系數大于臨界值 D,因而 x8,x10最能被其余指標代替,故先將 x8,x10剔除掉,并保留余下 8個指標。

同理,對矩陣 X′,X″作指標相關性分析,得到兩組復相關性系數,分別為：

由此可知,DSR協議下,指標 x8與其余 9個指標之間的相關系數最大,且 x6,x8,x10的復相關系數均大于臨界值 D,因而 x6,x8,x10最能被其余指標代替,故可將 x6,x8,x10剔除掉,并保留余下 7個指標;DSDV協議下,指標 x10與其余 9個指標之間的相關系數最大,且 x4,x5,x8,x10的復相關系數大于臨界值D,因而 x4,x5,x8,x10最能被其余指標代替,故可將x4,x5,x8,x10剔除掉,并保留余下 6個指標。

綜合三個路由協議下性能指標篩選結果,可知x8,x10相對與其余指標,與剩余指標相關性最大,最有可能被其它指標代替,故可以刪除,以簡化評估指標體系,剩余 8個指標予以保留,最終無線自組網性能指標評估體系如圖 3所示。

可見,篩選后 8個指標分別從無線自組網絡的可靠性、有效性和能量三個方面定量描述了網絡性能。其中,分組投遞率、數據包文字節效率、平均路由條數描述網絡可靠性,可以表征網絡中數據包發送的準確率和網絡的復雜度;端到端平均吞吐量、端到端平均時延、時延抖動描述網絡有效性,可以正確反映當前網絡的擁塞程度,數據包收發效率和網絡穩定性;單位數據包能耗描述網絡能量,可以反映網絡中能量利用率,顯示當前網絡的剩余能量和估計網絡生存時間(無線自組網是有限能源),因此將能量列入表征無線網絡性能的指標顯得尤為重要。綜合這 8個指標,在當前網絡發展情況下,可以全面描述無線網絡性能,并為網絡評估性能作基礎。

圖3 無線自組織網絡評估指標體系

3 結論

評估指標體系是決策和評估過程中一種非常重要、有效又易于接受的方法。描述無線自組網的性能指標集,其建立過程往往由某些國際組織和專家確定,因此可不避免的帶來了指標體系龐大,指標冗余的問題。指標體系的簡化研究成為一個現實而又緊迫的問題。本文針對無線自組織網絡復雜冗余的指標,采用極大不相關法,簡化指標,并最終建立了簡便的評估指標體系,為網絡性能的有效評估提供了基礎。

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