CN103079259B

CN103079259B - 一种基于节点社会属性的移动机会网络网关选择方法

Info

Publication number: CN103079259B
Application number: CN201210538002.7A
Authority: CN
Inventors: 李卓; 蔡英; 吕学强; 李宁
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: CN103079259A

Abstract

本发明公开了一种移动机会网络中网关选择方法，步骤是：计算相遇频率：由一个控制节点集中计算网络中每个节点同其他节点间平均相遇频率；基于中心度的候选网关选择：依次选择K个中心度最大的节点为候选网关；基于频繁轨迹的候选网关选择：对所有K个节点组合确定其对应的广播频繁轨迹，选择对应期望时延最低的为候选网关；基于蒙特卡洛模拟的网关选择：对基于中心度所得的候选网关、基于频繁轨迹所得的候选网关，利用蒙特卡洛模拟评估从它们开始的期望广播时延，选择时延更短的为最终所选的K个网关。跟传统移动无线网络中固定网关节点选择不同，本发明考虑了机会传输模式下的移动网关选择。移动网关的引入，可降低传统蜂窝接入网络的负载。本发明基于节点社会属性进行移动网关选择,可达到优化从网关出发数据传输速度的目标。

Description

一种基于节点社会属性的移动机会网络网关选择方法

技术领域

本发明涉及一种移动机会网络中K个网关节点的选择方法，具体利用节点在网络中的中心度、从节点出发广播的频繁轨迹等启发式策略选择出候选网关，通过蒙特卡洛模拟对候选网关性能进行比较，进而实现最终的网关选择，达到优化从网关出发的数据传输速度的目标。

背景技术

传统移动无线网络同因特网之间的网关通常由固定节点担任，移动节点通过蜂窝网络（3G、4G移动网络）直接从因特网上获取信息。随着移动用户、移动应用的增多、以及移动应用对传输带宽需求的增加，蜂窝接入网络的负载加剧。为降低负载，本发明选择部分移动节点担任移动无线网络、因特网间的网关，不需所有的节点都直接接入到因特网；节点可通过机会传输的方式从网关获取因特网上数据。因为机会传输通常利用Wi-Fi或蓝牙设备，它们不会在蜂窝接入网络上造成负载。

在移动机会传输模式下，由于两节点间不能保证在任意时刻都有一条连接的通路，它们之间的数据传输通过“存储-携带-转发”方式进行。当节点A运动到节点B的无线传输半径之内时，B可向A通过Wi-Fi、蓝牙等方式传送数据；A获得数据后将其存储在自己的缓存中，并根据不同的传输协议，当遇到该数据的目的节点或其他中继节点时进行转发。该类型的网络是时延/中断容忍网络（Delay/DisruptionTolerantNetworks，DTN）的一个特例，其中传输机会的出现源自节点移动过程中的相遇。

跟传统移动无线网络中固定网关节点选择不同，本发明考虑了在机会传输模式下，如何选择移动节点担任网关。由于节点间相遇机会通常是随机出现的，增加了该问题的复杂度。

本发明提出了一种基于节点社会属性的移动机会网络网关选择方法，通过统计节点间平均的相遇频率，计算节点在网络中的中心度、从不同节点组出发广播频繁轨迹的期望时延，可获得候选网关，通过蒙特卡洛模拟对候选网关性能比较，选择最终网关，达到优化从网关出发的数据传输速度的目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在移动机会网络中节点从因特网获取数据时，选择可降低数据广播速度的K个网关节点的方法，实现移动机会网络和因特网间高效的数据传递。

本发明所述的一种基于节点社会属性的移动机会网络网关选择方法，包括以下步骤：

1）相遇频率计算：由一个控制节点集中计算网络中每个节点同其他节点间平均相遇频率；

2）基于中心度的候选网关选择：依次选择K个中心度最大的节点为候选网关；

3）基于频繁轨迹的候选网关选择：对所有K个节点组合确定其对应的广播频繁轨迹，选择对应期望时延最低的为候选网关；

4）基于蒙特卡洛模拟的网关选择：利用蒙特卡洛模拟对从步骤2）、3）选择出的网关节点开始的广播时延进行评估，选择其中性能更优的为最终的K个网关。

本发明通过统计节点间相遇的平均频率，分别计算中心度、频繁轨迹期望时延等反映节点社会属性的特征值，选择出对应的K个候选网关，再通过基于蒙特卡洛方法性能分析，找出最终的K个网关，实现了优化从网关出发数据传输时延的目标。

附图说明:

图1是基于中心度的候选网关选择流程图，

图2所示的是一个基于中心度选择两个候选网关(K=2)的例子，

图3所示的是基于频繁轨迹的候选网关选择流程图，

图4所示的是一个从两个节点出发对应频繁轨迹的例子，

图5所示的是基于蒙特卡洛模拟的网关选择流程图。

具体实施方式:

为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于节点社会属性的移动机会网络网关选择方法，下面结合附图进行详细说明。

节点间相遇频率是决定移动机会网络中数据传播速度的主要因素。选择网关时，选择同其余节点相遇频率较大的节点，可显著降低从网关出发数据传输的期望时延。

本发明的相遇频率计算方法如下所示：

1）每个节点i记录一段时间T内同其他任何一个节点j的相遇次数Δ_i,j，并将此信息通过3G发送至控制节点C;

2）控制节点C计算每一对节点i、j间平均相遇频率λ_i,j=Δ_i,j/T。

中心度衡量了一个节点位于网络内任意两节点间最短路径上的概率。中心度越高，意味着它越容易与其他节点相遇，因此选择这一标准作为启发式策略。对节点的中心度定义如下，如果网络中节点集合为N，当r个节点G_r已经被选为网关时，N-G_r中节点n_i的中心度为λ_{i,N-Gr-｛ni｝}，其中，λ_i,I=∑_ni∈Iλ_i,j；用这个标准来描述该节点i同其他可能数据接收者之间的相遇频率。网关选择基于贪婪的思想，每一步选择具有最大中心度的节点；须指出的是，当一个新的网关被选出后，节点的中心度会发生改变。图1给出了对应的流程图，具体选择过程如下所示：

1)初始化r=0,G_r=Φ且R=N-G_r；

2)当r≤K时，重复如下操作，

2.1）找出一个节点n_i∈R，使得λ_i,R-｛ni｝最大化，r=r+1,G_r=G_r-1+｛n_i｝,R=R-｛n_i｝；

3)G_c ^*=G_K，返回G_c ^*作为候选的K个网关。

图2给出一个基于中心度选择两个候选网关(K=2)的例子；图中边上的数字表示节点对间相遇的频率，节点C和D表示选择到的网关。考虑另外一种基于节点社会属性的启发式策略。从一组网关节点出发，有不同的路径可把报文广播给网络内其余节点。假设有一组节点I已有数据，对一个N-I中的节点n_i而言，用t_i,I=1/λ_i,I衡量它从I中收到数据所需的期望时间。一个更小的t_i,I值表示节点n_i更容易获得数据；据此，提出基于频繁轨迹的候选网关选择策略。从一组节点W出发的频繁轨迹可通过下面的方法获得。首先设I=W，然后选择有最小t_i,I值的节点n₁作为频繁轨迹上的下一个点；把n₁加入I后，我们用类似的方法选择第二个节点n₂；该过程持续直至所有的节点都被加入I。节点序列n₁→n₂→…→n_{n-︱｛W｝︳}被定义为从W开始广播的频繁轨迹，该轨迹对应的时延为每一步中t_i,｛I｝之和。图3给出了对应的流程图，候选网关具体选择过程如下所示：

1）遍历所有可能的K个节点的组合G，进行如下操作，

1.1）初始化d_G=0,I=G且R=N-I，

1.2）当I≠N时，找出R中使得t_i,I最小化的节点n_i，如果有多个这样的节点，随机选择一个，同时，d_G=d_G+t_i,I,I=I+｛n_i｝,R=R-｛n_i｝；

2）找出这样一组节点，它们对应的d_G为C_n ^K个组合中最小的,标记其为G_f ^*，如果有多个组合均可达到同样的最小值，从中随机选择一个作为G_f ^*，

3）返回G_f ^*作为候选的K个网关。

以图2中所示的移动网络为例，利用基于频繁轨迹的候选网关选择(K=2)，节点B和D被选择为候选网关，图4给出了从他们出发的频繁轨迹。

在两组候选的K个网关G_C ^*和G_f ^*中，利用蒙特卡洛模拟的方法来比较优劣，选择出更优的一组为最终的网关节点。图5给出了对应的流程图；具体选择过程如下：

1）对于G∈｛G_C ^*,G_f ^*｝，均进行如下操作，

1.1）初始化I=G,R=N-I，c=1且T_G=0，

1.2）根据节点间相遇频率为每一对节点生成相遇时间序列，其中，节点i和j间的相遇间隔时间定义为符合参数为λ_i,j的指数分布，

1.3）当c≤M时，进行如下操作，

1.3.1）初始化d_G ^c=0，

1.3.2）当R≠Φ时，根据相遇时间序列，找出R中跟集合I内节点最早相遇的节点，记相遇过程时延为l，d_G ^c=d_G ^c+l,R=R-｛n_i｝且I=I+｛n_i｝，

1.3.3）T_G=T_G+d_G ^c,c=c+1,I=G,R=N-I,

1.4）T_G=T_G/M；

2）找出这样一组点，其对应的T_G为两个组合中最小的，如果两者相等，则随机选择一个；记为G^*，并作为最终选择的网关节点返回。

Claims

1.一种移动机会网络中基于节点社会属性的网关选择方法，其特征在于包括以下步骤：

1)由一个控制节点集中计算网络中每个节点同其他节点平均相遇频率；

2)依次选择K个中心度最大的节点为候选网关；

3)对所有K个节点组合确定其对应的广播频繁轨迹，选择对应期望时延最低的为候选网关；

4)利用蒙特卡洛模拟对从步骤2)、3)选择出的网关节点开始的广播时延进行评估，选择其中性能更优的为最终的K个网关；

其中，所述步骤1)的流程是：

11)节点记录一段时间内同其他节点的相遇次数，并通过3G方式发送给一个控制节点；

12)控制节点计算节点间平均相遇频率，节点i和j间频率用λ_i,j表示；

所述步骤2)的流程是：

21)如果网络中节点集合为N，当r个节点G_r已经被选为网关时，N-G_r中节点n_i的中心度为λ_i,N-Gr-{n_i}，其中，λ_i,N-Gr-{n_i}＝∑n_j∈N-Gr-{n_i}λ_i,j；初始状态下，所选网关集合为空；

22)针对网络中非网关节点，选择中心度最大的节点，加入网关集合；

23)重复步骤22)，直至选择出K个候选网关G_c ^*；

所述步骤3)的流程是：

31)假设有一组节点I已有数据，对于一个没有数据的节点n_i而言，用t_i,I＝1/λ_i,I衡量它从I中收到数据所需的期望时间；考察一组K个节点的组合W，首先设I＝W，然后选择有最小t_i,I值的节点n₁作为频繁轨迹上的下一个点；把n₁加入后，我们用类似的方法选择第二个节点n₂；该过程持续直至所有的节点都被加入I；节点序列n₁→n₂→…→n_n-︱{W}︳被定义为从W开始广播的频繁轨迹，该轨迹对应的时延为每一步中t_i，{I}之和；

32)重复步骤31)，直至遍历完所有可能的K个节点的组合；

33)找出对应频繁轨迹时延最小的一组节点组合，即为候选网关G_f ^*；

所述步骤4)的流程是：

41)根据节点间相遇频率为每一对节点生成相遇时间序列，其中，节点i和j间的相遇间隔时间定义为符合参数为λ_i,j的指数分布，计算从G_c ^*出发广播数据至网络中所有节点所需的时延d_G ^c，广播采用传染路由(EpidemicRouting)，即一个节点遇到任何一个携带有数据的节点便可获得数据，同时将数据放入缓存并在移动过程中携带；

42)重复步骤41)M次，计算从G_c ^*出发广播数据至网络中所有节点所需的平均时延T_G ^c；

43)根据节点间相遇频率为每一对节点生成相遇时间序列，其中，节点i和j间的相遇间隔时间定义为符合参数为λ_i,j的指数分布，计算从G_f ^*出发广播数据至网络中所有节点所需的时延d_G ^f，同步骤41)，广播也采用传染路由(EpidemicRouting)；

44)重复步骤43)M次，计算从G_f ^*出发广播数据至网络中所有节点所需的平均时延T_G ^f；

45)如果T_G ^c≤T_G ^f，返回G_c ^*为最终选择的K个网关；反之，返回G_f ^*为最终选择的K个网关。