CN103634923A - 公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，包括如下过程：（1）利用图论理论构建公交车载网络模型；（2）根据公交车运行轨迹数据，运用弗洛伊德算法求出两辆车之间的最小平均接触间隔时间；（3）统计节点空闲邻居集合、携带数据包集合和已接收数据包集合；（4）计算节点携带数据包对应的拷贝数目及目的节点；（5）迭代求出满足最大化有效传输次数的邻居调度方案。本发明选择与具有最大有效传输次数的空闲邻居进行通信。在芝加哥市公交车运行轨迹数据上进行模拟实验，实验结果表明，与经典的轮询调度方法相比，本发明方法可以明显地减少网络中的传输次数并可提高数据包的传递率。

Description

公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法。

背景技术

传统的无线网络路由协议是以源节点和目的节点之间存在端到端可靠链接为前提的。但是，在容迟网络中，由于节点的快速移动、节点密度稀疏等原因造成网络中一般不存在端到端的路径,因此，传统的无线网络路由协议已经不适用于容迟网络。公交车载网络是近年来容迟网络的一个具体应用场景，通常情况下，公共运输系统覆盖非常大的区域，可以用来传输消息。公交车载网络有许多应用场合，例如公交车的软件升级、广告、或者公交车之间相互传播信息等。因此，公交车载网络为司机和乘客的生活提供了更多的方便，为智慧城市建设提供一种重要的网络通信技术。

目前有许多关于公交车载网络中路由算法的研究。传染病路由算法是一种被广泛应用于车载网络中、携带数据包的节点将数据包转发给任何相遇的节点。在资源不受限制情况下，它在数据包的传递率、传递延迟等性能方面都达到最佳的，但同时以网络中存在大量冗余数据包拷贝为代价。文献^[5]中研究了移动模型对路由算法的影响。在意大利都灵城市公交车跟踪数据上，研究对于给定的数据包时延约束，如何为一对源节点和目的节点寻找数据包传输路径同时使得传递率最大。R2R（Route-to-Route）的路由算法利用公交车车载网络中不同路线公交车碰面规律可预见性的特点，为每一个数据包安排一个固定的传输路径。规定公交车载网络中每个节点只对同一个数据包转发K次从而减少网络中数据包拷贝数目。

但是，公交车载网络方面的研究工作一般是假设当一辆公交车遇到另外一辆公交车时，它们就可以随时通信，很少有工作研究当一辆公交车同时遇到几辆公交车时如何确定通信次序及其对网络性能产生的影响。我们通过从芝加哥市公交车运行轨迹数据的研究中发现：大量存在两辆以上的公交车同时碰面情形，我们设计一个调度算法来决定与邻居通信的顺序，以增加有效传输次数，达到减少网络中数据包传输次数和提高传递率的目的。

发明内容

本发明正是针对现有技术的不足，提供一种公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，决定与邻居通信的顺序，以增加有效传输次数，达到减少网络中数据包传输次数和提高传递率的目的。

为了解决上述技术问题，本发明实现的技术方案如下：公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，包括如下过程：

（1）、利用图论理论构建公交车载网络模型：将一个公交车载网络抽象成一个加权无向图G，G=(V,E,R),其中，V是网络中节点集合，E是链路集合，R是时间集合；对于V中的两个节点i和j，如果它们相遇过，那么它们之间存在边(i,j)∈E；任给i,j∈V，R(i,j)=R_i,j权值表示节点i和j之间平均接触间隔时间；

（2）根据公交车运行轨迹数据，运用弗洛伊德算法求出两公交车之间的最小平均接触间隔时间T(i,j)：在构建模型的加权无向图G上,根据弗洛伊德最短路径算法，得到任意两个节点i和j之间最小平均接触间隔时间T(i,j)=T_i,j，该值为节点i和j之间期望延迟；

（3）公交车载网络中有N个节点，空闲邻居即是不含有数据包的节点邻居，统计节点空闲邻居集合F_i、携带数据包集合P_i和已接收数据包集合S_i：

(3A)、对于一个空闲的节点i(1≤i≤N)，它的所有空闲邻居集合

其中f_i是节点i的空闲邻居的数目；

(3B)、节点i当前携带数据包集合

其中m_i表示节点i当前携带的数据包数目；

(3C)、节点i到目前为止已接收数据包集合S_i(1≤i≤N)；

（4）计算节点携带数据包对应的拷贝数目及目的节点：

(4A)、计算节点i处携带数据包p_i,k拷贝数目r_i(p_i,k)(1≤k≤m_i)；

(4B)、对节点i，根据二分散发和等待路由算法，按照调度顺序将包p_i,k当前剩余拷贝数量一半交付邻居，得到节点i缓冲区中携带数据包p_i,j对应的目的节点d(p_i,j)(¹≤j≤m_i)；

（5）迭代求出满足最大化有效传输次数的邻居调度方案：

从未被选择的空闲邻居n_i,j中选择一个邻居使得它对应的有效传输次数最大，具体步骤如下:

（5A）根据节点i的空闲邻居的数目f_i作1到f_i次循环:

当节点i当前携带数据包的集合P_i非空

（5A1）对于每一个没有被调度过的空闲邻居n_i,j(1≤j≤f_i)，计算对应有效传输次数

，其中

从中选择最小传输次数对应的空闲邻居n_i,j；

其中，节点i将数据包p_i,k传输给邻居节点n_i,j(1≤i≤N,1≤k≤m_i,1≤j≤f_i)是一次有效传输，则必须满足

即从邻居节点n_i,j到数据包p_i,k的目的节点期望延迟不超过节点i到该数据包目的节点的期望延迟；

（5A2）节点i根据二分散发和等待路由算法向该邻居n_i,j有效传输所有不属于S_j的数据包{p_i,q|g(i,j,q)=1,1≤q≤m_i}；

（5A3）更新节点i当前携带数据包的集合P_i、节点i处包_pi,k拷贝数目r_i(p_i,k)(1≤k≤m_i)和节点i到目前为止已经接收过的数据包集合S_j=S_j∪{p_i,q|g(i,j,q)=1,1≤q≤m_i}。

本发明的一种公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，决定与邻居通信的顺序，以增加有效传输次数，达到减少网络中数据包传输次数和提高传递率的目的。

附图说明

图1为本发明的流程示意图

图2为本发明方法与轮询调度方法随着源节点初始数据包数量变化的数据包传输次数的性能比较图

图3为本发明方法与轮询调度方法随着源节点初始数据包数量变化的数据包传递率的性能比较图

图4为本发明方法与轮询调度方法随着源节点初始数据包数量变化的数据包传递延迟的性能比较图

图5为本发明方法与轮询调度方法随着源节点目的节点对数量变化的数据包传输次数的性能比较图

图6为本发明方法与轮询调度方法随着源节点目的节点对数量变化的数据包传递率的性能比较图

图7为本发明方法与轮询调度方法随着源节点目的节点对数量变化的数据包传递延迟的性能比较图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，本发明的建立过程如下：

公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，包括如下过程：

步骤1、利用图论理论构建公交车载网络模型：

将一个公交车载网络抽象成一个加权无向图G，G=(V,E,R),其中，V是网络中节点集合，E是链路集合，R是时间集合；对于V中的两个节点i和j，如果它们相遇过，那么它们之间存在边(i,j)∈E；任给i,j∈V，R(i,j)=R_i,j权值表示节点i和j之间平均接触间隔时间。

步骤2、根据公交车运行轨迹数据，运用弗洛伊德算法求出两公交车之间的最小平均接触间隔时间T(i,j)：在构建模型的加权无向图G上,根据弗洛伊德最短路径算法，得到任意两个节点i和j之间最小平均接触间隔时间T(i,j)=T_i,j，该值为节点i和j之间期望延迟。

弗洛伊德算法：（1）在构建模型的图G上，任意两个节点i和j之间最小平均接触间隔时间T_i,j=R_i,j(1≤i,j≤N)；（2）根据中间节点k的可能取值范围作1到N次循环，根据节点i的可能取值范围作1到N次循环，根据节点j的可能取值范围作1到N次循环，如果T_i,j>T_i,k+T_k,j且i≠j≠k，则T_i,j=T_i,k+T_k,j；（3）T_i,j为节点i和j之间期望延迟。

步骤3、公交车载网络中有N个节点，空闲邻居即是不含有数据包的节点邻居，统计节点i的空闲邻居集合F_i、携带数据包集合P_i和已接收数据包集合S_i：

(1)、对于一个空闲的节点i(1≤i≤N)，它的所有空闲邻居集合

其中f_i是节点i的空闲邻居的数目；

(2)、节点i当前携带数据包集合

其中m_i表示节点i当前携带的数据包数目；

(3)、节点i到目前为止已接收数据包集合S_i(1≤i≤N)。

步骤4、计算节点携带数据包p_i,j对应的拷贝数目及目的节点：

(1)、计算节点i处包p_i,k拷贝数目r_i(p_i,k)(1≤k≤m_i)；

(2)、对节点i，根据二分散发和等待路由算法，按照调度顺序将包p_i,k当前剩余拷贝数量一半交付邻居，得到节点i缓冲区中包p_i,j对应的目的节点d(p_i,j)(1≤j≤m_i)。

步骤5、迭代求出满足最大化有效传输次数的邻居调度方案：

从未被选择的空闲邻居n_i,j中选择一个邻居使得它对应的有效传输次数最大，具体步骤如下:

（1）根据节点i的空闲邻居的数目f_i作1到f_i次循环:

当节点i当前携带数据包的集合P_i非空

（1.1）对于每一个没有被调度过的空闲邻居n_i,j(1≤j≤f_i)，计算对应有效传输次数

，其中

从中选择最小传输次数对应的空闲邻居n_i,j；

其中，节点i将数据包p_i,k传输给邻居节点n_i,j(1≤i≤N,1≤k≤m_i,1≤j≤f_i)是一次有效传输，则必须满足

即从邻居节点n_i,j到数据包p_i,k的目的节点期望延迟不超过节点i到该数据包目的节点的期望延迟；

（1.2）节点i根据二分散发和等待路由算法向该邻居n_i,j有效传输所有不属于S_j的数据包{p_i,q|g(i,j,q)=1,1≤q≤m_i}；

（1.3）更新节点i当前携带数据包的集合P_i、节点i处包p_i,k拷贝数目r_i(p_i,k)(1≤k≤m_i)

和节点i到目前为止已经接收过的数据包集合S_j=S_j∪{p_i,q|g(i,j,q)=1,1≤q≤m_i}。

(2)结束。

其中步骤（1.1）选择有效传输次数最大者对应的邻居来通信，体现了方法的基本思想。该方法的运行时间由步骤（1.1）决定，方法复杂度为O(f_i ²×m_i)。

二分散发和等待（Binary Spray and Wait）路由算法：源节点一开始产生L个数据包拷贝；任何携带多于一个数据包拷贝的节点在遇到一个不具有数据包拷贝的节点时，将一半数目数据包拷贝交付给该相遇节点，自己留下另一半；任何具有一个数据包拷贝的节点只有在遇见目的节点时才会将该拷贝传输给目的节点。

本发明的效果可以通过以下两个仿真实验进一步说明，比较本发明方法和经典的轮询调度方法在大规模公交车载网络中的性能。轮询调度方法是按照空闲邻居序号从小到大顺序访问邻居的调度方法。

仿真实验1

1.1仿真条件

选择美国芝加哥城市的公交车移动轨迹作为节点移动模式，设置节点的传输半径为350米。随机产生1000对源节点和目的节点进行通信，为了简单起见，假设每对源节点向目的节点发送一个数据包。二分散发和等待路由初始时在源节点处产生的数据包数量L设置为1000

1.2仿真内容

（1）采用本发明方法，对美国芝加哥城市的公交车移动轨迹作为节点移动模式网络环境中，进行选择邻居、传递数据包的仿真。在仿真中，随着源节点初始数据包数量L的值从1000变化到1500，分别统计数据包传输次数、数据包传递率、数据包传递延迟。

（2），采用轮询调度方法，对美国芝加哥城市的公交车移动轨迹作为节点移动模式网络环境中，进行选择邻居、传递数据包的仿真。在仿真中，随着源节点初始数据包数量L的值从1000变化到1500，分别统计数据包传输次数、数据包传递率、数据包传递延迟。

将以上两次仿真中，统计所的两组数据随着源节点初始数据包数量L的值从1000变化到1500的传输次数，如图2；将以上两次仿真中，统计所的两组数据随着源节点初始数据包数量L的值从1000变化到1500的传递率，如图3；将以上两次仿真中，统计所的两组数据随着源节点初始数据包数量L的值从1000变化到1500的传递延迟，如图4。

1.3仿真结果

图2表明，本发明方法与轮询调度方法随着数据包数量L的增加，两种调度方法的传输次数均变大，由于初始数据包数量越多，越有利于网络中更多的节点获得数据包拷贝，因此传输次数变大。而且图2显示，随着数据包数量增加，本发明方法的传输次数相对轮询调度方法减少的程度越来越大，最大可达到31.33%，因为本发明方法最大化有效传输次数而不是数据包拷贝数量。

图3表明，本发明方法与轮询调度方法随着数据包数量L的增加，本发明方法的传递率在各种情况下都比轮询调度方法大，最大提高12.9%，因为本发明方法虽然减少了网络中拷贝数量但是通过调度算法增加了有效传输次数，因此数据包目的节点收到数据包的概率增加。

图4表明，本发明方法与轮询调度方法随着数据包数量L的增加，本发明方法的传递延迟比轮询调度方法高，最大提高不超过15.37%，其主要原因是由于本发明方法具有较高的传递率，将一些期望延迟较大的数据包传输到目的节点的因素，因而增加了总的传递延迟。

仿真实验2

2.1仿真条件

选择美国芝加哥城市的公交车移动轨迹作为节点移动模式，设置节点的传输半径为350米。随机产生1000对源节点和目的节点进行通信，为了简单起见，假设每对源节点向目的节点发送一个数据包。二分散发和等待路由初始时在源节点处产生的数据包数量L设置为1000。

1.2仿真内容

（1）采用本发明方法，对美国芝加哥城市的公交车移动轨迹作为节点移动模式网络环境中，进行选择邻居、传递数据包的仿真。在仿真中，将源节点目的节点对的数量从1000变化到6000来评价两种方法性能，分别统计数据包传输次数、数据包传递率、数据包传递延迟。

（2）采用轮询调度方法，对美国芝加哥城市的公交车移动轨迹作为节点移动模式网络环境中，进行选择邻居、传递数据包的仿真。在仿真中，将源节点目的节点对的数量从1000变化到6000来评价两种方法性能，分别统计数据包传输次数、数据包传递率、数据包传递延迟。

将以上两次仿真中，统计所的两组数据将源节点目的节点对的数量从1000变化到6000来评价两种方法性能的传输次数，如图2；将以上两次仿真中，统计所的的两组数据将源节点目的节点对的数量从1000变化到6000来评价两种方法性能的传递率，如图3；将以上两次仿真中，统计所的两组数据随着源节点初始数据包数量L的值从1000变化到1500的传递延迟，如图4。

2.3仿真结果

图5表明，本发明方法与轮询调度方法随着源节点目的节点对的数量增加，两种调度方法的传输次数均变大，由源节点目的节点对的数量越大，网络一开始就存在越多的数据包拷贝，这些数据包拷贝将被传输，因此传输次数增加了。本发明方法的传输次数在各种情况下都比轮询调度方法小，平均降低26.5%。

图6表明，本发明方法与轮询调度方法随着数据包数量L的增加，两种方法的传递率随着源节点目的节点对的数量变化程度很小，说明此时数据包传递率性能相对稳定。另外，本发明方法较轮询调度方法平均提高11.66%的传递率。

图7表明，本发明方法与轮询调度方法随着数据包数量L的增加，本发明方法的传递延迟比轮询调度方法大，平均增加12.8%。

通过对真实的公交车运行轨迹进行分析得知，存在很多多辆公交车同时相遇的情况，对此，本发明研究如何最大化有效传输次数的调度问题。该文首先在芝加哥公交车运行轨迹上调查公交车的邻居分布情况，本发明的一种公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，其基本思想是每次选择与具有最大有效传输次数的空闲邻居进行通信。在芝加哥市公交车运行轨迹数据上进行模拟实验，实验结果表明，与经典的轮询调度方法相比，本发明方法可以明显地减少网络中的传输次数并可提高数据包的传递率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.公交车载网络中最大化有效传输次数的调度决策方法，包括如下过程：

（1）、利用图论理论构建公交车载网络模型：

将一个公交车载网络抽象成一个加权无向图G，G=(V,E,R),其中，V是网络中节点集合，E是链路集合，R是时间集合；对于V中的两个节点i和j，如果它们相遇过，那么它们之间存在边(i,j)∈E；任给i,j∈V，R(i,j)=R_i,j权值表示节点i和j之间平均接触间隔时间；

（2）根据公交车运行轨迹数据，运用弗洛伊德算法求出两公交车之间的最小平均接触间隔时间T(i,j)：在构建模型的加权无向图G上,根据弗洛伊德最短路径算法，得到任意两个节点i和j之间最小平均接触间隔时间T(i,j)=T_i,j，该值为节点i和j之间期望延迟；

（3）公交车载网络中有N个节点，空闲邻居即是不含有数据包的节点邻居，统计节点空闲邻居集合F_i、携带数据包集合P_i和已接收数据包集合S_i：

(3A)、对于一个空闲的节点i(1≤i≤N)，它的所有空闲邻居集合

其中f_i是节点i的空闲邻居的数目；

(3B)、节点i当前携带数据包集合

其中mi表示节点i当前携带的数据包数目；

(3C)、节点i到目前为止已接收数据包集合S_i(1≤i≤N)；

（4）计算节点携带数据包对应的拷贝数目及目的节点：

(4A)、计算节点i处携带数据包p_i,k拷贝数目r_i(p_i,k)(1≤k≤m_i)；

(4B)、对节点i，根据二分散发和等待路由算法，按照调度顺序将包p_i,k当前剩余拷贝数量一半交付邻居，得到节点i缓冲区中携带数据包p_i,j对应的目的节点d(p_i,j)(1≤j≤m_i)；

（5）迭代求出满足最大化有效传输次数的邻居调度方案：

从未被选择的空闲邻居n_i,j中选择一个邻居使得它对应的有效传输次数最大，具体步骤如下:

（5A）根据节点i的空闲邻居的数目f_i作1到f_i次循环:

当节点i当前携带数据包的集合P_i非空

（5A1）对于每一个没有被调度过的空闲邻居n_i,j(1≤j≤f_i)，计算对应有效传输次数

，其中

从中选择最小传输次数对应的空闲邻居n_i,j；

其中，节点i将数据包p_i,k传输给邻居节点n_i,j(1≤i≤N,1≤k≤m_i,1≤j≤f_i)是一次有效传输，则必须满足

即从邻居节点n_i,j到数据包p_i,k的目的节点期望延迟不超过节点i到该数据包目的节点的期望延迟；

（5A2）节点i根据二分散发和等待路由算法向该邻居n_i,j有效传输所有不属于S_j的数据包{p_i,q|g(i,j,q)=1,1≤q≤m_i}；

（5A3）更新节点i当前携带数据包的集合P_i、节点i处包_pi,k拷贝数目r_i(p_i,k)(1≤k≤m_i)

和节点i到目前为止已经接收过的数据包集合S_j=S_j∪{p_i,q|g(i,j,q)=1,1≤q≤m_i}。

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