CN102137335A - 基于骨干结构的高可靠无线广播方法 - Google Patents

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Abstract

基于骨干结构的高可靠无线广播方法，它涉及无线广播技术领域。它的广播方法为：第一部分是高可靠骨干结构构建，第二部分是基于该骨干结构实现高可靠广播；首先构造一个高可靠广播骨干结构，网络中的每个节点或者属于该骨干结构，或者是该骨干结构中某个节点的邻居节点；然后，在该骨干结构上实现广播，即：仅该骨干结构上的节点广播分组；在上述基础上，实现骨干结构外的节点基于概率的友情机会转发——以支持骨干结构上的节点的高可靠广播。它结合无线链路的机会特性，通过沿着骨干结构的广播和骨干结构之外友情节点的机会补冲转发，来大大提高广播可靠性，并同时降低广播开销。

Description

基于骨干结构的高可靠无线广播方法
技术领域
本发明涉及无线广播技术领域，具体涉及一种基于骨干结构的高可靠数据组播方法。
背景技术
无线多跳网络中的广播是一个经典问题，已有广播方法包括如下：（1）利用一跳/两跳拓扑信息、节点已经监测到的广播分组接收情况来确定自己是否继续转发以及何时转发，什么情况下可以取消转发，由此来抑制重复广播；（2）利用位置信息和邻居节点已经进行的转发来确定自身如果转发是否能够覆盖新的地理区域，如果是的话，则执行转发；否则取消；（3）构造网络的连通支撑集（connected dominating set），从而使得只有连通支撑集上的节点需要转发广播分组，其余节点则不需要；（4）基于计数的转发——如果已经有K个邻居转发过广播分组，则取消自己的转发，否则执行转发。上述方案主要考虑的是如何提高广播效率、抑制重复广播，基本没考虑广播的可靠性问题。
无线网络的可靠广播方法中，一些方法是在广播过程中如何确保每个节点至少有两次接收机会，或者如何结合链路层可靠单播和选择性重传实现可靠广播。前者是定性方式提高广播的可靠性，后者则需要修改MAC层协议，不能同时综合考虑广播的高效性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于骨干结构的高可靠无线广播方法，它结合无线链路的机会特性，通过沿着骨干结构的广播和骨干结构之外友情节点的机会补充转发，来大大提高广播可靠性，并同时降低广播开销。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：整个广播方法分为两部分，第一部分是高可靠骨干结构构建，第二部分是基于该骨干结构实现高可靠广播；首先构造一个高可靠广播骨干结构，网络中的每个节点或者属于该骨干结构，或者是该骨干结构中某个节点的邻居节点；然后，在该骨干结构上实现广播，即：仅该骨干结构上的节点广播分组。在上述基础上，实现骨干结构外的节点基于概率的友情机会转发——以支持骨干结构上的节点的高可靠广播。
所述的高可靠骨干结构构建具体步骤为：1、构建过程首先由网络中某个指定节点或者随机选取的节点发起，为了方便起见，记该节点为M；2、节点M首先生成一个骨干结构构建信令，然后将该信令广播给自己的邻居；3、如果某个节点第一个该信令的副本时，它将等待一小段时间T；等待期间，如果收到该信令的多个副本，则从中选择链路分组成功投递率最大的一个作为自己连接到骨干结构上的链路，并向该链路的另一端发送一个响应信令——以声明自己选择该节点为自己的指定骨干邻居节点；4、当超时后，该节点将转发该信令。每个节点至多只转发该信令一次；5、信令全网广播完成后，且当每个节点确定自己的指定骨干邻居节点之后，覆盖全网的骨干结构就形成了；6、骨干结构形成后，每个骨干节点将向自己的邻居节点发送一个短信令以声明自己的骨干身份，每个非骨干节点记录自己的所有骨干邻居节点并统计其个数。
所述的基于骨干结构实现高可靠广播的具体步骤为：1、当一个节点有数据需要广播时，如果自己不是骨干节点，则将该分组广播给自己的骨干邻居节点，否则直接作为骨干节点发起基于骨干结构的广播，即：骨干结构上的每个节点在收到该分组之后都将以链路层广播的形式发给自己的骨干邻居节点以及非骨干邻居节点；2、每个非骨干节点监听无线信道上的广播行为，如果自己的所有骨干邻居都已经执行了对该分组的广播，则它不需要做额外的转发操作；但是，如果它没有监听到某个骨干邻居的广播行为，它将记录下来，并且记录自己未听到执行分组广播的骨干邻居的个数。
非骨干节点的友情转发有以下两种方法：
1、每个非骨干节点（如x）根据自己的骨干邻居节点中，x未听到执行分组广播的骨干邻居数（记做Nx）设定自己的友情转发延迟时间——Nx越大，延迟越小。即，节点x的友情转发延迟DeferTimex =D+random(0, f(1/Nx))，f(1/Nx)的值与1/Nx呈正比关系，random(0, f(1/Nx))返回0和f(1/Nx)之间的一个数，它的引入时为了抑制传输碰撞；D是一个常数，其设定是为了允许骨干节点有充分时间从其骨干邻居接收并转发数据，如D可以设置为数百毫秒。当DeferTimex超时后，节点x转发该分组；如果计数执行过程中，节点x收到某骨干邻居的广播行为，则从新按照新的Nx值计算并设定友情转发延迟计时器。一个非骨干节点对单个分组的友情转发最多执行K次，K是一个小正整数。
2、DeferTimex的计算过程考虑了节点剩余能量，即DeferTimex =D+random(0, f(1/(Ex′Nx)))，其余程序与方法1相同，其中Ex为节点x的剩余能量。
本发明所设计的方案面向无线多跳网络，网络中的每个节点都配备一个全向天线。网络中的无线链路具有不可靠性，即：一个节点发送的分组，其相邻节点可能没有收到（比如由于误码、碰撞等因素）。网络中的链路(u,v)，其分组成功投递率记做P uv 。本发明假定每个节点了解其每个邻接链路的分组成功投递率，如果不了解的情况下，则简单地将每条链路的分组成功投递率都记为1。 网络中链路具有时变特性，即链路分组成功投递率随时间而变。
本发明可以分布式构建高可靠广播骨干结构，并采用“基于骨干结构的分组广播+非骨干节点有条件友情协助广播”的机制来降低广播开销、提高广播可靠性。本专利设计的方案具有分布式特性，易于在无线网络中实现，并具有较高的协议性能。
具体实施方式
本具体实施方式采用以下技术方案：它的广播方法为：第一部分是高可靠骨干结构构建，第二部分是基于该骨干结构实现高可靠广播；首先构造一个高可靠广播骨干结构，网络中的每个节点或者属于该骨干结构，或者是该骨干结构中某个节点的邻居节点；然后，在该骨干结构上实现广播，即：仅该骨干结构上的节点广播分组。在上述基础上，实现骨干结构外的节点基于概率的友情机会转发——以支持骨干结构上的节点的高可靠广播。
所述的高可靠骨干结构构建具体步骤为：1、构建过程首先由网络中某个指定节点或者随机选取的节点发起，为了方便起见，记该节点为M；2、节点M首先生成一个骨干结构构建信令，然后将该信令广播给自己的邻居；3、如果某个节点第一个该信令的副本时，它将等待一小段时间T；等待期间，如果收到该信令的多个副本，则从中选择链路分组成功投递率最大的一个作为自己连接到骨干结构上的链路，并向该链路的另一端发送一个响应信令——以声明自己选择该节点为自己的指定骨干邻居节点；4、当超时后，该节点将转发该信令。每个节点至多只转发该信令一次；5、信令全网广播完成后，且当每个节点确定自己的指定骨干邻居节点之后，覆盖全网的骨干结构就形成了；6、骨干结构形成后，每个骨干节点将向自己的邻居节点发送一个短信令以声明自己的骨干身份，每个非骨干节点记录自己的所有骨干邻居节点并统计其个数。
所述的基于骨干结构实现高可靠广播的具体步骤为：1、当一个节点有数据需要广播时，如果自己不是骨干节点，则将该分组广播给自己的骨干邻居节点，否则直接作为骨干节点发起基于骨干结构的广播，即：骨干结构上的每个节点在收到该分组之后都将以链路层广播的形式发给自己的骨干邻居节点以及非骨干邻居节点；2、每个非骨干节点监听无线信道上的广播行为，如果自己的所有骨干邻居都已经执行了对该分组的广播，则它不需要做额外的转发操作；但是，如果它没有监听到某个骨干邻居的广播行为，它将记录下来，并且记录自己未听到执行分组广播的骨干邻居的个数。
非骨干节点的友情转发有以下两种方法：
1、每个非骨干节点（如x）根据自己的骨干邻居节点中，x未听到执行分组广播的骨干邻居数（记做Nx）设定自己的友情转发延迟时间——Nx越大，延迟越小。即，节点x的友情转发延迟DeferTimex =D+random(0, f(1/Nx))，f(1/Nx)的值与1/Nx呈正比关系，random(0, f(1/Nx))返回0和f(1/Nx)之间的一个数，它的引入时为了抑制传输碰撞；D是一个常数，其设定是为了允许骨干节点有充分时间从其骨干邻居接收并转发数据，如D可以设置为数百毫秒。当DeferTimex超时后，节点x转发该分组；如果计数执行过程中，节点x收到某骨干邻居的广播行为，则从新按照新的Nx值计算并设定友情转发延迟计时器。一个非骨干节点对单个分组的友情转发最多执行K次，K是一个小正整数。
2、DeferTimex的计算过程考虑了节点剩余能量，即DeferTimex =D+random(0, f(1/(Ex′Nx)))，其余程序与方法1相同，其中Ex为节点x的剩余能量。
本具体实施方式所设计的方案面向无线多跳网络，网络中的每个节点都配备一个全向天线。网络中的无线链路具有不可靠性，即：一个节点发送的分组，其相邻节点可能没有收到（比如由于误码、碰撞等因素）。网络中的链路(u,v)，其分组成功投递率记做P uv 。本发明假定每个节点了解其每个邻接链路的分组成功投递率，如果不了解的情况下，则简单地将每条链路的分组成功投递率都记为1。 网络中链路具有时变特性，即链路分组成功投递率随时间而变。
本具体实施方式可以分布式构建高可靠广播骨干结构，并采用“基于骨干结构的分组广播+非骨干节点有条件友情协助广播”的机制来降低广播开销、提高广播可靠性。本专利设计的方案具有分布式特性，易于在无线网络中实现，并具有较高的协议性能。

Claims (5)

1.基于骨干结构的高可靠无线广播方法，其特征在于它的广播方法为：第一部分是高可靠骨干结构构建，第二部分是基于该骨干结构实现高可靠广播；首先构造一个高可靠广播骨干结构，网络中的每个节点或者属于该骨干结构，或者是该骨干结构中某个节点的邻居节点；然后，在该骨干结构上实现广播，即：仅该骨干结构上的节点广播分组；在上述基础上，实现骨干结构外的节点基于概率的友情机会转发——以支持骨干结构上的节点的高可靠广播。
2.根据权利要求1所述的基于骨干结构的高可靠无线广播方法，其特征在于所述的高可靠骨干结构构建具体步骤为：1、构建过程首先由网络中某个指定节点或者随机选取的节点发起，为了方便起见，记该节点为M；2、节点M首先生成一个骨干结构构建信令，然后将该信令广播给自己的邻居；3、如果某个节点第一个该信令的副本时，它将等待一小段时间T；等待期间，如果收到该信令的多个副本，则从中选择链路分组成功投递率最大的一个作为自己连接到骨干结构上的链路，并向该链路的另一端发送一个响应信令——以声明自己选择该节点为自己的指定骨干邻居节点；4、当超时后，该节点将转发该信令；每个节点至多只转发该信令一次；5、信令全网广播完成后，且当每个节点确定自己的指定骨干邻居节点之后，覆盖全网的骨干结构就形成了；6、骨干结构形成后，每个骨干节点将向自己的邻居节点发送一个短信令以声明自己的骨干身份，每个非骨干节点记录自己的所有骨干邻居节点并统计其个数。
3.根据权利要求1所述的基于骨干结构的高可靠无线广播方法，其特征在于所述的基于骨干结构实现高可靠广播的具体步骤为：1、当一个节点有数据需要广播时，如果自己不是骨干节点，则将该分组广播给自己的骨干邻居节点，否则直接作为骨干节点发起基于骨干结构的广播，即：骨干结构上的每个节点在收到该分组之后都将以链路层广播的形式发给自己的骨干邻居节点以及非骨干邻居节点；2、每个非骨干节点监听无线信道上的广播行为，如果自己的所有骨干邻居都已经执行了对该分组的广播，则它不需要做额外的转发操作；但是，如果它没有监听到某个骨干邻居的广播行为，它将记录下来，并且记录自己未听到执行分组广播的骨干邻居的个数。
4.根据权利要求1所述的基于骨干结构的高可靠无线广播方法，其特征在于非骨干节点的友情转发方法为：每个非骨干节点：如x，根据自己的骨干邻居节点中，x未听到执行分组广播的骨干邻居数，记做Nx，设定自己的友情转发延迟时间，节点x的友情转发延迟DeferTimex =D+random(0, f(1/Nx))，f(1/Nx)的值与1/Nx呈正比关系，random(0, f(1/Nx))返回0和f(1/Nx)之间的一个数，它的引入时为了抑制传输碰撞；D是一个常数，其设定是为了允许骨干节点有充分时间从其骨干邻居接收并转发数据，当DeferTimex超时后，节点x转发该分组；如果计数执行过程中，节点x收到某骨干邻居的广播行为，则从新按照新的Nx值计算并设定友情转发延迟计时器，一个非骨干节点对单个分组的友情转发最多执行K次，K是一个小正整数。
5.根据权利要求4所述的基于骨干结构的高可靠无线广播方法，其特征在于所述的DeferTimex的计算过程考虑了节点剩余能量，即DeferTimex =D+random(0, f(1/(Ex′Nx)))，其中Ex为节点x的剩余能量。
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