CN103686921A - 移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动中继系统的基于能量采集的机会式转发方法。它的步骤为：采用两跳转发方法，源节点可以复制消息给中继节点，中继节点将消息转发给目的节点。当源节点检测到中继节点进入到最大发射半径内时，以一定的判断准则选择是否转发消息拷贝。其中在该判断准则设计中，考虑中继节点的移动速度以及源节点的能量采集速率，通过比较源节点与中继节点之间期望的相遇速率以及源节点的能量采集速率，从而做出最大化消息在时延要求内成功到达目的节点的概率的转发决策。本发明可用于具有移动中继，允许的时延较长的无线网络中，节点间通信的转发方法。

Description

移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法。

背景技术

近年来，随着绿色环保成为人们共识，国家提出关于节能减排的要求和具体指标，虽然与煤炭、钢铁、有色、建筑、运输等行业相比，通信行业并不是能耗排放问题最突出的行业，但是，通信企业的能源消耗也不低，另外降低辐射和通信干扰也比较迫切。对于运营商来说，通信行业整体仍处于快速发展阶段，新兴市场用户的增加以及发达市场对带宽需求的提升必然带来网络的扩容。网上运行设备容量的增大导致了能耗需求也不断扩大，能源单价上涨及运营总能耗的上升给运营商带来了长期的财务压力。由于能量采集技术能够通过可再生的能量为通信设备和网络补充能量，因此能量采集技术被看成是一种实现绿色通信的有效途径。具有能量采集能力的通信终端可以从周围的环境中收集能量，比如通过机械振动、太阳能、风能、热电发电机甚至是将周围的无线电转变为能量。在最近的研究中能量采集技术受到了越来越多的关注。

Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，Ad hoc网络通常是以末端子网的形式接入现有网络。在Ad hoc网络中，节点间的路由通常由多个网段（跳）组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中继节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。Ad hoc网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。

如果网络中的节点是快速移动且时常无连接，那么在任意的源点和目的节点之间保持端到端的通信路径是不现实的，因此，依赖于端到端路径的传统Ad hoc路由协议可能无法工作。为此，研究者提出了一种称为“存储——携带——转发”的路由协议来提供通信，这种协议利用概率连接性和节点移动性来发送信息。当节点无法直接转发消息给下一跳节点时，它会在缓冲区存储消息，沿着运动轨迹携带消息，将消息转发给另一个合适的节点，直到目的节点最终收到消息。由于移动节点的不确定性，任意两个节点之间的连接是随机的，所以源节点在进行路由选择时通常采用多拷贝转发的方法，即将消息分组复制成多个相同的拷贝，分配给相遇的不同节点进行转发，以此来提高消息的到达率。最典型的多拷贝分组转发方法是A.Vahdat和D.Becker在《Epidemic Routing forPartially Connected Ad Hoc Networks》一文中提出的，在Epidemic中，节点将消息分组复制给任何相遇到的还没有拷贝的节点，直到消息的最大时延容忍为止。尽管这种基于洪泛的策略能够实现很高的分组到达概率，但是它会浪费很多的能量，同时对于大型网络表现出差的延展性。因此，更多的研究开始关注于机会式转发方法。这种转发机制以一定的概率来转发分组消息，试图在减少分组拷贝数目的同时保持较高的到达率。目前有很多关于机会式转发的方法，但是已有的方法并没有同时利用能量采集技术以及网络中节点的移动特性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的提供一种移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法。

移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法，步骤如下：

1）源节点以时隙长为U的时间间隔从时刻t₀＝0开始进行检测，查看是否有中继节点进入最大发射半径R内，并与进入最大发射半径内的中继节点一一建立通信联系，也称为源节点与中继节点相遇；时刻t_k表示源节点与中继节点在第k次相遇的时刻，k为自然数；源节点一直检测到收到目的节点已成功接收到消息的反馈信息，如果没有收到目的节点已成功接收到消息的反馈信息则一直检测到预先设置的消息的最大时延容忍T；

2）在时刻t_k，源节点检测到m个中继节点进入最大发射半径R内，m为自然数，并与之一一建立通信联系；源节点计算每个中继节点与目的节点的相遇速率λ_i,D，1≤i≤m为自然数，D表示目的节点；源节点找出与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i；

3）源节点预测转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i后，距离下一次与中继节点相遇的平均时间间隔τ(F_k)；源节点根据自己的能量采集速率σ，如果σ·τ(F_k)≥1，表示源节点在下一次与中继节点相遇之前能够采集到超过一个单位的能量完成下一次消息的转发，因此源节点在时刻t_k转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i；

4）如果σ·τ(F_k)＜1，表示源节点在下一次与中继节点相遇之前采集到的能量不超过一个单位，那么源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻

如果

表示这个时刻已经超过了消息的最大时延容忍T，因此源节点在时刻t_k转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i；

5）如果

那么源节点比较是在当前时刻消耗一个单位的能量转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大，还是保留这个单位的能量在时刻

转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大；如果当前时刻转发消息拷贝获得的增益大，那么源节点在当前时刻转发分组，反之，如果在时刻

转发消息拷贝获得的增益大，那么源节点在当前时刻不转发分组拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i。

所述的步骤3）中源节点预测转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i后，在状态F_k下的平均转移时间τ(F_k)的方法为：

若在时刻t_k，网络中携带有消息拷贝的中继节点的个数为F_k，由于节点之间的相遇过程服从独立的泊松计数过程，因此节点之间的相遇时间间隔服从指数分布，源节点距离下一次与中继节点相遇的平均时间间隔为其中

是源节点与中继节点的平均相遇速率，中继节点的平均速度可以根据网络中节点速度的分布函数f(v)得出。

所述的步骤4）中源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻的方法为：

若在时刻t_k，源节点电池中可用的电量为E_k，源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝，整数M的计算公式如下

$\left\{\begin{array}{c}{E}_k-1+\underset{i=0}{\overset{M-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right)\&GreaterEqual;M-1\\ E_k-1+\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right)<M\end{array}\right.$

因此，源节点在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻为 $t_{k+M}^{\&prime;}=t_k+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{M-1}\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right).$

所述的步骤5）中源节点比较是在当前时刻消耗一个单位的能量转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大，还是保留这个单位的能量在时刻

转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大的方法为：

若S(t_k)是源节点在时刻t_k预测消息能够成功到达消息的概率，则源节点在时刻t_k+1预测消息能够成功到达的概率为

其中λ_*，D是中继节点与目的节点的相遇速率，a_k＝1为在时刻t_k源节点转发消息给中继节点，a_k＝0为在时刻t_k源节点不转发消息给中继节点；因此源节点在时刻T预测消息能够成功到达消息的概率公式为

其中K是源节点在消息的最大时延容忍T之前最后一次与中继节点相遇的次数；优化目标是最大化S(T)，根据S(T)的单调性也就是最大化

如果源节点在时刻t_k转发消息给中继节点，那么对消息成功到达目的节点的期望概率增益为λ_i，D(T-t_k)，其中λ_i，D为中继节点i与目的节点的相遇速率，如果源节点保留这个单位的能量在时刻

转发消息给中继节点，那么对消息成功到达目的节点的期望概率增益为

其中

是中继节点与目的节点的平均相遇速率，中继节点的平均速度可以根据网络中节点速度的分布函数f(v)得出。

本发明的有益效果：

本发明利用能量采集技术以及节点的移动特性，设计出一种移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法，在能量采集受限的情况下提高了能量的使用效率，实现在有效使用采集到的能量的同时提高消息成功到达目的节点的概率。

附图说明

图1是在能量采集受限的情况下，本发明方法和转发概率为1的两跳转发算法在消息成功到达目的节点的概率上的比较；

图2是在能量采集受限的情况下，本发明方法和转发概率为1的两跳转发算法在平均能量消耗上的比较。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

消息的传递采用两跳转发的方法，源节点可以复制消息给中继节点，中继节点只能将消息转发给目的节点。当源节点检测到中继节点进入到最大发射半径内时，以一定的判断准则选择是否转发消息拷贝。当携带有消息分组的中继节点运动到目的节点的最大发射半径内时，目的节点就接收消息拷贝。

假定网络中有N＝40个移动节点，其中有且只有一对源节点和目的节点。在600m×600m的移动区域中，每个节点匀速运动，节点的移动速度服从均匀分布v～U(0,20]m/s。每个节点的最大发射半径为R＝50m。时隙长为U＝1s。

移动中继系统中基于能量采集的机会式转发方法的步骤如下：

1）将网络建模成一个由无线移动节点组成的集合，集合用

表示

意味着网络中节点的个数为N。假定节点间的通信仅发生在当它们运动到彼此的最大发射半径内时，即两个节点相遇。每个节点的最大发射半径均为R。每个节点匀速运动，节点的移动速度服从均匀分布v～U[v_min,v_max]，节点的移动模型为Random Waypoint。节点之间的相遇过程服从独立的泊松计数过程，因此节点之间的相遇时间间隔服从指数分布。对于Random Waypoint移动模型，移动节点i与移动节点j之间的相遇速率为

其中ω≈1.3683是一个特定的常数，R是节点的最大发射半径，L是节点的移动区域尺寸，是节点i和节点j之间的平均相对速度。节点在相遇之前只知道网络中节点速度的分布函数f(v)，在相遇时节点能够获悉对方节点的速度。

2）源节点配有一个可充电的电池，源节点可以从周围的环境中采集能量，每次采集到一个单位的能量，这一个单位的能量刚好可以发送一个固定长度的消息。能量采集过程服从伯努利分布，速率为σ单位/时隙。

3）源节点以时隙长为U的时间间隔从时刻t₀＝0开始进行检测，查看是否有中继节点进入最大发射半径R内，并与进入最大发射半径内的中继节点一一建立通信联系，也称为源节点与中继节点相遇。时刻t_k表示源节点与中继节点在第k次相遇的时刻，k为自然数。源节点一直检测到收到目的节点已成功接收到消息的反馈信息，如果没有收到目的节点已成功接收到消息的反馈信息则一直检测到预先设置的消息的最大时延容忍T。

4）在时刻t_k，源节点检测到m个中继节点进入最大发射半径R内，m为自然数，并与之一一建立通信联系。源节点计算每个中继节点与目的节点的相遇速率λ_i,D，1≤i≤m为自然数，D表示目的节点。源节点找出与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i。

5）源节点预测转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i后，距离下一次与中继节点相遇的平均时间间隔τ(F_k)。源节点根据自己的能量采集速率σ，如果σ·τ(F_k)≥1，表示源节点在下一次与中继节点相遇之前能够采集到超过一个单位的能量完成下一次消息的转发，因此源节点在时刻t_k转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i。

6）如果σ·τ(F_k)＜1，表示源节点在下一次与中继节点相遇之前采集到的能量不超过一个单位，那么源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻

如果

表示这个时刻已经超过了消息的最大时延容忍T，因此源节点在时刻t_k转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i。

7）如果

那么源节点比较是在当前时刻消耗一个单位的能量转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大，还是保留这个单位的能量在时刻转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大。如果当前时刻转发消息拷贝获得的增益大，那么源节点在当前时刻转发分组，反之，如果在时刻

转发消息拷贝获得的增益大，那么源节点在当前时刻不转发分组拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i。

所述的步骤4）中源节点计算每个中继节点与目的节点的相遇速率λ_i,D的方法为：

网络中的节点具有不同的移动速度，移动节点i与移动节点j之间的相遇速率为

其中ω≈1.3683是一个特定的常数，R是节点的最大发射半径，L是节点的移动区域尺寸，

是节点i和节点j之间的平均相对速度。

所述的步骤5）中源节点预测转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i后，在状态F_k下的平均转移时间τ(F_k)的方法为：

若在时刻t_k，网络中携带有消息拷贝的中继节点的个数为F_k，由于节点之间的相遇过程服从独立的泊松计数过程，因此节点之间的相遇时间间隔服从指数分布，源节点距离下一次与中继节点相遇的平均时间间隔为

其中

是源节点与中继节点的平均相遇速率，中继节点的平均速度可以根据网络中节点速度的分布函数f(v)得出。

所述的步骤6）中源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻

的方法为：

若在时刻t_k，源节点电池中可用的电量为E_k，源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝，整数M的计算公式如下

$\left\{\begin{array}{c}{E}_k-1+\underset{i=0}{\overset{M-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right)\&GreaterEqual;M-1\\ E_k-1+\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right)<M\end{array}\right.$

因此，源节点在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻为 $t_{k+M}^{\&prime;}=t_k+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{M-1}\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right).$

所述的步骤7）中源节点比较是在当前时刻消耗一个单位的能量转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大，还是保留这个单位的能量在时刻转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大的方法为：

若S(t_k)是源节点在时刻t_k预测消息能够成功到达消息的概率，则源节点在时刻t_k+1预测消息能够成功到达的概率为

其中λ_*,D是中继节点与目的节点的相遇速率，a_k＝1为在时刻t_k源节点转发消息给中继节点，a_k＝0为在时刻t_k源节点不转发消息给中继节点；因此源节点在时刻T预测消息能够成功到达消息的概率公式为

其中K是源节点在消息的最大时延容忍T之前最后一次与中继节点相遇的次数。我们的优化目标是最大化S(T)，根据S(T)的单调性也就是最大化

a_i；如果源节点在时刻t_k转发消息给中继节点，那么对消息成功到达目的节点的期望概率增益为λ_i,D(T-t_k)，其中λ_i,D为中继节点i与目的节点的相遇速率，如果源节点保留这个单位的能量在时刻

转发消息给中继节点，那么对消息成功到达目的节点的期望概率增益为

其中

是中继节点与目的节点的平均相遇速率，中继节点的平均速度可以根据网络中节点速度的分布函数f(v)得出。

通过计算机仿真表明，在能量采集受限的情况下，可以明显看出本发明方法相对于转发概率为1的两跳转发算法的优越性。当源节点的能量采集速率较低时，本发明方法能够获得更高的消息成功到达目的节点的概率，同时平均消耗的能量更少。本发明方法中源节点通过对当前时刻消耗能量转发消息还是保留能量在之后转发消息对消息成功到达目的节点的期望概率增益的比较，做出合理的转发决策。这样源节点在能量采集受限的情况下提高了能量的使用效率，实现在有效使用采集到的能量的同时提高消息成功到达目的节点的概率。

Claims (4)

1.一种移动中继系统的基于能量采集的机会式转发方法，其特征在于，步骤如下：

1）源节点以时隙长为U的时间间隔从时刻t₀＝0开始进行检测，查看是否有中继节点进入最大发射半径R内，并与进入最大发射半径内的中继节点一一建立通信联系，也称为源节点与中继节点相遇；时刻t_k表示源节点与中继节点在第k次相遇的时刻，k为自然数；源节点一直检测到收到目的节点已成功接收到消息的反馈信息，如果没有收到目的节点已成功接收到消息的反馈信息则一直检测到预先设置的消息的最大时延容忍T；

2）在时刻t_k，源节点检测到m个中继节点进入最大发射半径R内，m为自然数，并与之一一建立通信联系；源节点计算每个中继节点与目的节点的相遇速率λ_i,D，1≤i≤m为自然数，D表示目的节点；源节点找出与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i；

3）源节点预测转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i后，距离下一次与中继节点相遇的平均时间间隔τ(F_k)；源节点根据自己的能量采集速率σ，如果σ·τ(F_k)≥1，表示源节点在下一次与中继节点相遇之前能够采集到超过一个单位的能量完成下一次消息的转发，因此源节点在时刻t_k转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i；

4）如果σ·τ(F_k)＜1，表示源节点在下一次与中继节点相遇之前采集到的能量不超过一个单位，那么源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻

如果

表示这个时刻已经超过了消息的最大时延容忍T，因此源节点在时刻t_k转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i；

5）如果

那么源节点比较是在当前时刻消耗一个单位的能量转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大，还是保留这个单位的能量在时刻

转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大；如果当前时刻转发消息拷贝获得的增益大，那么源节点在当前时刻转发分组，反之，如果在时刻

转发消息拷贝获得的增益大，那么源节点在当前时刻不转发分组拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i。

2.根据权利要求1所述的基于能量采集的机会式转发方法，其特征在于，所述的步骤3）中源节点预测转发消息拷贝给与目的节点具有最大相遇速率的中继节点i后，在状态F_k下的平均转移时间τ(F_k)的方法为：

若在时刻t_k，网络中携带有消息拷贝的中继节点的个数为F_k，由于节点之间的相遇过程服从独立的泊松计数过程，因此节点之间的相遇时间间隔服从指数分布，源节点距离下一次与中继节点相遇的平均时间间隔为

其中

是源节点与中继节点的平均相遇速率，中继节点的平均速度可以根据网络中节点速度的分布函数f(v)得出。

3.根据权利要求1所述的基于能量采集的机会式转发方法，其特征在于，所述的步骤4）中源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻

的方法为：

若在时刻t_k，源节点电池中可用的电量为E_k，源节点预测在接下来的M‐1次与中继节点相遇都转发消息拷贝，但是在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝，整数M的计算公式如下

$\left\{\begin{array}{c}{E}_k-1+\underset{i=0}{\overset{M-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right)\&GreaterEqual;M-1\\ E_k-1+\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right)<M\end{array}\right.$

因此，源节点在第M次与中继节点相遇没有足够能量转发消息拷贝的时刻为 $t_{k+M}^{\&prime;}=t_k+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{M-1}\mathrm{\&tau;}\left(F_{k+i}\right).$

4.根据权利要求1所述的基于能量采集的机会式转发方法，其特征在于，所述的步骤5）中源节点比较是在当前时刻消耗一个单位的能量转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大，还是保留这个单位的能量在时刻

转发消息拷贝对消息成功到达目的节点的期望概率增益大的方法为：

若S(t_k)是源节点在时刻t_k预测消息能够成功到达消息的概率，则源节点在时刻t_k+1预测消息能够成功到达的概率为

其中λ_*，D是中继节点与目的节点的相遇速率，a_k＝1为在时刻t_k源节点转发消息给中继节点，a_k＝0为在时刻t_k源节点不转发消息给中继节点；因此源节点在时刻T预测消息能够成功到达消息的概率公式为

其中K是源节点在消息的最大时延容忍T之前最后一次与中继节点相遇的次数；优化目标是最大化S(T)，根据S(T)的单调性也就是最大化如果源节点在时刻t_k转发消息给中继节点，那么对消息成功到达目的节点的期望概率增益为λ_i，D(T-t_k)，其中λ_i，D为中继节点i与目的节点的相遇速率，如果源节点保留这个单位的能量在时刻转发消息给中继节点，那么对消息成功到达目的节点的期望概率增益为

其中

是中继节点与目的节点的平均相遇速率，中继节点的平均速度可以根据网络中节点速度的分布函数f(v)得出。

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