CN103260181A - 面向服务发现的移动性节点群的维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向服务发现的移动性节点群的维护方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）无线自组织网络环境内每个节点向本节点传播范围内的所有节点广播自身的状态信息，同时从其它节点接收广播消息；（2）各个节点根据邻居节点的广播消息计算出相应的相邻节点分离时间以及预测的相邻节点作为群首时的能量耗尽时间，将上述两项值以及第一步中消息所包含的邻居节点的理论能量耗尽时间，取三者最小值作为其邻居节点的权值；最后选择所有节点中权值最大的作为本节点选举出的群首节点并投票给此邻居节点；根据选择后的群首节点建立移动性节点群；（3）根据移动性节点群的群速度、群加速度以及节点速度预测两个相交群的分离时间。该方法在不需要事先配置的情况下即可实现高效的群首管理，同时可以使群首所管理的群内节点与群首的分离频率降低。

Description

面向服务发现的移动性节点群的维护方法

技术领域

本发明属于无线自组织网络环境节点维护技术领域，具体涉及一种面向服务发现的移动性节点群的维护方法。

背景技术

群移动性是指在某些特殊情景下，比如军事训练、火灾抢险、地震等，一定数量的移动节点在一段时间内具有相似的移动趋势，在这种情况下将这些节点组织成为一个移动群。群移动模型反映了移动网络群体节点的真实特性，包括节点的移动特性和群体的行为特性。通过群首节点对群进行管理，在某些应用场景下可以有效地减少发送的数据包数，降低数据的传输延迟。GSD（Group-based Service Discovery Protocl，参见D.Chakraborty,A.Joshi,and T.Finin.GSD:a novel group based service discovery protocol forMANETs.In Proc.Of IEEE MWCN,2002）采用了基于P2P的缓存和基于群组的智能转发技术，是已有的一些基于群组的服务发现技术中性能比较突出的一个。基于群的服务发现技术无线自组网络环境下有着广泛应用，在一些基于WEB的应用中也使用到。

已有的一些移动模型，比如RPGM模型只是用了一个参考点的位置为参数，不能进行群组移动趋势的预测，因此对于服务发现来说，无法预测相交群组的分离时刻；RVGM模型并不是一个严格的移动模型，因为在RVGM模型中假设群的覆盖区域是个圆形区域，而在实际上由于网络中节点是随机分布的，群的覆盖区域一般不是圆形的区域。

RVAG模型（Relative Velocity Acceleration Group Mobility Model，参见W.-T.Chen and P.-Y.Chen,“Group mobility management in wireless adhoc networks,”in Proc.IEEE VTC—Fall,Oct.4–9,2003,vol.4,pp.2202–2206.），是一种用于计算机对现实世界中群的移动进行模拟的模型。在该模型中，使用速度和加速度两个变量对群移动性进行建模。每个群都有一特定的群速度V_i(t)和加速度A_i(t)，其中群速度是这个群内节点的平均群速度，群内的成员节点的速度接近群速度但是与群速度有略微偏差。比如j_th节点在i_th群的速度V_j(t)描述为：V_j(t)＝V_i(0)+L_i，j(t)+A_i(t)*t，其中i_th群的群速度为V_i(t)，群加速度为A_i(t)＝dV_i(t)/dt，L_i，j(t)为j_th节点相对于群速度的偏差。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于RVAG移动模型的移动性节点群的维护方法，解决了现有技术中难以对无线自组织网络环境中移动性节点群进行维护和管理的方法等问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种基于RVAG移动模型的移动性节点群的维护方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）无线自组织网络环境内每个节点向本节点传播范围内的所有节点广播自身的状态信息，同时从其它节点接收广播消息；

（2）各个节点根据邻居节点的广播消息计算出相应的相邻节点分离时间以及预测的相邻节点作为群首时的能量耗尽时间，将上述两项值以及第一步中消息所包含的邻居节点的理论能量耗尽时间，取三者最小值作为其邻居节点的权值；最后选择所有节点中权值最大的作为本节点选举出的群首节点并投票给此邻居节点；根据选择后的群首节点建立移动性节点群；

（3）根据移动性节点群的群速度、群加速度以及节点速度预测两个相交群的分离时间。

优选的，所述方法中每个节点维护一条GMsg，所述GMsg初始化为本节点的状态信息，节点i的全局ID记为ns_i，其GMsg标识为GMsg_i，消息标识为state_info_i,节点i提供的第k个服务标识为serv_i(k)，对应的变量visit_num为serv_i(k)_accn；在节点i收到节点j发送的消息state_info_j后，节点i在本地进行以下运算：

ipx＝state_info_i.posx  ipy＝state_info_i.posy

jpx＝state_info_j.posx  jpy＝state_info_j.posy

$\mathrm{dist}\_\mathrm{ij}=\sqrt{{(\mathrm{ipx}-\mathrm{jpx})}^2+{(\mathrm{ipy}-\mathrm{jpy})}^2}$

$\mathrm{apart}\_t=\frac{\sqrt{v^2+2\mathrm{aS}}-v}{2a}$ (1)；

在预测出节点ns_i和ns_j的分离时间apart_t后，节点ns_i还需要预测如果节点ns_j作为群首节点，理论上的能量耗尽时间：

$\begin{array}{c}{\mathrm{acc}}_n\mathrm{um}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_i.\mathrm{sn}}\mathrm{serv}\_i\left(k\right)\_\mathrm{accn}\\ \mathrm{exhaust}\_t=\frac{\mathrm{ser}\_\mathrm{vol}*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_j.\mathrm{En}*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_i.\mathrm{sn}}{E*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_j.\mathrm{mem}}\end{array}---\left(2\right);$

上式中ser_vol为每个服务描述语句所占存储空间大小，E在节点ns_j作为群首节点时，每次处理服务发现请求而此请求所要求的服务在ns_j所管理的群内时ns_j的平均耗能；状态消息state_info格式为(SI，Gid，rt，En，mem，sn，vel，acc，pos)，其中SI标志本消息为节点的state_info消息；Gid为该节点的ID编号；rt为按照当前电量消耗速度终端所能维持的活动时间；En为节点剩余能量；mem为最大可分配给运行群组维护协议时的存储空间；sn为可提供的服务个数；vel为节点速度向量；acc为节点加速度；pos为当前节点位置信息。

优选的，所述方法中预测出apart_t与exhaust_t后，再结合ns_j的广播消息state_info_j中提供的信息state_info_j.rt，取三者最小值：

weight＝min(state_info_j.rt，apart_t，exhaust_t)      (3)；

节点ns_i存储此weight值，weight值对应于ns_i维护的消息GMsg中对应节点（ID为Gmsg.Gid）的新权值；当节点ns_i收到从节点k发送的广播消息state_info_k时，若新权值大于已存储的权值，则更新GMsg内容为state_info_k，更新权值为新权值；在广播阶段完成后GMsg即存储了本节点的群首信息；ns_i的权值变量初始化的值为：

initial_weight＝min(state_info_i.rt，exhaust_t)      (4)。

优选的，所述方法步骤（3）中当群i和群j相交，设两群分离时两群相距为D，群i相对于群j的速度为V_ij，相对加速度为a_ij，则两群分离时间为：

$T_{\mathrm{ij}}=\frac{-V_{\mathrm{ij},0}\±\sqrt{V_{\mathrm{ij},0}^2+2a_{\mathrm{ij}}(D-D_0)}}{a_{\mathrm{ij}}}---\left(5\right)$

；

群首节点为每个与其相交的群维护一组变量，用于记录相交群的ID，分离时间，格式为{Group_ID，partition_t}，当过partition_t时间后，群首节点向群首节点Group_ID发送一条空消息以确定是否仍与此群相交，若仍相交则Group_ID节点发回回复，若不相交则群首节点将此项从相邻群列表中删除。

本发明基于RVAG群移动模型提出了适合服务发现的群首管理方法，适用于无线自组织网络环境的针对群移动性节点的群首管理，其特点是使用RVAG移动模型，通过对节点间分离时间、能量耗尽时间的预测等，进行群首选举。对于基于群移动性的服务发现技术来说，群的稳定性至关重要，因为当新的节点加入群或者当有节点退出群时，群首节点都要更新相应的服务列表。使用本发明的群首管理方法可以提高群组的稳定性。

本发明选用RVAG模型作为群移动模型，并针对服务发现的特征对RVAG模型中群首（Group Head,GH）节点管理做了相应的修改，使面向群组的服务发现技术实现时更加高效。具体包括以下步骤：

（1）信息交换：在信息交换阶段，每个节点向本节点传播范围内的所有节点广播自身的状态信息，同时从其它节点接收广播消息。

（2）群首选举：通过上一步的广播消息中节点的状态信息以投票方式选择群首节点，进而建立群组。

（3）群分离时间预测：预测两个相交群的分离时间，以在服务发现过程中更有效的发现服务。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

在分离时间方面：在群首选举过程中，所有的节点总数倾向于选举与自己分离时间最长的节点作为群首，通过本发明提出的方法可以显著地提高群首节点与其所管理的节点之间的稳定性。对于服务发现，由于节点向群首节点分离后需要向新的群首注册自身所能提供的服务信息，平均分离时间的增加极大地减少了服务注册消息的数量。

在能量方面：能量较多的节点成为群首的概率要比能量较少的节点大很多，从而可以保证在一定时间内不会因为群首节点的能量耗尽而必须解散群。群首节点若能量耗尽，其所管理的节点需要选择加入其它群或者创建一个新群，对于上述任何一种情况来说，群内每个节点都要向新的群首发送服务注册消息。由于群首节点能量耗尽所产生的服务注册消息对于服务发现协议的性能有着重要的影响，提高群首的平均能量耗尽时间可以在很大程度上提高服务发现协议的性能。

本发明适合于无线自组网环境下多终端节点具有相似的移动轨迹时进行建群时的群首选择，使用本发明可以显著地提高群的稳定性期。特别对于服务发现技术，群的稳定性尤为重要，使用本发明提出的群首选择方法可以在后续的群组维护过程中显著地减少节点切换不同群的频率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于RVAG移动模型的移动性节点群分离时间的计算示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

本实施例进行基于RVAG移动模型的移动性节点群的维护方法适合于服务发现的群首管理，步骤包括：

首先进行节点自身信息的广播，然后各个节点根据邻居节点的广播消息计算出相应的相邻节点分离时间以及预测的相邻节点作为群首时的能量耗尽时间，将上述两项值以及第一步中消息所包含的邻居节点的理论能量耗尽时间，取三者最小值作为其邻居节点的权值。最后选择所有节点中权值最大的作为本节点选举出的群首节点并投票给此邻居节点。

已有的一些群组维护方法比如GSD等，通常是根据最小ID、最大连接度等来选择群首节点，或是根据终端节点自身的一些特殊状态信息来选择群首，例如是否有与外部网络相连的网关等设备。为了更好地支持服务发现，尤其是在尽量增加群首节点的时间长度、减少群内节点与群首节点的平均分离时间等方面，必须对现有的一些群组维护方法进行一定的修改以适应服务发现技术的要求。

下面的内容将对本发明提出的适合服务发现的群首管理方法进行详细的描述：

（1）信息交互阶段:

信息交互阶段所完成的主要任务是在未建立群之前向每个节点传播范围内广播自身的状态信息。状态消息state_info格式为(SI，Gid，rt，En，mem，sn，vel，acc，pos)，其中SI标志本消息为节点的state_info消息；Gid为该节点的ID编号，可以是移动节点的IP地址（如果节点运行IP协议）或者是移动终端的任何特征值（如手机号）或者是用终端手机号的特征值经过单向陷阱门作用产生的值作为该节点的全局ID；rt为按照当前电量消耗速度终端所能维持的活动时间；En为节点剩余能量；mem为最大可分配给运行群组维护协议时的存储空间；sn为可提供的服务个数；vel为节点速度向量；acc为节点加速度；pos为当前节点位置信息。

（2）群首选举：

每个节点在建群之前维护一条GMsg，此GMsg格式与上述state_info消息的内容相同，GMsg初始化为本节点的状态信息（即与本节点发送的state_info消息内容相同）。为了叙述方便，节点i的全局ID记为ns_i，其GMsg标识为GMsg_i，state_info消息标识为state_info_i,节点i提供的第k个服务标识为serv_i(k)，对应的变量visit_nim为serv_i(k)_accn。在节点i收到节点j发送的消息state_info_j后，节点i在本地进行以下运算（附图1）：

ipx＝state_info_i.posx   ipy＝state_info_i.posy

jpx＝state_info_j.posx   jpy＝state_info_j.posy

$\mathrm{dist}\_\mathrm{ij}=\sqrt{{(\mathrm{ipx}-\mathrm{jpx})}^2+{(\mathrm{ipy}-\mathrm{jpy})}^2}$

在预测出节点ns_i和ns_j的分离时间apart_t后，节点ns_i还需要预测的是：如果节点ns_j作为群首节点，理论上的能量耗尽时间：

$\begin{array}{c}{\mathrm{acc}}_n\mathrm{um}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_i.\mathrm{sn}}\mathrm{serv}\_i\left(k\right)\_\mathrm{accn}\\ \mathrm{exhaust}\_t=\frac{\mathrm{ser}\_\mathrm{vol}*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_j.\mathrm{En}*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_i.\mathrm{sn}}{E*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_j.\mathrm{mem}}\end{array}---\left(2\right)$

上式中ser_vol为每个服务描述语句所占存储空间大小，E在节点ns_j作为群首节点时，每次处理服务发现请求而此请求所要求的服务在ns_j所管理的群内时ns_j的平均耗能。上式是根据ns_i所掌握的已有的一些关于ns_i的服务信息来估计在ns_j作为群首节点时的能量耗尽时间。

在经过以上两步预测出apart_t与exhaust_t后，再结合ns_j的广播消息state_info_j中提供的信息state_info_j.rt，便可取三者最小值：

weight＝min(state_info_j.rt，apart_t，exhaust_t)    (3)

节点ns_i需要存储此weight值，weight值对应于ns_i维护的消息GMsg中对应节点（ID为Gmsg.Gid）的权值，当ns_i收到从节点k发送的广播消息state_info_k时，ns_i按照上述过程计算出apart_t和exhaust_t，并取三者的最小值作为新的权重值weight_new，若weight_new大于weight，则更新GMsg内容为state_info_k，更新weight为weight_new。在广播阶段完成后GMsg即存储了本节点的群首信息。ns_i的weight变量初始化的值为

initial_weight＝min(state_info_i.rt，exhaust_t)      (4)

（3）群分离时间预测：

本专利中使用的群移动性模型是RVAG模型，之所以选择RVAG模型是因为它可以提供每个移动群的参数，包括群速度、群加速度以及节点速度，有了这些移动参数，可以更准确的判断一个节点是否属于某个群。相较于其它的诸如RPGM、RVGM移动模型，RVAG模型通过增加移动性参数加速度，从而可以更准确的预测相交群的分离时间。这在基于群组的服务发现技术中显得特别重要，因为相交的群组可以共享服务，而通过更准确地预测相交群的分离时间，就可以更准确地判断某些服务的可达性。

群加速度的获取有两种方法，第一种是使用GH(Group Head,GH)节点的加速度作为群的加速度值，因为GH节点的移动趋势在一定程度上反映了整个群的移动趋势；第二种方法是使用两个群相交区域内的节点的加速度平均值作为群的加速度，这是因为群相交区域的节点的平均加速度值对预测群分离时间来说是实时的表征量。在RVAG模型中，使用的是上述两者中的较大者作为群的加速度值。

设群i和群j相交，设两群分离时两群相距为D，群i相对于群j的速度为V_ij，相对加速度为a_ij，则两群分离时间为：

$T_{\mathrm{ij}}=\frac{-V_{\mathrm{ij},0}\±\sqrt{V_{\mathrm{ij},0}^2+2a_{\mathrm{ij}}(D-D_0)}}{a_{\mathrm{ij}}}---\left(5\right)$

GH节点为每个与其相交的群维护一组变量，用于记录相交群的ID，分离时间，格式为{Group_ID，partition_t}，当过partition_t时间后，GH节点向群首节点Group_ID发送一条空消息以确定是否仍与此群相交，若仍相交则Group_ID节点发回回复，若不相交则GH节点将此项从相邻群列表中删除。

更准确地预测群分离时间的目的是在服务发现过程中，不需向所有的群首节点发送服务请求消息，而只需根据群列表中的信息向相邻群发送服务请求消息，这样可以控制请求消息的数量，降低通信复杂度。

本实施例的测试平台为OMNeT++4.1平台。仿真环境设置为1000m＊1000m的拓扑空间，设置了200~500个终端节点，每个终端节点的传播半径设定为200~350米。所得的节点与群首平均分离时间结果如下表所示，其中第一行数据表示使用本发明所提出的方法时节点与群首分离的平均时间，第二行为使用一般随机群首选择方法时的平均分离时间：

综上所述，本专利提供了一种在无线自组织网络环境下的群首管理方法。采用本发明后，在不需要事先配置的情况下即可实现高效的群首管理，同时可以使群首所管理的群内节点与群首的分离频率降低，该方法应用前景非常广阔。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于RVAG移动模型的移动性节点群的维护方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）无线自组织网络环境内每个节点向本节点传播范围内的所有节点广播自身的状态信息，同时从其它节点接收广播消息；

（2）各个节点根据邻居节点的广播消息计算出相应的相邻节点分离时间以及预测的相邻节点作为群首时的能量耗尽时间，将上述两项值以及第一步中消息所包含的邻居节点的理论能量耗尽时间，取三者最小值作为其邻居节点的权值；最后选择所有节点中权值最大的作为本节点选举出的群首节点并投票给此邻居节点；根据选择后的群首节点建立移动性节点群；

（3）根据移动性节点群的群速度、群加速度以及节点速度预测两个相交群的分离时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中每个节点维护一条GMsg，所述GMsg初始化为本节点的状态信息，节点i的全局ID记为ns_i，其GMsg标识为GMsg_i，消息标识为state_info_i,节点i提供的第k个服务标识为serv_i(k)，对应的变量visit_num为serv_i(k)_accn；在节点i收到节点j发送的消息state_info_j后，节点i在本地进行以下运算：

ipx＝state_info_i.posx    ipy＝state_info_i.posy

jpx＝state_info_j.posx    jpy＝state_info_j.posy

在预测出节点ns_i和ns_j的分离时间apart_t后，节点ns_i还需要预测如果节点ns_j作为群首节点，理论上的能量耗尽时间：

$\begin{array}{c}{\mathrm{acc}}_n\mathrm{um}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_i.\mathrm{sn}}\mathrm{serv}\_i\left(k\right)\_\mathrm{accn}\\ \mathrm{exhaust}\_t=\frac{\mathrm{ser}\_\mathrm{vol}*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_j.\mathrm{En}*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_i.\mathrm{sn}}{E*\mathrm{state}\_\mathrm{info}\_j.\mathrm{mem}}\end{array}---\left(2\right);$

上式中ser_vol为每个服务描述语句所占存储空间大小，E在节点ns_j作为群首节点时，每次处理服务发现请求而此请求所要求的服务在ns_j所管理的群内时ns_j的平均耗能；状态消息state_info格式为(SI，Gid，rt，En，mem，sn，vel，acc，pos)，其中SI标志本消息为节点的state_info消息；Gid为该节点的ID编号；rt为按照当前电量消耗速度终端所能维持的活动时间；En为节点剩余能量；mem为最大可分配给运行群组维护协议时的存储空间；sn为可提供的服务个数；vel为节点速度向量；acc为节点加速度；pos为当前节点位置信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法中预测出apart_t与exhaust_t后，再结合ns_j的广播消息state_info_j中提供的信息state_info_j.rt，取三者最小值：

weight＝min(state_info_j.rt，apart_t，exhaust_t)          (3)；

节点ns_i存储此weight值，weight值对应于ns_i维护的消息GMsg中对应节点（ID为Gmsg.Gid）的新权值；当节点ns_i收到从节点k发送的广播消息state_info_k时，若新权值大于已存储的权值，则更新GMsg内容为state_info_k，更新权值为新权值；在广播阶段完成后GMsg即存储了本节点的群首信息；ns_i的权值变量初始化的值为：

initial_weight＝min(state_info_i.rt，exhaust_t)       (4)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤（3）中当群i和群j相交，设两群分离时两群相距为D，群i相对于群j的速度为V_ij，相对加速度为a_ij，则两群分离时间为：

$T_{\mathrm{ij}}=\frac{-V_{\mathrm{ij},0}\±\sqrt{V_{\mathrm{ij},0}^2+2a_{\mathrm{ij}}(D-D_0)}}{a_{\mathrm{ij}}}---\left(5\right)$

；

群首节点为每个与其相交的群维护一组变量，用于记录相交群的ID，分离时间，格式为{Group_ID，partition_t}，当过partition_t时间后，群首节点向群首节点Group_ID发送一条空消息以确定是否仍与此群相交，若仍相交则Group_ID节点发回回复，若不相交则群首节点将此项从相邻群列表中删除。

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