CN102572998A - 船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法，其特征在于：它包括基于地理位置路由策略、绕过拓扑空洞方法和拓扑空洞预测模型三个主模块及地理位置服务模型和无线网络约束策略两个辅助模块。该方法能提前预测拓扑空洞的存在，并通过基于地理信息的启发式算法绕过拓扑空洞，解决了船载自组网中高效数据转发的核心技术问题。

Description

船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法

技术领域

本发明涉及无线自组网络技术领域，具体是一种船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法，应用于船舶组网通信。

背景技术

当前的海事通信如数字选择性呼叫、单边带无线电话、卫星搜救系统等，它们带宽窄、信号稳定性差，价格昂贵。船载识别系统(AIS)停留在单向9.6kbps低数据率的传输水平，双向通信还需借助其它技术手段。宽带通信领域例如3G网络，虽然其移动通信网覆盖范围较宽，但短距离船舶例如舰队航行、近港船舶等，近距离自组组网，具有数兆以上的带宽，便捷和廉价上优于3G网络。所以，扩充现有的AIS基站监控系统使之具备数据转发功能，进一步可以利用该功能组建宽带船载移动自组网络(Shipborne AdHoc Network，SANET)，实现船-岸-Internet联网，是海上通信的未来发展方向。

由于船舶能够收到周围船舶AIS广播的GPS定位信息和航迹航向等其它有益信息，所以基于地理定位信息的路由协议更适合SANET，并且地理路由以其可扩展性好、不需要存储转发表、贪婪式转发等优点，目前已成为移动自组网路由协议的热点研究领域之一。但是地理路由需要解决两个问题，其一，必须预先发布其位置信息；其二，遭遇拓扑空洞(Void)问题。

国内外基于地理定位信息的路由协议中具有代表性的有：①基于区域泛洪，算法简单，但泛洪通讯复杂度高；②基于贪婪转发。采用相关邻接图等对全网的拓扑结构进行约简，把网络拓扑连接状态映射成平面图，也有采用局部化Delaunay三角剖分构造平面图并以此作为网络的基础拓扑，但其拓扑结构的构造相对复杂。

目前国内外还没有针对SANET设计的路由协议。由于船舶能够收到周围船舶AIS广播的GPS定位信息和航迹航向等其它有益信息，所以基于地理定位信息的路由协议更适合SANET，并且地理路由以其可扩展性好、不需要存储转发表、贪婪式转发等优点，目前已成为移动自组网路由协议的热点研究领域之一。但是地理路由需要解决两个问题，其一，必须预先发布其位置信息；其二，遭遇拓扑空洞问题。比如现有的基于地理定位的贪婪转发策略虽更适合SANET环境。但是，贪婪转发会遭遇本地最小的拓扑空洞问题，因此有待提出一种能预测拓扑空洞存在并能绕过拓扑空洞的转发策略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术，提供一种能提前预测拓扑空洞存在并能成功绕过拓扑空洞的船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法，包括采用贪婪转发设计的基于地理位置路由策略主模块，其特征在于：还包括采用启发式搜索设计的绕过拓扑空洞方法和采用马尔可夫状态链设计的拓扑空洞预测模型这两个主模块，当贪婪转发过程中遇到“本地最小问题”时，调用启发式搜索算法以绕过拓扑空洞，并用马尔可夫状态链提前预测拓扑空洞的存在和精度，进而优化启发式搜索，启发式搜索结束后返回贪婪转发，还包括有一地理位置服务模型辅助模块，该辅助模块用于给上述三个主模块提供地理定位信息。这样，通过该方法既可以提前预测拓扑空洞的存在，而且通过启发式算法能绕过拓扑空洞从而提高船载自组网中数据转发效率。

本发明设计的数据转发策略是：启发式算法为主线，以贪婪转发、位置服务和拓扑空洞预测为辅助手段，解决SANET高效数据转发问题。对SANET动态拓扑结构中的拓扑空洞问题，建立其可预测感知的数学模型和可预测其精度的辨识方法，在全局动态的拓扑结构中求得局部稳态的拓扑结构支持。本发明的主要技术方法有：(1)利用邻域船舶地理定位信息，设计绕过拓扑空洞的高效率的启发函数和启发式算法；(2)建立螺旋网格(Spiral Grid)分布式位置服务(Location Service)模型。位置服务模型应该达到的效果是：距离被服务节点越近，服务节点越密，从而被服务的概率越高。(3)利用位置服务机制和邻域地理定位知识，建立能够提前预测拓扑空洞存在的马尔可夫预测模型。各个模块既相对独立又相互配合而形成统一的整体，模块的技术特点详述如下：

1、启发式算法

启发式算法在人工智能领域和路径规划中广泛使用的算法。对于启发函数f(x)＝g(x)+h(x)，当g(x)＝0时，算法等效于深度优先搜索(DFS)；当h(x)＝0时，算法等效于广度优先搜索(BFS)。启发式算法介于DFS和BFS之间，其算法效率高。虽然有文献提到了将启发式算法应用于MANET，但无线节点其传输半径有限，没有考虑到基于地理信息在全网范围内搜索的等技术问题。启发式算法在人工智能领域和路径规划中广泛使用的算法。对于启发函数f(x)＝g(x)+h(x)，当g(x)＝0时，算法等效于深度优先搜索；当h(x)＝0时，算法等效于广度优先搜索。虽然有文献提到了将启发式算法应用于自组网，但没有考虑到无线节点其传输半径有限，只能基于邻接节点而不能在全网范围内离散搜索的问题。

2、拓扑空洞预测

国内外提出过许多绕过路由空洞的改进性协议，例如距离更新算法、行进启发地理路由等。但这些协议是基于树和图的搜索，只适合静态网络拓扑环境；而启发式算法则更适合无线网络的动态拓扑结构环境和基于本地路由。并且上述协议都没有提出对拓扑空洞提前进行预测的技术。国内外提出过许多绕过路由拓扑空洞的改进性协议，例如距离更新算法、行进启发地理路由等。但这些协议是基于树和图的搜索，只适合静态网络拓扑环境；而启发式算法则更适合无线网络的动态拓扑结构环境和基于本地路由。并且上述协议都没有提出对拓扑空洞提前进行预测的技术。

3、位置服务器

最新地理位置服务技术如都是专门论述如何提供位置服务机制，其路由技术与位置服务技术相互独立，没有有效的利用位置服务机制带来的好处。本项目首次将基于地理信息的位置服务技术和基于地理信息的寻路技术加以结合，并充分利用位置服务技术提供的位置发布机制和位置信息，提前预测拓扑空洞的存在，达到提高转发效率的目的。

进一步地，所述的地理位置服务模型采用螺旋四叉网格提供地理定位信息。即近距离的被服务节点其位置服务器越密。利用螺旋四叉网格模型满足近距离节点优先提供服务的原则，同时利用船舶航迹、航向、目的地等参数对该模型进行优化设计。

进一步的方案是：还包括一个无线网络约束策略辅助模块，该模块通过邻接网格转发对所述的启发式搜索过程进行约束。使它受到无线网络环境节点发送功率有限的约束。

上述路由方法可推广到车载、船载、无人飞机等可便携地理定位设备的自组织网络，为这类网络的组网、寻路等提供有价值的技术参考。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在贪婪转发的基础上引入绕过拓扑空洞方法模块和拓扑空洞预测模型这个两个主模块，实现对拓扑空洞进行提前预测并能绕过拓扑空洞的转发策略，提高了船载自组网中数据转发效率。

附图说明

图1是本发明实施例的关键技术模块及其相互作用过程关系；

图2是本发明实施例的拓扑空洞和本地最小问题示意图；

图3是本发明实施例的启发式函数设计示意图；

图4是运用本发明实施例所采用的分布式栅格位置服务机制示意图；

图5是运用本发明实施例利用位置服务机制所采用的拓扑空洞预测策略图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

由于船载AIS携带有地理定位信息，基于地理定位信息的路由协议具有扩展性强、基于局部拓扑、贪婪转发等优点，但贪婪转发过程中会遭遇拓扑空洞问题。为解决这个问题，研究内容以以下三个方向展开：(1)研究利用邻域船舶GPS等地理定位信息，设计绕过拓扑空洞的高效率的启发函数和启发式算法；(2)建立位置服务(LocationService)的分发模型。初步考虑螺旋四叉网格模型，即近距离的被服务节点其位置服务器越密。(3)利用位置服务的发布模型和邻域地理定位知识，建立预测拓扑空洞的马尔可夫预测模型；并利用该模型对启发式函数进行优化设计。

如图1所示，本路由方法包括基于地理位置路由策略、绕过拓扑空洞方法、拓扑空洞预测模型这三个主模块，以及地理位置服务模型和无线网络约束策略两个辅助模块。其中，三个主模块分别采用贪婪转发、启发式搜索、马尔可夫状态链策略完成主模块的具体功能设计；辅助模块采用螺旋四叉网格提供地理位置定位信息供上述三个主模块共享，并采用邻接网格转发对无线节点的搜索过程进行约束。该路由方法以贪婪转发为基础，由贪婪转发将基于AIS的单播转发信道的通信需求和船载自组通信网(SANET)互连，

当贪婪转发过程中遇到“本地最小问题”时，调用启发式搜索算法以绕过拓扑空洞；但如果能提前预测拓扑空洞的存在和精度，则可以对启发搜索进行优化。绕过拓扑空洞后，启发式搜索结束；启发式搜索结束后，返回贪婪转发。本方法能预测拓扑空洞的存在，并且采用启发式算法绕过拓扑空洞，提高了船载自组网中数据转发效率。

1、对于启发式算法具体描述如下：

在拓扑结构不断变化的分布式自组移动网中，源消息如何找到一条最佳路径到达目的地，是路由的核心问题。目前主流的地理路由(Geographic Routing)策略是贪婪(Greedy)转发，但贪婪转发存在一个本地最小(Local Minimum)问题，如图2中的X节点，X找不到距离目标T更近的转发节点。如果恰当地选择启发式函数f(x)，可以启发地绕过本地最小节点X到达目标节点T。这里f(x)＝g(x)+h(x)，g(x)表示从源节点到当前x的实际代价，h(x)表示当前节点到目的节点的估计值。关键技术如下：

a、分组到达本地最小节点X后，如何利用启发式函数f(x)找到下一个扩展节点。选取启发函数为f(x)＝L_SX+dis(X，x)+h(x)。如图3，L_SX表示源节点到本地最小节点的距离，dis(X，h1)表示本地最小节点X到h1的欧几里得距离，dis(h1，T)表示h1到目的节点T的距离。下一跳节点h1和n3比较，如果dis(X，h1)+dis(h1，T)＜dis(X，n3)+dis(n3，T)，则通过h1转发，否则通n3转发。

b、一般的启发搜索过程允许在全局范围内跳跃式搜索；而对于无线网络环境，搜索过程只可能出现在本节点半径覆盖范围内的邻接节点。如何在不丢失全局特性的基础上而将被扩展节点约束在邻接的下一跳。改全网内启发搜索为邻接网格转发。如图5，在level2级，设全网为G，X和T在邻接网格G0、G3内，邻接网格转发路径为：G0→G3；在level1级，邻接网格转发路径为：G01→G00→G03→...→T；以此类推。

2、对辅助模块中的位置服务技术具体描述如下：

基于地理定位信息的路由协议有一个前提条件，那就是在搜索目的节点之前必须首先知道目的节点的地理位置，而目的节点的地理位置是通过位置服务机制提供的。所以，如何巧妙地利用位置服务机制提供的位置信息为搜索服务是一个创新性的研究方法。例如图4，节点T’将自己的位置发布给level0的4-邻域网格内的g4、g5节点；同时发布给level1的4-邻域网络内的h6、h1；其本身作为level2的4-邻域网格内的一个节点，我们把这种位置服务机制称为螺旋四叉网格模型，如图4和图5。关键技术如下：

a、利用位置服务机制，提前预测距离目标节点较近的节点。如图4，本地最小节点X的第一个被扩展节点h1记录有T’的坐标，而T’则是距离目的节点T较近的节点。位置服务发布模型的设计策略。利用螺旋四叉网格模型满足近距离节点优先提供服务的原则，同时利用船舶航迹、航向、目的地等参数对该模型进行优化设计。

b、启发搜索转变为与位置服务机制相同的邻接网格(grid-by-grid)间进行。如图5，在level1，邻接网格间的转发过程为G01→G00→G03。grid-by-grid转发。网格粒度(GridGranularity)可以由粗到细地分级进行，在不同的level2-level1-level0上，网络粒度不同。

3、对拓扑空洞预测的具体描述如下：

一旦确定位置服务的分布模型，根据马尔可夫预测模型，便能依此预测拓扑空洞的位置和大小。如图4，本地最小节点X记录有被服务节点的位置信息{1，4，5，6}，而第一个启发节点h1也记录有位置信息{X，3，7，T’}，将获得的位置信息转化为齐次平稳随机过程的抽样时刻和状态符，根据多径高阶马尔可夫齐次链来预测二维拓扑空洞的存在，例如图5，在level1，预测拓扑空洞G02的存在。随着启发过程的继续进行和被扩展节点的增多，学习到的位置知识就越来越多，预测精度也越来越高。关键技术如下：

a、根据电子海图、被扩展搜索节点的跨度，离目标节点的距离等划分网格的精度；并根据马尔可夫链的条件转移概率模型，分级预测拓扑空洞的精度。如图5，纵向看Level2-Level0各级，拓扑空洞大小不同。对于特殊类型的拓扑空洞，选择合适精度的网格去预测合适粒度的拓扑空洞。

b、四叉网格迭代搜索。在不同的Level上预测出合适精度的拓扑空洞后，迭代调用邻接网格启发式搜索算法。如图5，横向看Level2-Level0各级，深色方块表示各级精度的邻接连通网格所历经的路径。基于grid-by-grid转发，启发式算法满足正确性和收敛性。

Claims (3)

1.一种船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法，包括采用贪婪转发设计的基于地理位置路由策略主模块，其特征在于：还包括采用启发式搜索设计的绕过拓扑空洞方法和采用马尔可夫状态链设计的拓扑空洞预测模型这两个主模块，当贪婪转发过程中遇到“本地最小问题”时，调用启发式搜索算法以绕过拓扑空洞，并用马尔可夫状态链提前预测拓扑空洞的存在和精度，进而优化启发式搜索，启发式搜索结束后返回贪婪转发，还包括有一地理位置服务模型辅助模块，该辅助模块用于给上述三个主模块提供地理定位信息。

2.根据权利要求1所述的船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法，其特征在于：所述的地理位置服务模型采用螺旋四叉网格提供地理定位信息。

3.根据权利要求2所述的船载自组网中利用位置信息启发式的路由方法，其特征在于：还包括一个无线网络约束策略辅助模块，该模块通过邻接网格转发对所述的启发式搜索过程进行约束。

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