CN103634232A - 基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，将所有的消息划分为三个优先级，在发送缓冲区中的消息时，优先发送优先级最高的消息；而当接收消息且缓冲区满时，最先丢弃优先级最低的消息。因此，在总的平均交付率一定的情况下，可以提高高优先级消息的交付率，确保重要消息的到达。本发明采取将消息按照重要程度的不同，划分优先级，以改善缓存管理，减小优先级高的重要信息的丢失率，增大其交付率。相对于传统的经典路由算法有以下显著的优点：在消息交付延迟以及平均跳数方面有明显改善；依据消息的重要程度划分优先级，减小了优先级高的重要信息的丢失率，增大了其交付率。

Description

基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法

技术领域

   本发明涉及一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法。

背景技术

    在一些特定的网络环境中如车辆通信、灾难救援、军事演习等，由于节点不断移动、恶劣的通信环境、资源能量有限以及通信范围有限等原因而导致网络经常断开，无法保证稳定的端到端路径，对传统网络的处理方式将不再适用，像这类网络就被称为延迟容忍网络( Delay Tolerant Networks, DTN )。它涵盖了间歇性连接移动自组织网络、车辆网络、野生动物追踪网络、卫星网络、乡村通信网络、灾难救援网络等等，应用前景相当广阔。

    为了适应延迟容忍网络的特点，新的路由机制被设计并运用到延迟容忍网络中，这些机制主要包括：

    1) “存储一携带一转发”机制。与传统多跳无线网络“存储一转发”的路由机制不同，延迟容忍网络采用了“存储—携带一转发”的路由机制，中继节点接收到消息后，通常不是立即把它转发出去，而是将消息在其缓冲区内保存一段时间，携带着消息继续运动，在运动过程中如果遇到了其他节点，再将消息转发出去。这种机制可以有效地克服网络中断与端到端路径不存在的困难，依靠中继节点的运动把消息从源节点最终传送到目的节点。

    2) 多次转发机制。在一些延迟容忍网络路由算法中，消息在不同节点相遇时会被多次转发，相当于多个数据拷贝被注入网络，这与传统路由中的一次性转发给确定的下一跳节点有很大的不同。

    3) 节点两两成对交换信息机制。由于网络中断，即使是广播消息也难以到达所有的节点，因此这一机制成了信息传播的有效途径。同时，节点相遇时，通过相互传送对方所没有的消息来完成消息的扩散，其可靠性比广播消息还要更高。

    基于上述机制，人们设计了很多适用于延迟容忍网络的路由协议。其中，最为经典的是传染路由、喷雾等待路由、概率路由等。

    另外，随着车辆数量的增加，现有的传统交通系统已经不堪重负。毫无疑问，基于物联网的智能交通系统将能够有效降低甚至解决这种交通堵塞、环境污染、安全隐患、运输效率低等的交通现状。配备了无线收发装置的车辆是该系统的最下层，车辆通过无线方式与上层的路侧单元 ( Road-Side Unit, RSU ) 进行通信，而路侧单元RSU再通过有线或无线的方式与最上层的互联网相联。

    传统方法在研究延迟容忍网络的路由协议时，假设节点的移动是完全随机性的，不具有任何规律性。但智能公交系统中还有一些与此不同的特点，如高速移动性、移动的规律性以及拓扑结构的快速变化性等等。在spray and wait路由中，对于中继节点的选择没有任何的规则性，只要源节点遇到中继节点并在对方的通信范围内，就会对消息进行转发。如果此时的中继节点能及时的将消息传送到目的节点，消息的传递延迟就比较低；相反地，如果该中继节点的移动速度很慢，不是一个活跃的节点，那么消息的传递延迟就会较大。

    上述问题是在智能公交系统中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法解决智能交通系统的智能公交报站子系统中，公交车辆数据共享与路由问题。本发明相对于传统的路由算法，在消息交付延迟以及平均跳数方面有明显改善，而且依据消息的重要程度划分优先级，减小了优先级高的重要信息的丢失率，增大了其交付率。

本发明的技术解决方案是：

一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，在路由转发时的步骤如下：

在路由转发时的步骤如下：

步骤一：源节点自我复制n个消息拷贝；

步骤二：源节点分别比较与待选中继节点的速度交付概率SDP概率值的大小；

步骤三：如果待选中继节点的SDP概率值都比源节点的大，则源节点会在待选中继节点中选出SDP概率值最大的节点进行消息的转发，且转发的拷贝数与源节点以及被选择的中继节点的概率值的大小比例有关，被选择的中继节点成为当前节点；

步骤四：如果待选中继节点的SDP概率值都比源节点的小，则源节点不把消息转发给中继节点，自身继续持有消息，直到遇到目的节点或是SDP概率值比源节点大的中继节点为止，当前节点仍是源节点；

步骤五：如果存在SDP概率值比源节点大的中继节点且存在SDP概率值比源节点小的中继节点，则源节点会在所有比源节点SDP概率值大的中继节点中选出SDP概率值最大的节点进行消息的转发，且转发的拷贝数与源节点以及被选择的中继节点的概率值的大小比例有关，被选择的中继节点成为当前节点；

步骤六：如果当前节点的消息拷贝数大于1，则当前节点采取与源节点同样的方式如上述步骤二至步骤五，把消息转发给其他的中继节点或直接传送给目的节点；

步骤七：如果当前节点的消息拷贝数为1，则当前节点一直持有消息，直到遇到目的节点，将消息传送给目的节点为止。

优选地，所述源节点或中继节点的交付概率DP概率的计算如下：

在两个节点相遇时，该两个节点各自的交付概率应得到更新，以便确保经常相遇的节点可以有一个更高的交付概率；

DP 概率因为两节点间的相遇而进行的更新：

                                                      

     （1）           

其中，

是当前节点A到目的节点B的交付概率，

是一初始化常量 ， 0<

<1 。

优选地，如果一对节点在一段时间内没有相遇，那么它们可能不是对方消息的良好转发者，因此，它们之间的交付概率值必须随着时间的继续而逐渐减小，即衰老；DP概率随着时间衰老而进行的更新：

                

          （2）                                         

其中，

(0<

<1) 是衰老因子，k是自从上一次交付概率衰老之后所过去的时间单元数。这里的时间单元会因应用场景与目标网络中期望延迟的不同而有所不同。

优选地，在系统中，如果节点A频繁地与节点B相遇，而节点B又频繁地与节点C相遇，那么节点C可能也是来自于节点A消息的一个很好的转发者，这种系统场景对交付概率的影响，即传递交付；DP概率因为节点间的传递影响而进行的更新：

     

     （3）

其中，( 0<

< 1)是缩放因子，

决定了节点间的传递对交付概率的影响程度大小。

优选地，所述SDP概率的计算如下：

SDP概率是一个基于节点的速度与DP概率的加权平均之和的综合概率，SDP概率的计算方法因当前节点与中继节点的身份不同而略微有所不同，如下：

     

          （4）

     

          （5）

其中，式（4）表示当前节点M到目的节点D的SDP概率，式（5）表示待选中继节点A到目的节点D的SDP概率，

、

分别表示当前节点M与待选中继节点A的移动速度，

 ( 0 <

< 1 ) 是加权因子，表示速度与DP概率在综合SDP概率中所占的比例。

优选地，所述当前节点转发的消息拷贝数按照以下比例计算，如下：

    （6） 

其中，nrofCopies表示当前节点M转发的消息拷贝数，nrofCopies_old表示当前节点M携带的消息拷贝数，

表示被选取的中继节点A到目的节点D的SDP概率值，表示当前节点M到目的节点D的SDP概率值。

优选地，在源节点与目的节点间的所有中继节点的消息转发方式如上述步骤所示，直至消息成功交付。

本发明的有益效果是：本发明一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，解决了智能交通系统的智能公交报站子系统中，公交车辆数据共享与路由问题。经在ONE平台仿真实验数据验证知，相对于传统的经典路由算法有以下显著的优点：

1. 在消息交付延迟以及平均跳数方面有明显改善。

2. 依据消息的重要程度划分优先级，减小了优先级高的重要信息的丢失率，增大了其交付率。

附图说明

图1是延迟容忍网络中的路由模式的示意图；

图2是本发明实施例中智能交通系统的现实场景的示意图；

图3是本发明实施例算法流程图；

图4是本发明实施例中消息转发的说明示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

在现代城市公交系统中，存在着各种各样的消息，有站台发出的、有公交车发出的、有出租车发出的，等等。这些信息的作用也是各种各样的，有的是与公交车密切相关的消息，可以实现到达时间估计、紧急事件通知等；有的是与公交控制系统密切相关的消息，可以帮助实现交通流量的统计、紧急调度等；而有的仅仅是娱乐或是无关紧要的一些消息，如公交新闻、广告、小游戏等。考虑到以上这些消息的多样性与复杂性，本发明采取将消息按照重要程度的不同，划分优先级，以改善缓存管理，减小优先级高的重要信息的丢失率，增大其交付率。

具体来说，本发明将所有的消息划分为三个优先级，即优先级0、优先级1以及优先级2。其中，优先级0的优先级最高，优先级1次之，优先级2的优先级最低。在发送缓冲区中的消息时，优先发送优先级最高的消息；而当接收消息且缓冲区满时，最先丢弃优先级最低的消息。因此，在总的平均交付率一定的情况下，可以提高高优先级消息的交付率，确保重要消息的到达。

    由于本实施例的适用场景是现代公交系统，适用对象，即节点，是公交系统中的车辆，所以节点的移动速度可以轻易获得，如图1与图2所示。

    如图3与图4所示，本实施例在进行消息转发时的具体实施步骤如下：

    步骤1  所有节点不断更新其到其他节点的交付概率值，即其交付概率向量。首先，网络环境开始时，所有的节点都将被赋予一初始化DP值

。当两节点相遇时，它们将相互交换各自的交付概率向量，其中交付概率向量包含了该节点到达其他所有节点的交付概率值。节点将利用从另一节点接收到的交付概率向量来更新本节点上的旧交付概率向量信息。以节点A、B、C为例。

步骤1.1  如果节点A与节点B相遇，则分别更新两节点的交付概率：

在节点A上：

在节点B上：

其中，

 ( 0<<1 )是一初始化常量。

步骤1.2  如果一段时间内节点A与节点B没有相遇，那么它们之间的交付概率值随着时间的继续而逐渐衰减。衰减方程如下：

在节点A上：

在节点B上：

其中，

(0<

<1) 是衰老因子，k是自从上一次交付概率衰老之后所过去的时间单元数。

步骤1.3  利用交付概率的传递性进行更新。例如，如果节点A经常遇到节点B，节点B又经常遇到节点C，则可以这么说，节点A通过节点B传递，其发送消息到节点C的概率也不会低。具体的传递方程如下： 在节点A上，针对于其他任何一个节点C：(C不包含相遇节点B)

在节点B上，针对于其他任何一个节点C：(C不包含相遇节点A)

其中，( 0<

< 1)是缩放因子。

步骤2  源节点S自我复制n个消息拷贝。源节点S成为当前节点M。此时，nrofCopies=n。

步骤3  计算当前节点M与待选中继节点A、B、C到目的节点D的速度交付概率值SDP。当前节点M与待选中继节点A、B、C相遇，当前节点M获取节点A、B、C的速度值，当前节点M计算其自身以及待选中继节点A、B、C的SDP概率值。计算公式如下：

当前节点M的SDP值：

待选中继节点A的SDP值：

待选中继节点B的SDP值：

待选中继节点C的SDP值：

步骤4  当前节点M比较其自身与待选中继节点A、B、C的SDP概率值的大小。

步骤4.1  如果SDP ( a, d ) > SDP ( m, d )，SDP ( b, d ) > SDP ( m, d )，SDP ( c, d ) > SDP (m, d )，且SDP ( a, d ) > SDP ( b, d ) > SDP ( c, d )时，当前节点M会进行消息的转发，并且把消息选择转发给SDP比其自身大，且是所有接触节点中最大的那一个待选中继节点A，转发的拷贝数为

被选择的中继节点A成为当前节点M。

步骤4.2  如果SDP ( a, d ) < SDP ( m, d ) ，SDP ( b, d ) < SDP ( m, d ) 且SDP ( c, d ) < SDP ( m, d )  时，当前节点M不会把消息转发给待选中继节点A、B、C中的任何一个，而是自身继续持有消息，直到遇到目的节点D、或是SDP概率值比它大的其他中继节点为止。

步骤4.3  如果是其他情况，当前节点M不会转发消息给SDP概率值比其自身小的节点，而是从SDP概率值比其大的所有中继节点中选取SDP概率值最大的进行转发消息（假设被选中的节点是中继节点A），转发的拷贝数为

被选择的中继节点A成为当前节点M。

步骤5  如果当前节点M的消息拷贝数大于1，转到步骤3。

步骤6  如果当前节点M的消息拷贝数恰好为1，则当前节点M一直持有消息，直到遇到目的节点，将消息传送给目的节点为止。

为实现本实施例中概率的计算，首先定义一个交付概率DP (Delivery Predictability)，用来表示节点间消息的交付概率。其中0<DP(a,b)<1，表示当前节点A到目的节点D的交付概率。在此基础上，定义速度交付概率SDP (Speed-Delivery Predictability)。

节点的交付概率DP是由当前节点访问目的节点的活跃性决定的，当前节点与目的节点相遇的次数越多，当前节点到目的节点的交付概率越大。随着时间的推迟与不断遇到其他的中继节点，当前节点到目的节点的交付概率也在不断地更新。

1. DP概率的计算

1) 当两个节点相遇时，它们各自的交付概率应该得到更新，以便确保经常相遇的节点可以有一个更高的交付概率。公式1表示DP 概率因为两节点间的相遇而进行的更新：

       

         （1）

其中，是当前节点A到目的节点B的交付概率， ( 0<<1 )是一初始化常量。

2) 如果一对节点在一段时间内没有相遇，那么它们可能不是对方消息的良好转发者，因此，它们之间的交付概率值随着时间的继续而逐渐减小（本发明中称之为衰老）。公式2表示DP概率随着时间衰老而进行的更新：

                

         （2）

其中，

(0<<1) 是衰老因子，k是自从上一次交付概率衰老之后所过去的时间单元数。这里的时间单元会因应用场景与目标网络中期望延迟的不同而有所不同。

3) 在系统中，如果节点A频繁地与节点B相遇，而节点B又频繁地与节点C相遇，那么节点C可能也是来自于节点A消息的一个很好的转发者，这种系统场景对交付概率的影响，本发明称之为传递交付。公式3表示DP概率因为节点间的传递影响而进行的更新：

               （3）

其中，

( 0<

< 1)是缩放因子，它决定了节点间的传递对交付概率的影响程度大小。

2. SDP概率的计算

SDP概率是一个基于节点的速度与DP概率的加权平均之和的综合概率，其计算方法因当前节点与中继节点的身份不同而略微有所不同，如公式4与公式5所示：

 

              （4）    

 

              （5）

其中，式（4）表示当前节点M到目的节点D的SDP概率，式（5）表示待选中继节点A到目的节点D的SDP概率，

、

分别表示当前节点M与待选中继节点A的移动速度，

 ( 0 <

< 1 ) 是加权因子，表示速度与DP概率在综合SDP概率中所占的比例。

转发的消息拷贝数按照以下比例计算，如式（6）所示：

     （6）

其中，nrofCopies表示当前节点M转发的消息拷贝数，nrofCopies_old表示当前节点M携带的消息拷贝数，

表示被选取的中继节点A到目的节点D的SDP概率值，

表示当前节点M到目的节点D的SDP概率值。

Claims (7)

1.一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于，在路由转发时的步骤如下：

步骤一：源节点自我复制n个消息拷贝；

步骤二：源节点分别比较与待选中继节点的速度交付概率SDP概率值的大小；

步骤三：如果待选中继节点的SDP概率值都比源节点的大，则源节点会在待选中继节点中选出SDP概率值最大的节点进行消息的转发，且转发的拷贝数与源节点以及被选择的中继节点的概率值的大小比例有关，被选择的中继节点成为当前节点；

步骤四：如果待选中继节点的SDP概率值都比源节点的小，则源节点不把消息转发给中继节点，自身继续持有消息，直到遇到目的节点或是SDP概率值比源节点大的中继节点为止，当前节点仍是源节点；

步骤五：如果存在SDP概率值比源节点大的中继节点且存在SDP概率值比源节点小的中继节点，则源节点会在所有比源节点SDP概率值大的中继节点中选出SDP概率值最大的节点进行消息的转发，且转发的拷贝数与源节点以及被选择的中继节点的概率值的大小比例有关，被选择的中继节点成为当前节点；

步骤六：如果当前节点的消息拷贝数大于1，则当前节点采取与源节点同样的方式如上述步骤二至步骤五，把消息转发给其他的中继节点或直接传送给目的节点；

步骤七：如果当前节点的消息拷贝数为1，则当前节点一直持有消息，直到遇到目的节点，将消息传送给目的节点为止。

2.如权利要求1所述的基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于，所述源节点或中继节点的交付概率DP概率的计算如下：

在两个节点相遇时，该两个节点各自的交付概率应得到更新，以便确保经常相遇的节点可以有一个更高的交付概率；

DP 概率因为两节点间的相遇而进行的更新：

                                                               （1）            

其中，

是当前节点A到目的节点B的交付概率，

是一初始化常量 ， 0<

<1 。

3.如权利要求1所述的基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于：如果一对节点在一段时间内没有相遇，那么它们可能不是对方消息的良好转发者，因此，它们之间的交付概率值必须随着时间的继续而逐渐减小，即衰老；DP概率随着时间衰老而进行的更新：

                                  （2）                                                     

其中，

(0<

<1) 是衰老因子，k是自从上一次交付概率衰老之后所过去的时间单元数。

4.如权利要求1所述的基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于：在系统中，如果节点A频繁地与节点B相遇，而节点B又频繁地与节点C相遇，那么节点C可能也是来自于节点A消息的一个很好的转发者，这种系统场景对交付概率的影响，即传递交付；DP概率因为节点间的传递影响而进行的更新：

              （3）

其中，

( 0<

< 1)是缩放因子。

5.如权利要求2-4任一项所述的基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于，所述SDP概率的计算如下：

SDP概率是一个基于节点的速度与DP概率的加权平均之和的综合概率，SDP概率的计算方法因当前节点与中继节点的身份不同而略微有所不同，如下：

     

                （4）

     

             （5）

其中，式（4）表示当前节点M到目的节点D的SDP概率，式（5）表示待选中继节点A到目的节点D的SDP概率，

、

分别表示当前节点M与待选中继节点A的移动速度，

 ( 0 <

< 1 ) 是加权因子，表示速度与DP概率在综合SDP概率中所占的比例。

6.如权利要求1所述的基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于，所述当前节点转发的消息拷贝数按照以下比例计算，如下：

    （6） 

其中，nrofCopies表示当前节点M转发的消息拷贝数，nrofCopies_old表示当前节点M携带的消息拷贝数，

表示被选取的中继节点A到目的节点D的SDP概率值，

表示当前节点M到目的节点D的SDP概率值。

7.如权利要求1所述的基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，其特征在于，在源节点与目的节点间的所有中继节点如权利要求1中的步骤进行消息转发，直至消息成功交付。

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