CN101291295B - 一种基于间断连通自组织网络延时有限的概率路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于间断连通自组织网络的概率路由方法，本发明的基本思想是利用间断连通自组织网络中节点移动的统计分布规律，按照用户消息指定的必需传输概率RDP以及传输延时进行预判是否产生消息副本，以及计算产生的消息副本的必要传输概率RDP的值，并对源消息中RDP值进行更新的过程。本发明保证了消息能够在所指定的送达时间内的，满足用户期望的必要传输概率RDP值，并且可以根据消息的RDP值和送达时间要求来控制消息的传输开销，摒弃了不必要的消息转发，从而有效的降低了间断连通自组织网络中的消息传输开销。

Description

一种基于间断连通自组织网络延时有限的概率路由方法

技术领域

本发明涉及一种基于间断连通自组织网络延时有限的概率路由方法，特别是提出了一种保证每次发送延时的路由策略，它以用户设定的概率来保证消息发送的延时指标，并可根据用户所设定的概率及延时指标动态控制通信开销。

背景技术

移动自组织网络(MANET)在某些特殊应用场景中具有间断连通的特点，如车辆通信等节点移动速度较快的应用以及野外科考等节点分布稀疏的应用，因此提出了间断连通移动自组织网络(ICMAN)的概念，在ICMAN中节点间具有间断连通的特性，且在任意时刻均不存在从源节点到目的节点的多跳路径。在这种情况下，传统的MANET路由协议无法正常工作。国内外的一些研究人员已提出了几种基于存储-延迟-转发的ICMAN路由协议，这些协议大多数以文献“Epidemic Routing for Partially Connected Ad Hoc Networks”为基础进行改进。Epidemic路由协议使用泛洪的消息传输方式，借助于节点的移动性，最终将消息送达至目的节点。它能达到最优的消息传输延时，但同时也带来了大量的冗余消息副本，增加了通信开销。还有一些文献“Spray and wait：an efficient routing scheme for intermittently connected mobilenetworks”“Efficient routing in intermittently connected mobile networks：The multiple-copy case”提出了一种更有效的路由策略，它能根据用户所期望的平均传输延时来确定消息副本数，以此来控制总通信开销，但仍不能保证每次消息发送的传输延时，实际上用户更关注每次消息发送的传输延时，仅仅提供消息的平均传输延时降低了路由策略的可用性。

由上述间断连通移动自组织网络的特点及相关研究可以看出，已有的路由协议存在以下不足：

1.以Epidemic路由协议为基础的协议使用泛洪的消息传输方式，借助于节点的移动性，最终将消息送达至目的节点。它能达到最优的消息传输延时，但同时也带来了大量的冗余消息副本，增加了通信开销。

2.现有的一些路由策略能根据用户所期望的平均传输延时来确定消息副本数，以此来控制总通信开销，但仍不能保证每次消息发送的传输延时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以保证每次发送延时的路由方法，它以用户设定的概率来保证消息发送的延时指标，并可根据用户所设定的概率及延时指标动态调整通信开销。用户对消息发送的指标要求可用概率公式①进行表示：Pr_d{d≤d_bounded}≥Φ①其中d为传输延时，d_bounded为最大的传输延时，Φ为达到延时要求的最小概率。

本发明适用于符合一致(uniform)移动模型的无线自组织网络；该网络模型中不存在多跳的直接通信链路，且两节点只有在相遇时才可进行通信；每个节点都携带一个计时器，用作记录节点间的相遇时间间隔，即为相遇时间；每个节点都维护一张时间表，用来记录所有节点间的相遇时间，当两个节点相遇时，彼此相互交换并更新各自的时间表，这样经过一定时间后网络中各个节点即可获得所有节点间的平均相遇时间。

本方法具体内容如下：

间断连通自组织网络中节点A携带消息m，需将此消息在一定的时间d_bounded内，并以一定的概率p_m发送至目的节点D。本方法在消息m的消息头中增加两个字段：必需送达概率RDP和必需送达时间RAT，RDP的初始值为p_m，RAT的初始值为当前时间T与d_bounded的和，即未来的某一时间点。其具体实施方式为：

1.消息副本预判机制，当网络节点A遇到了非目的节点B时，节点A通过预判机制来决定是否为节点B创建消息副本。此机制主要用来预判节点A是否需要产生消息副本。步骤如下：

步骤1：节点A向节点B发送确认消息，用来确认节点B中是否已经存在待转发的消息m，当节点B接收到此确认消息后，给节点A回复信息，若B已经存在消息m，此预判副本产生机制结束，若B中不存在消息m，预判副本产生机制进入步骤2；

步骤2：节点A通过查找保存在自身节点上的平均相遇时间表，得到节点A与目的节点D之间的相遇时间τ_ad，因为节点间的直接传输延时服从指数分布，则根据指数分布概率公式可以计算出节点A与目的节点D之间的直接传输概率p_dt为：

$\mathrm{Pr}\{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ad}}\≤d_{\mathrm{bounded}}\}=1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ad}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ad}}},$ d_bounded≥0②其中λ_ad＝1/

_ad，

_ad为时间表中记录的节点A与D间的平均相遇时间；

步骤3：比较消息m的RDP指标p_m与p_dt的大小，若p_m＜p_dt，不需要产生消息副本，消息副本预判结束；若p_m＞p_dt，则需要产生消息副本m’，为此进入消息副本概率计算机制来得到m’的RDP指标p_m’。

2.消息副本概率计算机制，该机制的主要任务是计算消息副本m’中RDP字段值p_m’，步骤如下：

步骤一：节点A利用Dijkstra最短路算法从平均相遇时间表中找出相遇节点B到目的节点D的最短路，并由公式

③计算得出节点B沿最短路将消息在延时d_bounded内送达到目的节点D的概率p_est，其中： $C_{i,n-1}=\underset{j\≠i}{\mathrm{\Π}}\frac{{\mathrm{\λ}}_{k_j{k}_{j+1}}}{{\mathrm{\λ}}_{k_j{k}_{j+1}}-{\mathrm{\λ}}_{k_i{k}_{i+1}}},$ ${\mathrm{\λ}}_{k_i{k}_{i+1}}=1/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{k_i{k}_{i+1}},$

为节点B到D最短路上的相邻两点k_ik_i+1间的平均相遇时间，Δ_BD为节点B沿最短路径到节点D的端到端的传输延时。

步骤二：设源节点A到目的节点D的各条消息传输路径相互独立，则可由消息副本预判机制所得到的直接传输概率p_dt和源消息m的RDP值p_m，通过公式④计算出消息副本m’的期望传输概率p_n，P_n＝(P_m-P_dt)/(1-P_dt)④。

步骤三：节点A比较p_est和p_n大小，将较小的数值赋给p_m’，即：当p_est≥p_n，则p_m’＝p_n，将消息副本m’发送给节点B；当p_est＜p_n，则p_m’＝p_est，将消息副本m’发送给节点B。

3.源节点概率更新机制，本机制的主要功能是更新源节点A中消息m的RDP字段值p_m，更新过程为：由源消息m的必需送达概率p_m和消息副本m’的必需送达概率p_m’，根据公式P_m＝(P_m-P_m′)/(1-P_m′)⑤计算得更新的消息m的必需送达概率p_m。

使用本发明中的路由方法可以使间断连通自组织网络中各个通信节点间能够以更加灵活、更加高效的方式进行通讯；用户可以通过本路由方法为消息指定不同的RDP值以及不同的送达时间要求，从而实现个性化的消息传输；本路由方法可以根据消息的RDP值和送达时间要求来控制消息的传输开销，摒弃了不必要的消息转发，从而有效的降低了间断连通自组织网络中的消息传输开销。

附图说明

图1是各个节点在同一平面内随机移动。图中圆圈代表网络中随机移动节点，A、B为两个相遇的节点，D为目的节点；箭头表示节点在当前时刻移动的方向。

图2是间断连通自组织网延时有限路由方法的具体流程。

图3是判断节点是否需要产生消息副本。

图4是计算消息副本中必要送达概率值。

图5是利用本路由方法的一个消息传输实例。图中圆圈代表移动节点；带箭头的虚连接线表示所连接的两个节点相遇；虚线表示表示某一时刻，对应的T值表示该时刻值；矩形框表示所要发送的消息，其中p表示消息的RDP指标，其中bt表示消息的期望送达时间。

具体实施方式

具体实施如下：本方法根据传输延时概率的特点描述，提出了一种有界延时概率路由策略，其目标是在达到传输延时指标的前提下，对消息的扩散与转发进行控制，以降低开销。其主要分为评估预测阶段和扩散传输阶段两个阶段。

设携带有效消息的节点与其它未收到过该消息的非目的节点相遇时，若遇到已收到该消息的其他节点，则无需转发；若遇到目的节点，则直接进行消息传输。假设携带有效消息m的节点A与未收到过该消息的节点B相遇，且m的目的节点不为B，则A将按照下述步骤进行处理：

步骤1：计算直接传输的概率p_dt，若p_dt小于该消息m的RDP指标p_m，则创建m的待发送消息副本m’，并转入步骤2；否则不向B转发消息，并结束本次处理过程；

步骤2：由Dijkstra最短路算法得到从相遇节点到目的节点的最短路，并根据公式③计算沿该路的传输概率p_est；

步骤3：计算消息m’的RDP指标p_m’，其中p_m’＝min{(p_m-p_dt)/(1-p_dt)，p_est}；

步骤4：将m’转发给B；

步骤5：更新消息m的RDP指标p_m，其中p_m＝(p_m-p_m’)/(1-p_m’)。

步骤1中，若p_m为0，则不创建转发用的消息副本，但仍然进行消息的直接发送，即仅当消息携带节点与消息目标节点相遇时才发送消息。

消息一般需要多次转发才能从源节点发送至目的节点，下面以图5为例，描述本路由方法的消息发送过程。

图5中在T＝0时刻，s节点产生了目的节点为t的消息m，并使用本路由方法进行消息传输，s节点根据用户的要求将m的RDP指标设为0.8，并将m的送达时间(RAT)设为5，即要求在T＝5之前(包括T＝5时刻)完成消息发送；

图5中在T＝1时刻，s节点与k₁节点相遇，此时，k₁节点未接收过m消息，因此s与k₁节点将按照实施步骤1到5进行处理，具体如下。步骤1得到直接传输的概率p_dt＝0.15。步骤2对转发节点到目的节点的消息传输概率进行估计，s将根据公式③估计消息沿k₁到目的节点t的最短路径发送的传输概率，得到p_est＝0.6；步骤3假设消息沿s直接传输，并据此计算消息沿k₁发送应需达到的传输概率为0.76，m’的RDP指标p_m’无需大于该概率值，因此步骤3选择沿k₁传输的估计概率值与应达传输概率中的较小值0.6做为m’的RDP指标；当确定m’的RDP指标后，步骤4完成消息的转发；成功转发后，步骤5依据m’的RDP指标更新m的RDP指标为0.5。

图5中在T＝2时刻，s节点与k₂节点相遇，k₁节点与k₃节点相遇，消息转发处理过程与T＝1时刻s节点到k₁节点的转发处理过程相同。经过转发后，s节点上的消息的RDP更新为0.1，k₁节点上的消息的RDP更新为1/3，k₂节点上的消息副本的RDP为4/9，k₃节点上的消息副本的RDP为0.4。

图5中在T＝3时刻，各个节点均未相遇，没有消息进行转发。

图5中在T＝4时刻，k₂节点与目的t节点相遇，k₂节点将消息转发给t节点，并将本地节点上的消息的RDP更新为0。

图5中在T＝5时刻，所有节点上未送达至t节点的消息均已过期，不再进行转发。

Claims (1)

1.一种基于间断连通自组织网络延时有限的概率路由方法，其特征在于：包括消息副本预判机制、消息副本概率计算机制、源节点概率更新机制，且三种机制顺序执行；在消息m的消息头中增加两个字段：必需送达概率RDP和必须送达时间RAT；

1)消息副本预判机制，当网络节点A遇到了非目的节点B时，节点A通过消息副本预判机制来决定是否为节点B创建消息副本，该机制主要用来预判节点A是否需要产生消息副本，其步骤如下：

步骤1：节点A向节点B发送确认消息，用来确认节点B中是否已经存在待转发的消息m，当节点B接收到此确认消息后，给节点A回复信息，当B已经存在消息m，此消息副本预判机制结束，当B中不存在消息m，消息副本预判机制进入步骤2；

步骤2：节点A通过查找保存在自身节点上的平均相遇时间表，得到节点A与目的节点D之间的相遇时间τ_ad，根据指数分布概率公式能计算出节点A与目的节点D之间的直接传输概率p_dt为：d_bounded≥0，其中λ_ad＝1/ _ad，

_ad为时间表中记录的节点A与D间的平均相遇时间；

步骤3：比较消息m的RDP指标p_m与p_dt的大小，当p_m≤p_dt，不需要产生消息副本，消息副本预判结束；当p_m＞p_dt，则产生消息副本m’，通过消息副本概率计算机制得到m’的RDP指标p_m’；

2)消息副本概率计算机制，计算消息副本m’中RDP字段值p_m’，步骤如下：

步骤一：节点A利用Dijkstra最短路算法从平均相遇时间表中找出相遇节点B到目的节点D的最短路，并由公式

计算得出节点B沿最短路将消息在延时d_bounded内送达到目的节点D的概率p_est，其中：

为节点B到D最短路上的相邻两点k_ik_i+1间的平均相遇时间，Δ_BD为节点B沿最短路径到节点D的端到端的传输延时；

步骤二：由于源节点A到目的节点D的各条消息传输路径相互独立，则由消息副本预判机制所得到的直接传输概率p_dt和源消息m的RDP值p_m，通过公式P_n＝(P_m-P_dt)/(1-P_dt)计算出消息副本m’的期望传输概率p_n；

步骤三：节点A比较p_est和p_n大小，将较小的数值赋给p_m’，即：当p_est≥p_n，则p_m’＝p_n，将消息副本m’发送给节点B；当p_est＜p_n，则p_m’＝p_est，将消息副本m’发送给节点B；

3)源节点概率更新机制，是更新源节点A中消息m的RDP字段值p_m，更新过程为：由源消息m的必需送达概率p_m和消息副本m’的必需送达概率p_m’，根据公式P_m＝(P_m-P_m′)/(1-P_m′)计算得更新的消息m的必需送达概率p_m。

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