CN101795292A

CN101795292A - 一种基于城市公交车辆的机会网络架构

Info

Publication number: CN101795292A
Application number: CN201010100904A
Authority: CN
Inventors: 牛建伟; 郭锦铠
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: CN101795292B

Abstract

本发明公开了一种基于城市公交车辆的机会网络架构，为用户提供信息收集与信息通告两种类型的信息服务，包括底层节点，中间层节点，顶层节点三层架构。底层节点包括用户的移动设备、信息发布和信息采集设备，底层将自己拥有的信息上传给中间层，也能从中间层下载自己所感兴趣的信息；中间层为公交车载且带有GPS功能模块和3个无线接口的BIT节点，BIT节点向底层提供信息服务，互相之间也能够传输信息，并可与顶层进行数据收发；顶层为部署在城市固定位置与Internet互联的网关节点，向附近移动的BIT节点发布信息或从BIT节点收集信息。其优点在于：成本低，具有很好的可扩展性，为用户提供便捷实用廉价的信息服务；具有传感器网络的数据收集功能。

Description

一种基于城市公交车辆的机会网络架构

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于城市公交车辆的机会网络架构。

背景技术

机会网络是一种延迟容忍网络，特征是源节点和目的节点之间可能不存在一条端到端的连通路径，这在传统网络架构中无法进行数据通信。机会网络则利用节点移动过程中与其他节点的相遇机会进行数据传输。机会网络的节点采用“存储-携带-转发”的模式，在没有适合转发的邻居节点时，节点就缓存数据以便等待将来遇到合适的转发节点，随着节点的移动，逐跳转发至合适的节点，最终转发至目的节点从而实现传输(参考文献[1]：机会网络，作者熊永平等，Journal of Software，Vol.20，No.1，January 2009，pp.124-137)。如图1所示，t1时刻，源节点S想要发一个信息给目的节点D，但此刻S与D之间并不连通，S就先把信息转发给3号节点；t2时刻，随着节点移动，3号节点与4号节点相遇，3号节点就把信息转发给4号节点；t3时刻，4号节点与目的节点D相遇，把信息发给目的节点D，这样经过中间节点的携带转发，源节点与目的节点就完成了数据传输。

目前，国外已经有了一些机会网络的典型应用。如：DakNet是MIT Media Lab研究人员为印度落后农村地区开发的，用来提供廉价Internet接入服务的网络系统。DakNet网络包括：部署在每个村庄具有存储和短距离无线通信功能的kiosk设备，安装在定期往返农村和城镇公交车辆上的MAPs(Mobile Access Points)设备，以及部署在城镇连接到Internet的AP设备，这些设备都配备802.11无线接口。村民通过简易PDA设备把邮件和信息请求等数据通过Wi-Fi发送到kiosk设备，或从kiosk设备下载相应的信息；往返农村的公交车经过kiosk设备附近时，MAPs从kiosk中下载数据或上传上次请求的数据；当公交车到达城镇时，MAPs通过AP连接到Internet上进行交换数据。DakNet通过MAPs与kiosk设备、AP设备之间的交替通信，为农村提供了间歇性的廉价的Internet信息服务，但网络延迟很大，DakNet适合一些能容忍延迟的服务，如email，政府公告等。

除此以外，机会网络还应用在很多其他的项目中，如模拟生物进化的自治计算系统Bionets，结合移动传感器网络的DFT-MSN，利用移动节点收集气象站监测数据的SMARTtag等。另外，也有结合传感器网络和移动ad hoc网络研究机会网络的课题，某些机构也研究了城市车辆之间的机会网络，但还没有基于城市公交系统的机会网络的研究。

发明内容

本发明提出了一种基于城市公交车辆的机会网络架构，包括底层节点、中间层节点、顶层节点三层架构，可以为用户提供信息收集与信息通告两种类型的信息服务。

底层节点是信息的产生源或使用者，主要包括用户的移动设备节点、信息发布设备节点和信息采集设备节点；底层节点将自己拥有的信息上传给中间层节点，也能从中间层节点下载自己所感兴趣的信息。

中间层节点由安装在城市公交车辆上的BIT(Bus-based Information Transceiver)节点组成，BIT节点是带有GPS功能模块和3个无线接口的数据收发设备；BIT节点向底层发布或收集信息，BIT节点相互间也可转发各自拥有的信息，并通过顶层网关节点与Internet服务器进行数据通讯。

顶层节点由部署在城市固定位置的网关节点组成，网关节点通过有线接入与Internet互联，向附近经过的BIT节点发布信息或从BIT节点收集信息。

本发明提出的一种基于城市公交车辆的机会网络架构的优点在于：

(1)本发明一种基于城市公交车辆的机会网络架构综合了传感器网络、移动Ad hoc网络和DTN网络等多种网络技术优势，使用异构节点将网络功能在三层节点之间合理分配，从而降低了终端设备的复杂度和成本，解决了传统传感器网络和移动Ad hoc网络因成本太高不能实用化的主要障碍，同时具有很好的可扩展性；

(2)本发明一种基于城市公交车辆的机会网络架构与需要基础设施的移动网络(例如蜂窝网、WLAN等)相比，本发明是利用设备本身的移动性和短距离无线通信两种方式完成数据传输任务，实现了“移动换带宽”，相比传统的蜂窝网具有更高的带宽，而与WLAN相比更灵活，本发明还具有传感器网络的数据收集功能。

(3)本发明一种基于城市公交车辆的机会网络架构充分利用了我国大多数城市中，公交运行线路遍布于整个城市，基本上可以覆盖城市的每个角落这一特点，可为用户提供便捷实用廉价的信息服务，具有很大的市场潜力，很有可能会促使一个从内容制作、网络运营到服务提供的新的信息服务产业链的形成。

附图说明

图1为机会网络概念示意图；

图2为本发明一种基于城市公交车辆的机会网络架构示意图；

图3为本发明一种基于城市公交车辆的机会网络架构的应用场景图；

图4为本发明一种基于城市公交车辆的机会网络架构中通告信息的邂逅分摊方法图例。

图中：

1-底层节点、2-中间层节点、3-顶层节点、101-用户移动设备节点、102-信息采集设备节点、103-信息发布设备节点、201-BIT节点、301-网关节点

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种基于城市公交车辆的机会网络架构，如图2所示，主要包括底层节点1、中间层节点2、顶层节点3三层架构，由此三层共同组成一个异构、移动与泛在的网络，利用机会通信方式提供低成本的信息服务。

其中，底层节点1为信息感知节点，包括用户移动设备节点101，如：智能手机、带无线接口的笔记本电脑；信息发布设备节点102，如：医院、停车场、加油站、商场等发布位置信息或广告信息的设备；信息采集设备节点103，可以是一些信息采集设备，如：环境监测传感器节点等多种类型的设备，是信息的产生源或使用者。这些节点在实际生活中都是被广泛使用的，因此部署非常方便且低廉。

中间层节点2由安装在城市公交车辆上的BIT节点201组成，BIT节点201是带有GPS功能模块和3个无线接口的数据收发设备节点；城市中的公交车辆数量多，密度大，并且按预定线路在城市中行驶，在移动过程中，BIT节点201与底层节点1以及BIT节点201与BIT节点201之间有大量的通讯机会。底层节点1可以将自己拥有的信息上传给BIT节点201，也可以从BIT节点201下载自己所感兴趣的信息；BIT节点201可以向底层节点1发布或收集信息，BIT节点201之间也可以相互传输各自拥有的信息。

顶层节点3由部署在城市固定位置的网关节点301构成，网关节点301通过有线接入与Internet互联，定期地向附近移动的BIT节点201发布信息或从BIT节点201收集信息进行整合。如：可以通过网关节点301将政府公告、公共信息等向BIT节点201发布进而将信息最终发布给底层节点1(终端用户)，还可以对由BIT节点201收集的信息进行分析，可供科学研究，公共管理，商业决策等多种应用。

(1)信息收集服务；

信息收集服务是将底层节点1的数据经过BIT节点201和顶层网关节点301传输到Internet服务器上。如图3所示，道路附近的信息采集设备节点102可以获取周围环境数据，这些设备功能简单，功耗低，数量多，数据收集功能强，这些节点102先将所采集的信息上传至附近驶过的公交车辆上的BIT节点201，通过BIT节点201上传至顶层网关节点301，再通过网关节点301将这些信息发送给Internet上的服务器，由Internet上的服务器对这些采集到的信息进行分析，实现对城市环境卫生状况的监测；此外，底层用户移动设备节点101也可以将拍摄到的图像视频文件或者其它数据先通过上传至中间层BIT节点201，然后经由顶层网关节点301保存到Internet上的服务器，可节省用户移动设备有限的存储空间。

信息收集服务的传输机制分为：

①底层节点1向BIT节点201发送信息；

公交车辆运行过程中，BIT节点201定期向附近的底层节点1广播包含BIT节点201自身编号、公交线路、节点缓存状态和到下一个网关节点301的距离等信息的信标消息，底层节点1根据收到的信标消息选择最优的BIT节点201进行数据传输。

②BIT节点201之间转发信息；

BIT节点201使用贪婪选择方法选择下一跳BIT节点201以减少数据到达网关节点的时间延迟。所述贪婪选择方法是指：BIT节点A运行过程中接收自身遇到的其他BIT节点201的信标消息，如果其中某个BIT节点B距离某个特定网关更近，则BIT节点A就将信息转发给BIT节点B，由BIT节点B按同样策略完成本次信息传输。

③BIT节点201向顶层网关节点301发送信息。

当BIT节点201靠近网关节点301时，BIT节点201将数据经网关节点301上传到Internet服务器上。每份数据在网络内只保留一份拷贝，即每次BIT节点201转发数据成功后删除自身缓存内的对应拷贝。

(2)信息通告服务；

信息通告服务是指将来自Internet服务器上的信息或底层节点1中的信息通过BIT节点201的协同工作，按照给定的时间和空间要求，在一定时间内发布给指定区域内的用户移动设备节点101。这样，经过一段时间，通告信息就能够发布给一定区域内的大量用户。例如，政府或者其他公共机构可以发布政策公告、交通广告、灾害通告等信息到网关节点301，这些网关节点301又将这些信息广播给行驶至其附近的公交BIT节点201，BIT节点201在其行驶移动过程中再把这些信息发送给对这些信息有兴趣的底层节点1。底层信息发布节点103也可以将自己所要发布的信息如商品的打折促销活动、停车场的空余车位状况等向附近的BIT节点201进行广播，随着BIT节点201的行驶移动，再将这些信息广播至离信息发布设备节点一定时间空间范围内底层用户移动设备节点101上，这样的信息发布是极其低廉而实用的。

一些通告信息(如停车场、加油站、饭店的位置或广告信息)具有时间和空间局部有效性，就是随着传播距离的扩展和传播时间的推移，信息的有用性就越低。为了高效发布信息，通告信息的源节点有一套控制机制：首先对信息的传播距离和生存时间进行控制，使信息只有在局部时空环境中有效；其次，信息源根据应用需要控制信息的发布密度，信息发布密度的定义是指在单位时间和单位空间内信息的发布次数。在给定信息发布密度的基础上，根据公交车辆的当前位置和信息的有效区域边界，提出了基于车辆运行轨迹的邂逅分摊方法，使得信息尽可能快速并且均匀地发布在有效区域内。

所述BIT节点201之间转发通告信息时采用的邂逅分摊方法为：BIT节点A遇到向其他方向运行的BIT节点B时，将信息转发给BIT节点B，并根据两BIT节点在信息有效空间内的运行路线，将信息的发送次数在两个BIT节点间进行合理分摊，使BIT节点B成为一个新的发布节点。如图4所示，BIT节点A需要发布一个发布次数为N的信息J时，先计算BIT节点A当前位置到有效区域边界Y的距离L，则BIT节点A每移动N/L的距离就需要发布一次；假设车辆运行了L1距离后，遇到在垂直方向运行的BIT节点B，则将信息转发给BIT节点，且BIT节点A和BIT节点B各负责BIT节点A转发前剩余信息发布次数的一半(在水平和垂直两个方向上均分发送次数)，即(N-(N×L1)/L)/2。

为保证信息服务的可靠高效传输，在BIT节点201还需要缓存管理和调度策略。BIT节点201将缓存组织成两个信息队列：收集信息FIFO队列(First In First out，先进先出队列)和通告信息多级定时队列。收集信息FIFO队列，用来缓存BIT节点201所收集到的信息。通告信息多级定时队列指通告信息按照发送绝对时间确定的优先级组织成高、中、低三个定时队列，当信息发出后，BIT节点动态计算该信息下一次的发送时间重新插入队列。

BIT节点201内设置定时器，定时监测并删除时空有效性过期的信息；缓存溢出需要删除信息时，考虑不同队列具有不同的优先级，将低优先级的信息删除。

Claims

1.一种基于城市公交车辆的机会网络架构，其特征在于：包括底层节点、中间层节点、顶层节点三层架构，为用户提供信息收集与信息通告两种类型的信息服务；

所述的底层节点是信息的产生源或使用者，主要包括用户的移动设备节点、信息发布设备节点和信息采集设备节点；底层节点将自己拥有的信息上传给中间层节点，也能从中间层节点下载自己所感兴趣的信息；所述的中间层节点由安装在城市公交车辆上的BIT节点组成，BIT节点是带有GPS功能模块和3个无线接口的数据收发设备节点；BIT节点向底层发布或收集信息，BIT节点相互间转发各自拥有的信息，并通过顶层网关节点与Internet服务器进行数据通讯；所述的顶层节点由部署在城市固定位置的网关节点组成，网关节点通过有线接入与Internet互联，向附近经过的BIT节点发布信息或从BIT节点收集信息。

2.如权利要求1所述一种基于城市公交车辆的机会网络架构，其特征在于：所述信息收集是指将底层节点的数据经过BIT节点和顶层网关节点传输到Internet服务器上，具体通过以下方式来实现：

①底层向中间层BIT节点发送信息；

车辆运行过程中，BIT节点定期向附近的底层节点广播包含BIT节点自身编号、公交线路、节点缓存状态和到下一个网关的距离等信息的信标消息，底层节点根据收到的信标消息选择最优的BIT节点进行数据传输；

②BIT节点之间转发信息；

BIT节点使用贪婪选择方法选择下一跳BIT节点以减少数据到达网关的时间延迟；所述贪婪选择方法是指：BIT节点A运行过程中接收自身遇到的其他BIT节点的信标消息，如果其中某个BIT节点B距离某个特定网关更近，则BIT节点A就将信息转发给BIT节点B，由BIT节点B按同样策略完成本次信息传输；

③BIT节点向顶层网关节点发送信息；

BIT节点靠近网关节点时，BIT节点将数据通过顶层网关节点上传到Internet服务器上；每份数据在网络内只保留一份拷贝，每次BIT节点转发数据成功后删除自身缓存内的对应拷贝。

3.如权利要求1所述一种基于城市公交车辆的机会网络架构，其特征在于：所述信息通告服务是将来自Internet服务器上或底层信息发布节点的信息通过BIT节点的协同工作，按照给定的时间和空间要求发布给指定区域内的移动用户；信息通告服务的传输控制机制为：首先对信息的传播距离和生存时间进行控制，使信息只有在局部时空环境中有效；其次，信息源根据应用需要控制信息的发布密度；根据车辆的当前位置和信息的有效区域边界，BIT节点之间转发通告信息时，采用邂逅分摊方法，使得信息均匀并且快速地发布在有效区域内。

4.如权利要求3所述一种基于城市公交车辆的机会网络架构，其特征在于：所述邂逅分摊方法为：BIT节点A遇到向其他方向运行的BIT节点B时，将信息转发给BIT节点B，并根据两BIT节点在信息有效空间内的运行路线，将信息的发送次数在两个BIT节点间进行合理分摊，使BIT节点B成为一个新的发布节点。

5.如权利要求1所述一种基于城市公交车辆的机会网络架构，其特征在于：所述BIT节点通过缓存管理和调度策略，来保证信息服务的可靠高效传输，具体为：BIT节点将缓存组织成两个信息队列：收集信息FIFO队列和通告信息多级定时队列；其中，收集信息FIFO队列用来缓存BIT节点所收集到的信息；通告信息多级定时队列指通告信息按照发送绝对时间确定的优先级组织成高、中、低三个定时队列，当信息发出后，BIT节点动态计算该信息下一次的发送时间重新插入队列。

6.如权利要求1所述一种基于城市公交车辆的机会网络架构，其特征在于：BIT节点内设置定时模块，定时监测并删除时空有效性过期的信息；缓存溢出需要删除信息时，考虑不同队列具有不同的优先级，将低优先级的信息删除。