CN101959225B - 一种间歇性连接移动网中数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种间歇性连接移动网中数据传输方法，包括如下步骤：1）网络中每个移动设备维护一个与网络中其他设备相遇的预测矩阵；矩阵的每一行对应该设备对于与其他设备相遇时间的预测；信息源设备在产生需要向目标设备发送消息时同时产生一个发送许可；设备i首先分发消息；当携带有需转发消息的设备i中的转发许可数降为1时，设备i切换到阶段二，设备i确定是否将消息副本交由设备j转发。本发明改善了向网络中注入过多消息副本导致网络拥塞的问题；实现基于可达性效用方程的更有效的消息分发策略；克服了SAF算法中消息分发过于随意的问题；在抑制向网络中注入的消息副本数量的前提下仍能获得较小的消息传递延迟。
Description
技术领域
本发明涉及一种间歇性连接移动网中数据传输方法。属于间歇性连接移动网（ICMN）数据传输的领域。
背景技术
间歇性连接移动网（ICMN）指的是数据通讯的源节点和目标节点之间不存在（或大多数情况下不存在）完整的通信链路的移动无线自组织网络。造成这种现象的原因很多，典型的原因包括网络中的节点过于稀疏、网络中节点的移动、射频关闭或障碍物等原因造成的信号衰减等等。传统的移动无线网络体系中认为把这样的网络在这种情况下只是几个孤立的连通区域，位于不同的区域的节点之间是无法进行通讯的。由于网络中的节点在频繁的移动，网络中这些连通区域的结构并不稳定，因此无法保证在某一时间上位于同一连通区域中的两个节点一定可以成功的进行通讯。同时，网络拓扑结构频繁变化导致使用传统的移动无线自组织网的路由选择协议（如DSDV，CGSR，AODV等等）试图寻找一条完整的从源节点到目标节点的通讯路径的方法变得非常没有效率，甚至完全无法正常工作，因为找到的完整路径可能由于网络的拓扑变化而很快失效，从而要求路由算法重新寻找新的路径，最终导致网络负担大大加重。近几年的研究中人们发现并可以通过增加节点的缓存暂时存储网络中需要转发的消息，随着节点在网络中的移动，可能出现能够向目标节点投递消息的机会，从而完成数据的传输，整个数据传输的过程中并不需要源节点与目标节点之间存在一条完整的通讯链路。在这类网络中中继节点需要暂时缓存消息，随着节点的移动等待合适的转发机会，中继节点的工作模式由传统网络中的“存储-转发”模式转变为“存储-携带-转发”的模式，可以把节点携带待转发消息移动并等待合适的转发机会看作是网络中的高延迟，所以ICMN也可以看作是一种带有延迟容忍网络特性的特殊的无线自组织网络，属于延迟容忍网络中的一种。
如图1所示，(a) 消息发送源设备S与消息传递目标设备D之间不存在一条之间的通讯链路，传统网络中S与D之间无法进行通讯，间歇性连接移动网中设备S将消息转发给可达的中继设备1，期望能够通过中继设备的移动成功投递消息；(b) 中继设备1在移动过程中将消息转发给更接近目标设备S的中继设备2；(c) 中继设备2在移动中获得与目标设备D通讯的机会，成功投递消息。
1.2 与本发明相关的现有技术
传统的移动自组织网络中的路由协议大多通过寻找进行通讯的源节点和目标节点之间的完整路径来实现网络中的数据传输，这类算法实际上都隐含的进行了一个假设：网络中的通讯节点之间能够找到一条完整的通讯线路。遗憾的是这一假设在ICMN中并不成立，所以需要重新针对ICMN的网络特征设计新的路由转发算法。近几年的研究中已经几种具有代表性的算法，但是都存在这样那样的缺陷，在实际使用时效果并不理想。可以把这些算法归纳为两类，即基于消息复制的传输策略和基于感知预测的传输策略。
1.2.1现有技术方案一：基于消息复制的传输策略
由于网络中的传输链路不稳定，节点在网络中的运动具有不可预知的特性，ICMN中数据传输的成功率与传统MANET比较传输成功率较低。很多转发策略采用通过向网络中传输同一消息的多个消息副本的方法来提高传输的成功率，减少网络传输的时延。这类策略中具有代表性的算法是传染转发算法（Epidemic Forward，简称EF），其策略为每个节点维护一个消息队列，当连个节点相遇时，交换对方没有存储的消息。其本质是一种洪泛算法。EF算法可以保证找的到达目标节点的最短路径，但由于实际使用时网络节点带宽、缓存等资源的限制，当网络节点数增大到一定数量时，大量的广播消息导致的拥塞使得网络性能急剧下降。在EF算法基础上有一些算法试图通过减少消息的复制数克服EF算法的缺陷，代表性算法如Spray And Focus（简称SAF），该算法固定了向网络中投递的同一消息的副本数量L，但为了保证传输的效率仍需要保证L取一个较大值，其网络负载仍然较大，实际使用时的效果并不理想。
1.2.2 现有技术方案二：
当移动设备进入可通信范围，该策略通过收集和记录一些相对位置信息，能量信息，速度信息等感知信息。
在这一类策略中：移动节点通过收集和记录一些相对位置信息，能量信息，速度信息等感知信息预测节点与目标节点相遇的可能性来决定是否向相遇的节点转发消息。消息在传输过程中只向与目标节点相遇概率较高的节点转发。这类策略的代表性算法都是使用某个效用方程（Utility Function）预测与目标节点的相遇概率，只有当相遇节点的效用方程的值大于当前节点的效用方程值时才把消息交由相遇节点进行转发。代表性算法如Encounter Ages算法，其效用方程为一个相遇计时器，每个节点维护一个与网络中所有节点相遇的计时器，当两个节点相遇时将对应节点相遇计时器归零，所有的计时器随着时间缓慢递增，在这种情况下可以认为每个节点中的与目标节点的相遇计时器代表着节点离目标节点的远近，计时器数值越小实际上代表该节点离目标节点越近。消息传输过程中携带消息的节点只有在相遇节点与目标节点遇的计时器的数值小于当期节点时才把消息交由相遇节点转发。这一类算法的主要缺陷是传输时延较大，无法满足大多数应用场景的要求。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种间歇性连接移动网中数据传输方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明一种间歇性连接移动网中数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：
1）网络中每个移动设备维护一个与网络中其他设备相遇的预测矩阵；矩阵的每一行对应该设备对于与其他设备相遇时间的预测，其形式为[ Ti(d)，τi(d) ]，其中Ti(d)是设备i估算的与目标设备d相遇的周期间隔，τi (d)为设备i维护的与目标设备d的相遇计时器；
2）信息源设备在产生需要向目标设备发送消息时同时产生一个发送许可，所述发送许可表示所需发送信息整个消息传输过程中网络上最多可以产生L份消息副本；
3）当携带待转发消息的设备i中允许向网络中注入的消息副本数L大于1时，设备i首先以阶段一分发消息；当设备i与网络中另一设备j相遇时，设备i按以下策略确定由设备j协同分发消息的数量：
如果Wj(d) > 2aWi(d)，则将L/2a份转发许可交由设备j转发，其中Wi(d)为设备i与设备d下次相遇的预期时间，Wj(d) 为设备j与设备d下次相遇的预期时间；
如果Wj(d)< Wi(d)/2a，则在设备i中保留一份消息发送副本，将其余的(2a-1)L/2a份消息副本交由设备j转发；
其他情况下将 
份消息许可交由设备j转发。
通过改变上述公式中参数a的数值可以控制消息分发设备向协同设备转交消息的速度，a为大于1的数，当a取1的时候，设备实际表现为按照SAF算法进行消息分发；
4）当携带有需转发消息的设备i中的转发许可数降为1时，设备i切换到阶段二，当设备i与网络中的另一设备j相遇时，按以下方法确定是否将消息副本交由设备j转发：
a) 如果Wj(d) < Wi(d) – Wth，则将消息交由设备j转发；其中Wth为预先设定的门限值；
b) 否则不将消息副本转发给设备j；
上述原先携带消息的设备为设备i；候选的协助分发设备为设备j；消息投递的目标设备为设备d，其中所述阶段一和阶段二指SAF算法中的阶段一和阶段二。
优选地，所述原先携带消息的设备为消息分发设备，该设备是消息产生的源设备或在前一次分发过程中获得了其他设备的协助分发请求并获取了一定数量分发许可的设备。
优选地，所述Ti(d)与τi (d)的计算方法如下：
当设备i与设备j相遇时，双方都搜索自己的相遇向量表，进行以下操作：
①如果无法找到与设备j对应的第一次相遇，则创建对应于设备d的向量，并令Ti(d)=∞，τi (d)=0；
②若对应向量中Ti(d)=∞即第二次相遇，则令Ti(d)= τi (d)，τi (d)=0；
③在其余的情况下，每次相遇时令如下：
Ti(d)=（1-δ）×（旧的Ti(d)值）+δ×τi(d)，
并令τi (d)=0。
优选地，所述发送许可以一个特殊标识字段的形式出现，字段中的值表示当前设备一共可以向网络中注入多少份该消息；当源设备要求一个协同设备协助分发消息时，源设备将该消息复制给协同设备，并把需要协同设备协助分发的消息分数m告诉协同设备；协同设备中将产生一个数值为m的发生许可标识，同时源设备把自身的发送许可标识位中值减少m。
a的一个典型取值为a=2。
本发明的有益效果如下：
改善了现有解决方案一中向网络中注入过多消息副本导致网络拥塞的问题；
通过自适应的效用方程维护网络中设备的更准确的可达性评估，从而实现基于可达性效用方程的更有效的消息分发策略；
克服了SAF算法中消息分发过于随意的问题，通过效用方程动态的选择协同节点获取的分发许可数量，保证具有较高几率成功投递消息的协同设备获得更多的分发机会；
在抑制向网络中注入的消息副本数量的前提下仍能获得较小的消息传递延迟。
附图说明
图1 为间歇性连接移动网一般通讯原理图；
图2 为工作阶段一中的消息分发方法；
图3 为工作阶段二中的消息投递机制。
具体实施方式
如图2所示，本发明主要针对现有方案一中的SAF算法进行改进。在原方案中，指定源节点允许向网络中发送最多L份待发送消息的副本，并采用一种基于二叉树的方法来完成这L份消息副本的发送。节点在转发消息过程中，在遇到没有缓存该消息的节点（这里称为中继节点）时将自身需要发送的消息副本数的一半交给相遇节点转发，直到自身需要转发数为1为止。该算法的主要问题是在将消息交由相遇节点转发是未考虑相遇节点作为转发消息的中继节点的适合程度，例如该相遇节点并没有太大可能性向目标节点成功投递该消息（比如该节点正在远离目标节点而非靠近目标节点），这种情况下将一半消息转交给该相遇节点转发其实并不是明智的选择，反而会造成对于节点存储的浪费。另外，为了保证消息最终能够成功投递，源节点在发送消息时必须选择一个较大的转发副本数L，从而大大加重网络负载，浪费了有限的带宽。
本发明优化了SAF算法中的消息转发机制，通过一种更有效的中继节点选择策略保证仅把消息交由较为可靠的中继节点进行转发。这种策略可以保证在源节点只需要指定较小的消息副本数就可以保证较高的消息投递成功率。这种消息转发策略取代了现有SAF方法中盲目转发的机制。
本发明的改进基于间歇式连接网络中一个普遍存在的特性，即大多数情况下网络中的节点的运动规律存在一定的重复性和可预知性，例如：利用人们的手持设备组成的机会网络中，由于大多数人的生活轨迹是重复的，人们每天在固定的时间沿着固定的路线去上班，人们经常以固定的周期频率去娱乐购物场所休闲放松，这类情况在现实中是普遍存在的。所以我们完全可以使用一些效用方程来评估协同设备协助分发消息时的性能优劣，这个标准一般为越有可能与目标设备相遇的协调设备的协助分发效率就越高，同时，能够更快与目标设备相遇的协同设备的分发效率也更高。评估一个协同设备协助分发消息的效率高低的具体实施步骤如下，在下列步骤中我们称原先携带消息的设备（消息分发设备，该设备可以是消息产生的源设备，也可以是在前一次分发过程中获得了其他设备的协助分发请求并获取了一定数量分发许可的设备）为设备i；候选的协助分发设备为设备j；消息投递的目标设备为设备d：
1）网络中每个移动设备维护一个与网络中其他设备相遇的预测矩阵，矩阵的每一行对应该设备对于与其他设备相遇时间的预测，其形式为[ Ti(d)，τi(d) ]，其中Ti(d)是设备i估算的与目标设备d相遇的周期间隔，τi (d)为设备i维护的与目标设备d的相遇计时器。Ti(d)与τi (d)的计算方法如下：
当设备i与设备j相遇时，双方都搜索自己的相遇向量表，进行以下操作（后面都以节点i为例）：
l 如果无法找到与设备j对应的（第一次相遇），则创建对应于节点d的向量，并令Ti(d)=∞，τi (d)=0；
l 若对应向量中Ti(d)=∞（第二次相遇），则令Ti(d)= τi (d)，τi (d)=0；
l 在其余的情况下，每次相遇时令
Ti(d)=（1-δ）×（旧的Ti(d)值）+δ×τi(d)，
并令τi (d)=0；
可计算Wi(d)=Ti(d)- τi (d)，Wi(d)为与设备d下次相遇的预期时间。数值越大表示下次距相遇的时间越长，越小表示距下次相遇的时间越短。应此我们期望Wi(d)应尽可能的小。
2) 信息源设备在产生需要向目标设备发送的消息时同时产生一个发送许可，该许可表示信息整个消息传输过程中网络上最多可以产生L份消息副本。注：发送许可以以一个很短的特殊标识字段的形式出现，字段中的值表示当前设备一共可以向网络中注入多少份该消息。当源设备要求一个协同设备协助分发消息时，其将该消息复制给协同设备，并把需要协同设备协助分发的消息分数m告诉协同设备；协同设备中将产生一个数值为m的发生许可标识，同时源设备把自身的发送许可标识位中值减少m。源设备产生的消息副本数L的选择目前已经有多种现成的技术解决方案，这里不再进行讨论。
3) 当携带待转发消息的设备i中允许向网络中注入的消息副本数L大于1时，设备i首先进入消息分发阶段（在本发明中称为工作阶段一），当设备i与网络中另一设备j相遇时。设备i按以下策略确定由设备j协同分发消息的数量：
l 如果Wj(d) > 2aWi(d)，则将L/2a份转发许可交由设备j转发；
l 如果Wj(d)< Wi(d)/2a，则在设备i中保留一份消息发送副本，将其余的(2a-1)L/2a份消息副本交由设备j转发；
l 其他情况下将
份消息许可交由设备j转发。
通过改变上述公式中参数a的数值可以控制消息分发设备向协同设备转交消息的速度，a可以取任意大于1的数，当a取1的时候，设备实际表现为按照SAF算法进行消息分发。建议a的一个较好的取值为a=2。
4) 当携带有需转发消息的设备i中的转发许可数降为1时，设备i切换为消息携带阶段（在本发明中称为工作阶段二）， 当设备i与网络中的另一设备j相遇时，按以下策略确定是否将消息副本交由设备j转发：
a) 如果设备j是消息投递的目标设备，则投递该消息，否则进行步骤b）
b) 向设备j请求其到目标设备d的相遇预期值Wj（d）:
i. 如果Wi(d) > Wi(d) + Wth，则将消息交由设备j转发；其中Wth为预先设定的门限值。
ii. 否则忽略设备j，等待下一相遇设备。
整个传输过程如图3所示。
文中相关的缩写含义如下：
ICMN: Intermittently Connected Mobile Network 间歇性连接移动网；
MANET: Mobile Ad hoc Network 移动自组织网络；
SAF：Spray and Focus 算法，一直常见的路由算法；
DSDV: Destination-Sequenced Distance-Vector Routing目的节点序列距离矢量协议；
CGSR: Cluster head Gateway Switch Routing簇头网关交换协议；
AODV: Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing无线自组网按需平面距离矢量路由协议；
DTN: Delay Tolerant Network 延迟容忍网络。
Claims (5)
1.一种间歇性连接移动网中数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：
1）网络中每个移动设备维护一个与网络中其他设备相遇的预测矩阵；矩阵的每一行对应该设备对于与其他设备相遇时间的预测，其形式为[Ti(d)，τi(d)]，其中Ti(d)是设备i估算的与目标设备d相遇的周期间隔，τi(d)为设备i维护的与目标设备d的相遇计时器；
2）信息源设备在产生需要向目标设备发送的消息时同时产生一个发送许可，所述发送许可表示所需发送的信息在整个消息传输过程中网络上最多可以产生L份消息副本；
3）当携带待转发消息的设备i中允许向网络中注入的消息副本数L大于1时，设备i首先以阶段一分发消息；当设备i与网络中另一设备j相遇时，设备i按以下策略确定由设备j协同分发消息的数量：
如果Wj(d)>2aWi(d)，则将L/2a份转发许可交由设备j转发，其中Wi(d)为设备i与设备d下次相遇的预期时间，Wj(d)为设备j与设备d下次相遇的预期时间；
如果Wj(d)<Wi(d)/2a，则在设备i中保留一份消息发送副本，将其余的(2a-1)L/2a份消息副本交由设备j转发；
其他情况下将
份转发许可交由设备j转发；
通过改变上述公式中参数a的数值可以控制消息分发设备向协同设备转交消息的速度，a为大于等于1的数，当a取1的时候，设备实际表现为按照SAF算法进行消息分发；
4）当携带有需转发消息的设备i中的转发许可数降为1时，设备i切换到阶段二，当设备i与网络中的另一设备j相遇时，按以下方法确定是否将消息副本交由设备j转发：
a)如果Wj(d)<Wi(d)–Wth，则将消息交由设备j转发；其中Wth为预先设定的门限值；
b)否则不将消息副本转发给设备j；
设备i为携带有需转发消息的设备；设备j为候选的协助分发设备；设备d为消息投递的目标设备，其中所述阶段一和阶段二指SAF算法中的阶段一和阶段二。
2.根据权利要求1所述的一种间歇性连接移动网中数据传输方法，其特征在于所述携带有需转发消息的设备为消息分发设备，该设备是消息产生的源设备或在前一次分发过程中获得了其他设备的协助分发请求并获取了一定数量转发许可的设备。
3.根据权利要求1所述的一种间歇性连接移动网中数据传输方法，其特征在于所述Ti(d)与τi(d)的计算方法如下：
当设备i与设备j相遇时，双方都搜索自己的相遇向量表，进行以下操作：
①如果无法找到与设备j对应的第一次相遇，则创建对应于设备d的向量，并令Ti(d)=∞，τi(d)=0；
②若对应向量中Ti(d)=∞即第二次相遇，则令Ti(d)=τi(d)，τi(d)=0；
③在其余的情况下，每次相遇时令如下：
Ti(d)=（1-δ）×（旧的Ti(d)值）+δ×τi(d)，其中，δ为预设权值；并令τi(d)=0。
4.根据权利要求1所述的一种间歇性连接移动网中数据传输方法，其特征在于所述发送许可以一个特殊标识字段的形式出现，字段中的值表示当前设备一共可以向网络中注入多少份该消息；当源设备要求一个协同设备协助分发消息时，源设备将该消息复制给协同设备，并把需要协同设备协助分发的消息份数m告诉协同设备；协同设备中将产生一个数值为m的发送许可标识，同时源设备把自身的发送许可标识位中值减少m。
5.根据权利要求1所述的一种间歇性连接移动网中数据传输方法，其特征在于所述a的典型取值为a=2。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20131218 Termination date: 20141105 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |