CN102970725B - 一种基于多层社区分组的移动机会网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多层社区分组的移动机会网络路由方法，包括以下步骤：一、统计历史信息，根据节点的历史相遇次数来确定不同的m个阈值，根据阈值t的大小进行分组，当两个节点的相遇次数大于t时就认为在同一个分组，通过选择m个阈值而得到m个层次的分组，分别表示为G_t1()，G_t2()，…，G_tm()；二、根据分组信息进行路由选择，设当前节点v_i携带消息M，消息传输的目的节点为v_d，遍历v_i节点的邻居列表，查找是否有节点与v_d在同一个分组G_t1()中，如果没有则依次继续查找下一个分组G_t2()，…G_tm()，从而分层次查找到满足条件的节点并进行消息的转发。本发明使得消息传输成功率有了很大的提高，并且简单有效、应用广泛。

Description

一种基于多层社区分组的移动机会网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种网络路由方法，特别涉及一种基于多层社区分组的移动机会网络路由方法。

背景技术

近些年来，无线传感网络WSN(Wireless Sensor Networks)得到了快速的发展，而移动机会网络MON(Mobile Opportunistic Networks)最早是无线传感器网络的一种变形，是从移动容迟网络DTN(Delay Tolerant Networks)发展演变而来的一种新的网络模型。随着计算机技术的发展，21世纪新兴的传感器网络将会进入快速发展时期，移动机会网络作为传感器网络的一个分支将得到广泛的应用。传感器网络的发展将推动国防、航空、航天、医疗、农业、林业等众多领域的发展。新技术在未来将会应用到国民经济的各个领域，推动国民经济的发展，为国家带来新的经济增长。移动机会网络作为传感器网络的一种，它的研究将会有更加广阔的前景。

移动机会网络MON作为在无线移动通信领域中紧急通信网络的一种，有着自身显著的特点。通常情况下认为，移动机会网络是一种稀疏的，网络连接时断时续的网络，并且在某一时刻并不存在从源节点到目的节点的路径。这也是移动机会网络与传统网络的最大区别。传统网络在消息转发时会持续存在由源节点到目的节点的路由路径，而移动机会网络中并不存在这样的持续路径。例如在口袋交换网络PSN(Pocket Switched Networks)中，由人携带的移动设备在一定的区域内移动，通过随机的相遇来转发信息包。由于其网络连接的间断性，所以并不存在一种端到端的持续连接，并且网络传输有很高的时延，网络本身的拓扑结构也很不稳定，这也是移动机会网络与传统网络的不同之处。传统网络中从源节点到目的节点的路由的时延很短，而机会网络中的这种时延有可能非常大，因为网络本身的间歇性连接，时延可能达到几小时甚至几天。由于移动机会网络所具有的这些特性，使得现有的典型的移动自组网的路由协议很难应用于移动机会网络中。在这种情况下，就出现了一些基于机会的路由协议。

大多数的基于机会的移动机会网络路由方法都存在着一个相同的原则：“存储与转发”，通过这一原则解决间歇性连接问题。如果在某一时刻当前节点不存在与其它节点的连接，当前节点就存储并携带数据信息，直到遇到其它的节点为止。而当节点遇到其它节点时，所有在当前节点通信范围内的节点都可能成为转发数据信息的候选节点。因此，当前节点要基于某种策略选择后继节点和转发。

目前移动机会网络下的路由方法主要有以下几种：

(1)Spray-and-wait路由协议。Spyropoulos等人在文献《Spray and wait：Anefficient routing scheme for intermittently connected mobile networks》中指出Spray-and-wait协议对网络中消息转发的总数进行了限制，使消息转发总数不大于一个常数。如果当前节点u携带的消息总数k>1，当其遇到节点v，而v中不包含u携带的消息时，u将自己消息数量的一半复制给v，而u自己则保留另一半。

(2)标签路由方法(Label Routing)。文献《How small labels create bigimprovements》提出的标签路由是基于社区标签的，首先被应用于PSN网络中。PSN与移动机会网络非常相似，其移动设备由人携带，当人相遇时移动设备之间进行相互的通信。为了减少消息转发时产生的负载，此路由方法利用贴标签的方式来选择下一跳节点。由于在同一社区内的人群相遇的概率比其它情况大，因此选择同一社区内的节点作为候选下一跳。标签路由可以直接将消息转发给目的节点，或者通过一跳将消息转发给与目的节点属于同一标签的节点。标签路由充分利用了社交信息，该方法假设在同一社区的人相遇机会比不同社区的概率大。该方法对个体所需要的信息非常少，因此标签路由方法很容易部署到移动机会网络中，仅需要记录每一个节点的标签即可。但标签路由存在一定的缺点，同一社区内的节点可能相距很远，这样仅通过一跳来将消息从源节点转发到目的节点并非是一个很好的选择。

(3)SimBet路由方法。文献《Social network analysis for routing in disconnecteddelay-tolerant MANETs》中提出的SimBet路由方法利用社区信息的集中性(betweeness centrality)和相似性(similarity)来确定网络中的一些桥节点(BridgeNodes)，并利用这些桥节点进行消息的转发。然而这种方法集中性的计算只依赖于局部的信息，而这样就使得可能因为找到的桥节点不准确而导致路由失败。

(4)Bubble路由方法(Bubble Routing)。文献《Bubble rap：Social-basedforwarding in delay tolerant networks》中提出的Bubble路由利用了Bubble Rap转发策略。Bubble Rap转发策略分为两个阶段：全局集中和局部集中。源节点s携带消息要传送到目的节点d。首先，节点s利用全局集中度将消息依次转发到节点d所在的社区C_d。当消息到达d所在的社区后，Bubble Rap转发策略进入第二个阶段。在第二个阶段利用局部集中度来进行依次转发直到遇到目的节点d为止。Bubble路由方法要进行全局信息和局部信息的划分，相对比较复杂，而且在某些情况下，如当目的节点属于多个社区时，Bubble Rap转发策略的第二个阶段将会无法选择局部信息。

发明内容

本发明针对移动机会网络的特点和现有路由方法的不足，提出了一种新的基于社会分组的路由方法。

目前国内外在移动机会网络的路由方法中，对基于社会属性的研究中的社会属性的利用大都比较复杂。在某些机会网络的应用场景中，现有的一些基于社会属性的路由方法并不适用。因为大多数的场景中的移动节点没有可提取的社会属性。

本发明所提出的基于社会分组的路由方法，根据节点的历史社会属性信息进行多层分组，从而使得节点的社会属性得到充分的利用。本发明所提出的方法可达到较高的消息传输成功率。

一种基于多层社区分组的移动机会网络路由方法，包括以下步骤：

一、统计历史信息，根据历史信息将网络中的节点分成不同的分组，具体步骤如下：

第一步：统计历史信息，计算任意两节点之间的相遇次数；

第二步：确定不同的阈值t₁，t₂，…，t_m：根据节点的历史相遇次数来确定不同的m个阈值，阈值的大小由节点之间的历史相遇次数决定，相遇的最多次数记为n，在n到0之间以递减的顺序取m个阈值t₁,t₂，…，t_m，其中t₁>t₂>…>t_m，n≥m>0；

第三步：根据阈值t的大小进行分组：t∈(t₁,t₂，…，t_m)，当两个节点的相遇次数大于t时就认为在同一个分组，通过选择m个阈值而得到m个层次的分组，分别表示为G_t1()，G_t2()，…，G_tm()，阈值越大，表示用该阈值进行的分组中节点间的联系越强；

二、根据分组信息进行路由选择，设当前节点v_i携带消息M，消息传输的目的节点为v_d。具体步骤如下：

第一步：在某一时刻确定v_i节点的所有邻居节点列表，即在节点v_i通信半径范围内的所有节点的列表；

第二步：对v_i节点的所有邻居节点进行遍历，查找目的节点v_d，如果v_d是v_i的邻居节点，则将消息M转发给目的节点v_d，路由选择结束，否则进行下一步；

第三步：遍历v_i节点的邻居列表，查找是否有节点与v_d在同一个分组G_t1()中，如果没有则依次继续查找下一个分组G_t2()，…G_tm()，如果所有分组都查找不到，则不进行转发，携带消息M，继续等待下一时刻，否则进行下一步；

第四步：当有节点满足第三步条件时，在满足条件的节点中选择一个最近一次与目的节点v_d相遇的节点进行消息的转发。

有益效果

本发明所提出的基于多层社会属性的路由方法，通过利用节点的多层社会历史信息提取社会属性进行路由选择，使得消息传输成功率有了很大的提高。通过多层的实现，使得历史信息应用更充分，从而更有利于消息的转发，并且这种方法简单有效、应用广泛。

附图说明

图1为多层社区分组方法示意图。

图2为基于多层社区分组的移动机会网络路由方法流程图。

图3为mGroup和其它5种路由方法的消息传输成功到达率的比较。

图4为mGroup和其它5种路由方法的转发消息拷贝数的比较。

图5为mGroup和其它5种路由方法的跳数的比较。

图6为mGroup和其它5种路由方法的时延的比较。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的优选实施方式。

本发明所述是基于多层社区分组的移动机会网络路由方法，本方法的具体实施方式如下：

一、统计分组信息

1)统计历史信息。N个移动的节点组成一个集合v={v₁，v₂，...，v_n}，当任意两个节点相遇时将有可能进行消息的转发，节点相遇即指两个节点在彼此的通信范围之内。通过记录过去的历史相遇信息，就会得到节点之间的关系图G(联系图)。关系图中的每条边表示当前时刻通过此边连接的两个节点可以通信，边上的数字表示联系的权重，在这里用历史中两个节点的相遇次数来表示，如图1所示。

2)确定分组阈值。根据第一步中的网络联系图确定分组层数m，以及每一层的阈值t。阈值的大小是由节点之间的历史相遇次数所决定的。图中相遇的最多次数记为n，在n到0之间以递减的顺序取m个阈值，这样共得到t₁,t₂,…，t_m个不同的阈值，且满足条件t₁>t₂>，...，>t_m。

3)根据阈值进行多层分组。对任意两个节点v_i和v_j。如果在历史中它们相遇的次数大于t次，那么就可以把它们放在同一组中。如果给定了历史的网络联系关系图G，只有v_i和v_j之间边的阈值大于t，v_i与v_j才会保留一条边。这样G图中每一个连通的子图都是一个分组。图1所示的是移动机会网络历史信息的一种分层情况。此移动机会网络中共分为三层，每层有不同的阈值t，分别为6、4和1。阈值从大到小依次减小。从而每层中分层的联系性将逐渐减弱。在第一层中，阈值t=6，这时此网络一共有3个分组，每个分组之间的联系性非常强。在第二层中，阈值t=4，这时此网络一共只有2个分组，每组之间的联系性一般。在第三层中，阈值t=1，此时网络仅有1个分组，这一个分组也是网络中的所有节点，即分组阈值t=1时，网络分组将退化为整个网络，而在这种情况下，也就没有网络分组的意义了。

二、路由选择。根据图2方法流程图所示，基于多层社区分组的移动机会网络路由方法详细步骤如下：

1)v_i携带消息M，目的节点为v_d，v_i的邻居节点集合为R，分组信息G_t1()，G_t2()，…，G_tm()。

v_i的邻居节点集合指在节点v_i通信半径范围内的所有节点的集合。在基于多层社区分组的路由协议中，通过选择m个阈值而得到m个层次的分组，分别表示为G_t1()，G_t2()，…，G_tm()。分组阈值满足条件t₁>t₂>，…，>t_m，这样第一层分组也就是顶层分组中节点间具有最强的联系，随着阈值的减小，采用该阈值进行的分组中节点的联系依次递减，第m层分组里的节点的社会关系最弱。

2)判断v_d是否属于集合R，如果属于则节点v_i将消息M转发给v_d，并转到第11)步，否则进行下一步。

3)设置计数器k，并令初始值k=1。k表示当前所遍历的层数。

4)判断k是否小于m，m为分组层次数。如果是转到第5)步，如果不是则转到第10)步。

5)对R中的每个节点v_j判断其是否与v_d在同一个分组中，如果是转到第7)步，如果每个节点均不是则转到第6)步。

6)计数器k加1，k=k+1，即遍历下一层分组信息。转到第4)步。

7)判断是否只存在一个满足条件的v_j节点。如果不是则转到第8)步，如果是转到第9)步。

8)在满足条件的多个v_j中选择一个与目的节点v_d最近一次联系的节点。

9)转发消息M。

10)等待下一时刻，转到第2)步。

11)方法结束。

为了具体说明本发明的效果，本发明通过模拟仿真试验来对发明的效果进行验证。

本发明通过利用实际的数据集来模拟所提出的基于多层社区分组的路由方法的各项性能，并把本发明所提出的方法与现在已有的路由方法进行比较。本发明中提出的基于多层社区分组的路由方法命名为mGroup。

为了能在真实的移动机会网络中测试本发明所提出的方法，本实验利用NUS数据集。NUS数据集是新加坡国立大学2005/2006学年收集的春季学生注册课程的信息。一共22341个学生，4885门课程，77个学时。

由于不同的课程上课的开始时间和结束时间有所不同，并且课程的持续时间也不一样，例如有些课程上课时长两个小时，有的则时长一个小时。本实验将所有的课程的持续时间都分成相同的时长，即1个小时，这样得到77个时间片。如果两个学生在某一特定的时间内同时上一门课程，那么就认为他们两个在此时是有联系的。由于学生总数非常的多，本实验选取学生的一个子集进行实验，学生的选取通过以下方法：首先随机的选择第一个学生，如果已经选择了k个学生，我们将随机的将学生分成两组V1和V2。在选择下一个学生时，将选择与第一组学生联系最密切，同时与第二组V2学生联系最不密切的学生。联系的密切程度是由学生之间共同的上课次数来决定的，即a与b的上课次数越多，则他们的联系就越密切。把选择的学生放到V1中。重复上述方法至选够所需要的学生数为止。

本实验通过模拟实现mGroup方法，并与现有的5种路由方法进行比较。5种现有路由协议如下：

(1)Epidemic：当前节点将消息传给某时刻所遇到的所有节点。

(2)Spray and Wait：当节点v_i有k>1个消息副本时，在某一时刻节点v_i遇到节点v_j，v_i将自己一半的消息副本传给v_j，而v_i保留另一半。本路由协议在初始化时，源节点包含x个消息副本。在本发明的模拟实验中，x的默认值为10。而当节点在某一时刻遇到多个节点时，v_i随机地挑选一个节点进行消息的转发。

(3)FRESH：当前节点v_i将消息转发给v_j，当且仅当在历史信息中，v_j遇到目的节点的时间比v_i遇到目的节点的时间晚。如果当有多个节点满足上述条件时，则v_i将选择遇到目的节点最晚的节点作为下一跳节点。

(4)Destination Frequency：当前节点v_i将消息转发给v_j，当且仅当在历史信息中，v_j遇到目的节点的次数比当前节点v_i遇到目的节点的次数多。如果在相遇的时刻，有多个节点满足上述条件时，v_i将选择遇到目的节点次数最多的节点作为下一跳节点进行转发。

(5)Greedy-Total：当前节点v_i将消息转发给v_j，当且仅当在历史信息中，v_j遇到的节点数比v_i遇到的节点数多。如果在相遇的时刻，有多个节点满足上述条件时，v_i将选择遇到节点次数最多的节点作为下一跳节点进行转发。

在本发明中所有进行的实验模拟中，都将采用以下性能衡量标准。

成功到达率：成功地将消息从源节点传送到目的节点的百分比。

跳数：每一条成功地将消息从源节点送达目的节点的路径中所经过转发的跳数，即转发节点数。

时延：从源节点将消息送达目的节点所需要的平均时间。

转发消息的副本数：在转发过程中，整个网络中消息副本的总数量。

本实验随机地选择了50对节点来作为源节点和目的节点。路由方法的最后的性能结果是这50对节点的路由性能结果的平均值。学生数量分别从100依次增加到600。在模拟实验中，各路由协议都是按多拷贝进行设定的，除Epidemic路由协议外，其它协议的消息拷贝数都设定为10。在所有的路由协议中，都选择前40个课时作为历史信息，用来统计社会分组信息，或者其它相遇次数等数据。而随后的37个课时的信息用来进行路由协议的执行，从而模拟得出各路由协议的各项性能。

图3到图6给出了实验模拟得到的所有各项性能的结果。图3为mGroup和其它5种路由方法的消息传输成功到达率与学生数量的关系。从图3中可以很明显地观察到消息的成功到达率随着学生数量的增加而增大。因为学生人数越多，网络就越密集，消息转发的机率就越大，这样消息从源节点成功地到达目的节点的概率就增大。同时，图3中的结果可以看出本发明所提出的mGroup方法的消息成功到达率除Epidemic之外，比其它的路由协议都高。值得注意的是，虽然Epidemic路由协议的消息成功到达率很高，但网络中消息的拷贝数极大，表明网络的负载很大，这从图4中很容易得出。Epidemic方法的消息拷贝数随着学生数量的增加而显著增长。当学生数量为600时，消息拷贝数接近240，实际使用Epidemic路由方法可能会由于网路负载过大造成网络瘫痪。而其余5种方法的消息拷贝数都保持较小。在其它性能方面，如跳数(图5)和时延(图6)，mGroup和其它几个路由方法性能近似。

综上所述，本发明所提出的基于多层社会属性的路由方法，通过利用节点的多层社会历史信息提取社会属性进行路由选择，比简单地利用节点的社会属性更有效。通过多层的实现，使得社会历史信息应用更充分，从而更有利于消息的转发，提高消息的传输成功率，并且这种方法简单有效、易于实现、应用广泛。

以上所述的具体实例是对本发明的进一步解释说明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明原则和精神之内，所做的更改和等同替换都应是本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多层社区分组的移动机会网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、统计历史信息，根据历史信息将网络中的节点分成不同的分组，具体步骤如下：

第一步：统计历史信息，计算任意两节点之间的相遇次数；

第二步：确定不同的阈值t₁,t₂，…，t_m：根据节点的历史相遇次数来确定不同的m个阈值，阈值的大小由节点之间的历史相遇次数决定，相遇的最多次数记为n，在n到0之间以递减的顺序取m个阈值t₁,t₂，…，t_m，其中t₁>t₂>…>t_m，n≧m>0；

第三步：根据阈值t的大小进行分组：t∈(t₁,t₂，…，t_m)，当两个节点的相遇次数大于t时就认为在同一个分组，通过选择m个阈值而得到m个层次的分组，分别表示为G_t1(),G_t2(),…,G_tm()，阈值越大，表示用该阈值进行的分组中节点间的联系越强；

二、根据分组信息进行路由选择，设当前节点v_i携带消息M，消息传输的目的节点为v_d；具体步骤如下：

第一步：在某一时刻确定v_i节点的所有邻居节点列表，即在节点v_i通信半径范围内的所有节点的列表；

第二步：对v_i节点的所有邻居节点进行遍历，查找目的节点v_d，如果v_d是v_i的邻居节点，则将消息M转发给目的节点v_d，路由选择结束，否则进行下一步；

第三步：遍历v_i节点的邻居列表，查找是否有节点与v_d在同一个分组G_t1()中，如果没有则依次继续查找下一个分组G_t2(),…G_tm()，如果所有分组都查找不到，则不进行转发，携带消息M，继续等待下一时刻，否则进行下一步；

第四步：当有节点满足第三步条件时，在满足条件的节点中选择一个最近一次与目的节点v_d相遇的节点进行消息的转发。

2.根据权利要求1所述的一种移动机会网络路由方法，其特征在于，根据分组信息进行路由选择的具体方法为：

1)v_i携带消息M，目的节点为v_d，v_i的邻居节点集合为R，分组信息G_t1(),G_t2(),…,G_tm()；v_i的邻居节点集合指在节点v_i通信半径范围内的所有节点的集合；

2)判断v_d是否属于集合R，如果属于则节点v_i将消息M转发给v_d，并转到第11)步，否则执行下一步；

3)设置计数器k，并令初始值k=1，k表示当前所遍历的层数；

4)判断k是否小于m，如果是转到第5)步，如果不是则转到第10)步；

5)对R中的每个节点v_j判断其是否与v_d在同一个分组中，如果是转到第7)步，如果每个节点均不是则转到第6)步；

6)计数器k加1，k=k+1，即遍历下一层分组信息，转到第4)步；

7)判断是否只存在一个满足条件的v_j节点，如果不是则转到第8)步，如果是转到第9)步；

8)在满足条件的多个v_j中选择一个与目的节点vd最近一次联系的节点；

9)转发消息M；

10)等待下一时刻，转到第2)步；

11)方法结束。

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