CN103796223B - 一种无线自组织网络的连通性修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线自组织网络的连通性修复方法，多个可移动设备组成无线自组织网络，其特征在于：每个可移动设备上均设置有转发表维护模块、位置调度请求模块、位置调度应答模块和辅助转发模块；转发表维护模块用于维护设备的数据包转发统计表，数据包转发统计表用于反映设备对网络的贡献度；该模块嵌在设备的路由系统中；位置调度请求模块用于处理设备提交的失效请求，并处理网络中的位置调度应答数据包；位置调度应答模块用于处理网络中失效设备的位置调度请求，并完成设备位置调度操作；辅助转发模块用于替代失效设备进行数据包转发。

Description

一种无线自组织网络的连通性修复方法

技术领域

本发明涉及一种无线自组织网络的连通性修复方法。

背景技术

无线自组织网络是由大量的可移动设备组成，通过无线通信方式形成的一种多跳的自组织的网络系统，广泛应用于环境监测、军事部署等领域。网络连通是无线自组织网络通信的基础。然而，网络设备的能量约束会引起设备失效，进而引发网络链路失效，改变网络原有的通信状态和网络连通性，甚至造成网络隔离。因此，如何降低设备失效对网络的影响,维持网络的连通性，进而提高无线自组织网络运行的稳定性是不可忽视的关键性技术问题。

目前国内外对于网络连通修复方面的研究的主要采用两种方法：1）使用专门的连通修复机器人。Derbakova等人提出一种与网络覆盖结合的连接修复方法,首先通过全网广播衡量网络连通状况,然后对机器人的位置进行调度,保持网络的连通度(Derbakova A,Correll N,Rus D.Decentralized self-repair to maintenance connectivity andcoverage in networked multi-robot systems[C]//Robotics and Automation(ICRA),2011IEEE International Conference on.IEEE,2011:3863-3868.)；CSIRO、USC和Dartmouth三个实验室合作针对传感器,地面机器人和空中机器人所组成的混合网络,借助空中设备估计网络隔离的位置,然后对该处的网络进行修补(Corke P,Hrabar S,PetersonR,et al.Deployment and connectivity repair of a sensor net with a flyingrobot[M]//Experimental Robotics IX.Springer Berlin Heidelberg,2006:333-343)。以上研究均需要专门的修复设备设施，没有考虑修复设备失效的问题。2）利用网络睡眠设备进行网络修复的方法。史庭俊等人针对异构传感器网络提出一种基于连通支配树的异构传感器网络拓扑修复算法(HSNTR)，利用网络睡眠设备，对骨干网进行连通修复（史庭俊,方旭明,杨云.基于连通支配树的异构传感器网络拓扑修复算法[J].通信学报,2012,33(10):77-85.）。这种方法只适用于冗余度高的网络，且只考虑了网络的连通度和覆盖度，没有考虑设备失效对网络传输稳定性的影响。

仅有2项专利涉及本发明研究领域。Microsoft的专利“Dynamic channelassignment and connectivity maintenance in wireless networks(20080117864)主要针对多信道无线网络中的连通性问题提出了解决方案，只适用于多信道网络。而Nokia公司的专利Connection maintenance in wireless network with relays via CIDencapsulation（20080192673）”通过具体的中继设备转发数据包维护网络通信，是一种数据包转发协议，不涉及网络设备失效问题。

从上述分析可以看出，现有技术中，针对无线网络设备失效的连通修复方法存在的不足之处在于：1）需要专门的修复机器人，没有考虑修复机器人失效的问题。2）需要复杂的通信过程，耗费网络能量。3）只考虑网络的连通度和覆盖度，没有考虑设备失效对网络传输稳定性的影响。

发明内容

本发明目的在于提供一种无线自组织网络的连通性修复方法，操作简便，能够有效降低失效设备对无线网络的影响,维持网络的连通性，提高无线网络运行的稳定性。

实现本发明目的技术方案：

一种无线自组织网络的连通性修复方法，多个可移动设备组成无线自组织网络，其特征在于：每个可移动设备上均设置有转发表维护模块、位置调度请求模块、位置调度应答模块和辅助转发模块；转发表维护模块用于维护设备的数据包转发统计表，数据包转发统计表用于反映设备对网络的贡献度；该模块嵌在设备的路由系统中；位置调度请求模块用于处理设备提交的失效请求，并处理网络中的位置调度应答数据包；位置调度应答模块用于处理网络中失效设备的位置调度请求，并完成设备位置调度操作；辅助转发模块用于替代失效设备进行数据包转发。

位置调度请求模块处理设备提交的失效请求，通过如下方法实现，

设备即将停止工作时，通过接口向该设备的位置调度请求模块发送请求，位置调度请求模块接收请求后，将自身的数据包转发统计表、自身的位置坐标和自身的网络地址封装到位置调度请求数据包中，以广播的方式发送给网络中所有的邻居设备，提出位置调度请求。

位置调度应答模块处理网络中失效设备的位置调度请求，通过如下方法实现，

步骤1：提取位置调度请求数据包中的数据包转发统计表、位置坐标和网络地址；

步骤2：根据步骤1取得的数据包转发统计表、网络地址和自身的数据包转发统计表以及自身的网络地址，计算应答延时；

步骤3：根据步骤1取得的位置坐标和自身位置坐标、自身平均移动速度，计算移动延时；

步骤4：设置发送位置调度应答数据包的延期时间，开启应答延时计时器，当计时到步骤2得到的应答延时后，将步骤3取得的移动延时、自身的网络地址封装到位置调度应答数据包中，向位置调度请求数据包中的网络地址发送。

位置调度请求模块处理网络中的位置调度应答数据包，通过如下方法实现，

当位置调度请求模块首次接收到网络中邻居设备发送的位置调度应答数据包后，

步骤1：提取位置调度应答数据包中的移动延时和网络地址，将该网络地址作为执行位置调度设备的网络地址；

步骤2：将自身的路由表、自身的位置坐标、自身的网络地址即失效设备的网络地址和步骤1中取得的执行位置调度设备的网络地址，封装到位置调度完成数据包中,然后以广播的方式发送给网络中所有的邻居设备；

步骤3：开启移动延时计时器,当计时到步骤1取得的移动时延后，停止设备路由系统的转发功能；

若位置调度请求模块再次接收到其它邻居设备的位置调度应答数据包，则直接丢掉该数据包，不做任何处理。

位置调度应答模块完成设备位置调度操作，通过如下方法实现，

位置调度应答模块在接收到网络中失效设备发送的位置调度完成数据包后，

步骤1：提取位置调度完成数据包中的执行位置调度设备的网络地址，若取得的该网络地址和自身网络地址不同，则将应答延时计时器归零，停止计时，不执行任何操作;否则继续执行；

步骤2：提取位置调度完成数据包中的路由表、位置坐标和失效设备网络地址；

步骤3：向设备运动系统发送移动命令，促使设备向步骤2中取得的位置坐标移动；

步骤4：当设备移动完成后，开启辅助转发模块，将步骤2中取得的路由表与失效设备网络地址提交给辅助转发模块。

辅助转发模块替代失效设备进行数据包转发，通过如下方法实现，

辅助转发模块接收到位置调度应答模块提交的路由表和失效设备网络地址后，先将路由表与自身的路由表合并，再监听网络中的数据包，若数据包的接收地址为失效设备网络地址，则将其交由路由系统转发。

本发明具有的有益效果：

本发明每个可移动设备上均设置有转发表维护模块、位置调度请求模块、位置调度应答模块和辅助转发模块；转发表维护模块用于维护设备的数据包转发统计表，该模块嵌在设备的路由系统中；位置调度请求模块用于处理设备提交的失效请求，并处理网络中的位置调度应答数据包；位置调度应答模块用于处理网络中失效设备的位置调度请求，并完成设备位置调度操作；辅助转发模块用于替代失效设备进行数据包转发。本发明采用分布式系统，模块布置在网络的各个无线设备上，当设备由于电量即将耗尽或者其他因素即将停止工作时，通过接口向该设备的位置调度请求模块发送请求，其余邻居设备的位置调度应答模块进行应答，最终由执行位置调度设备的辅助转发模块替代失效设备进行数据包转发。

本发明操作简便，能够有效降低失效设备对无线网络的影响,维持网络的连通性，提高无线网络运行的稳定性。本发明系统的辅助转发模块能够帮助失效设备完成数据包转发任务，降低网络通信中断时间。本发明无中心设备，不以专门的网络修复机器人为基础，系统能够适用于所有的由可移动无线设备组成的无线网络。本发明转发表维护模块嵌入到设备的路由系统中，扩展性强。本发明位置调度应答模块通过比较设备对网络的贡献度计算应答延时，利用贡献度小的设备的位置移动来稳定系统的网络传输量，进一步保证修复过程中网络的稳定性。

附图说明

图1为本发明的系统模块图；

图2为本发明中转发表维护模块采用的转发表维护算法流程图；

图3为本发明中位置调度应答模块采用的应答延时计算算法伪代码；

图4为本发明实施例1和实施例2的网络设备位置分布图

图5为本发明实施例2的网络通信图。

具体实施方式

如图1所示，每个可移动设备上均设置有转发表维护模块、位置调度请求模块、位置调度应答模块和辅助转发模块；设有接口failure_start，当设备由于电量即将耗尽或者其他因素即将停止工作时，通过调用failure_start接口向该设备的位置调度请求模块发送请求，其余邻居设备的位置调度应答模块进行应答，最终由执行位置调度设备的辅助转发模块替代失效设备进行数据包转发。

一、转发表维护模块。该模块用于维护数据包转发统计表FT，该模块嵌在设备的路由系统中，模块监测设备路由系统。路由系统每转发一个数据包，模块就记录下该数据包的上一跳地址和下一跳地址，并调用转发表维护算法FTmaintenance（如图2所示），修改数据包转发统计表FT相应位置的统计值，数据包转发统计表FT直观的反应设备对网络的贡献度，即反映设备失效对网络的影响效果，转发表维护算法FTmaintenance为现有常用算法。

二、位置调度请求模块。该模块用于处理设备提交的失效请求，并处理网络中的位置调度应答数据包。该模块工作在网络的应用层。

（一）失效请求处理。

位置调度请求模块处理设备提交的失效请求，通过如下方法实现，

设备即将停止工作时，通过接口向该设备的位置调度请求模块发送请求，位置调度请求模块接收请求后，将自身的数据包转发统计表、自身的位置坐标和自身的网络地址封装到位置调度请求数据包中，以广播的方式发送给网络中所有的邻居设备，提出位置调度请求。

（二）位置调度应答数据包处理。

位置调度请求模块处理网络中的位置调度应答数据包，通过如下方法实现，

当位置调度请求模块首次接收到网络中邻居设备发送的位置调度应答数据包后，

步骤1：提取位置调度应答数据包中的移动延时和网络地址，将该网络地址作为执行位置调度设备的网络地址；

步骤2：将自身的路由表、自身的位置坐标、自身的网络地址即失效设备的网络地址和步骤1中取得的执行位置调度设备的网络地址，封装到位置调度完成数据包中,然后以广播的方式发送给网络中所有的邻居设备；

步骤3：开启移动延时计时器,当计时到步骤1取得的移动时延后，停止设备路由系统的转发功能；

若位置调度请求模块再次接收到其它邻居设备的位置调度应答数据包，则直接丢掉该数据包，不做任何处理。

三、位置调度应答模块。该模块用于处理网络中失效设备的位置调度请求，并完成设备位置调度操作。该模块工作在网络的应用层。

（一）位置调度请求处理。

位置调度应答模块处理网络中失效设备的位置调度请求，通过如下方法实现，

步骤1：提取位置调度请求数据包中的数据包转发统计表、位置坐标和网络地址；

步骤2：根据步骤1取得的数据包转发统计表、网络地址和自身的数据包转发统计表以及自身的网络地址，调用应答延时计算算法delayCal（如图3所示），计算应答延时，应答延时计算算法delayCal为现有常用算法；

步骤3：根据步骤1取得的位置坐标和自身位置坐标、自身平均移动速度，计算移动延时；

步骤4：设置发送位置调度应答数据包的延期时间，开启应答延时计时器，当计时到步骤2得到的应答延时后，将步骤3取得的移动延时、自身的网络地址封装到位置调度应答数据包中，向位置调度请求数据包中的网络地址发送。

（二）设备调度位置处理。

位置调度应答模块完成设备位置调度操作，通过如下方法实现，

位置调度应答模块在接收到网络中失效设备发送的位置调度完成数据包后，

步骤1：提取位置调度完成数据包中的执行位置调度设备的网络地址，若取得的该网络地址和自身网络地址不同，则将应答延时计时器归零，停止计时，不执行任何操作;否则继续执行；

步骤2：提取位置调度完成数据包中的路由表、位置坐标和失效设备网络地址；

步骤3：向设备运动系统发送移动命令，促使设备向步骤2中取得的位置坐标移动；

步骤4：当设备移动完成后，开启辅助转发模块，将步骤2中取得的路由表与失效设备网络地址提交给辅助转发模块。

四、辅助转发模块。该模块用于替代失效设备进行数据包转发。该模块工作于网络的接入层。

辅助转发模块替代失效设备进行数据包转发，通过如下方法实现，

辅助转发模块接收到位置调度应答模块提交的路由表和失效设备网络地址后，先将路由表与自身的路由表合并，再监听网络中的数据包，若数据包的接收地址为失效设备网络地址，则将其交由路由系统转发。

下面结合选取的典型实施例对本发明做进一步详细描述，说明本发明有益效果

实施例1对本系统转发表维护模块的具体工作过程进行说明。

网络中的设备分布情况如图4(a)所示,设备D、A和S的地址分别为ADDRd、ADDRa和ADDRs，网络在运作一端时间后，设备S上的转发表维护模块对数据包转发统计表的维护结果如表1所示。此时，设备A经过设备S向设备D发送数据，设备S的路由系统转发了一个数据包。

设备S上的转发表维护模块维护数据包转发统计表FTs。转发表维护模块监测设备路由系统转发了一个数据包，该数据包的上一跳地址pri=ADDRa和下一跳地址next=ADDRd，然后调用转发表维护算法FTmaintenance(ADDRa，ADDRd)，修改FTs的统计值。修改后的FTs如表2所示。

表1.修改前的FTs

	ADDRa	ADDRd	ADDRe
				ADDRa	0	4	3
ADDRd	18	0	289
				ADDRe	10	378	0

表2.修改后的FTs

	ADDRa	ADDRd	ADDRe
				ADDRa	0	5	3
ADDRd	18	0	289
				ADDRe	10	378	0

由描述可知，模块只对路由系统的基本功能，即数据包转发功能进行监测，并不是针对个别路由系统的特殊功能，具有很强的通用性；算法FTmaintenance的统计方法能够直观的反应设备S对网络的贡献度。设备S的数据包转发量，等于FTs中所有数据的和。设备S数据转发量越大，则设备S的网络贡献度越大，设备S的缺失造成的通信中断越多，对网络通信稳定性影响越大。

实施例2对整个系统的位置调度请求模块、位置调度应答模块、辅助转发模块工作过程进行说明

网络中设备的分布图如图4(a)所示，设备D、A、E和S的地址分别为ADDRd、ADDRa、ADDRe和ADDRs。网络在运作到t1时刻，设备D、A、E和S上的转发表维护模块对数据包转发统计表的维护结果分别为FTd、FTa、FTe、FTs,DELAYe=delayCal(FTs,ADDRs,FTe,ADDRe),DELAYa=delayCal(FTs,ADDRs,FTa,ADDRa),DELAYd=delayCal(FTs,ADDRs,FTd,ADDRd),且DELAYe>DELAYa>DELAYd；设备S电量即将耗尽，即将停止工作，调用了本系统的failure_start接口，向本系统发送失效请求。系统在接收到失效请求后，交给位置调度请求模块处理。网络在本系统的作用下，设备A、D和S在的通信情况如图5所示。现对各个时刻系统的运作情况描述如下：

t1时刻.设备S上的位置调度请求模块在接收到失效请求后，将自身数据包转发统计表FTs、自身位置坐标（Xs,Ys）和自身地址ADDRs封装到位置调度请求数据包中，然后以广播的方式发送给邻居设备A、D、E。

t2时刻.设备D、设备A和设备E和上的位置调度应答模块分别接收到设备S发送的位置调度请求数据包。

设备D处理流程如下：

(1)提取数据包中数据包转发统计表FTs、位置坐标（Xs,Ys）和数据包的发送地址字段的值ADDRs。

(2)计算应答延时DELAYd，DELAYd=delayCal(FTs,ADDRs,FTd,ADDRd)。

(3)计算移动延时Td，设备自身的位置坐标为（Xd,Yd）,平均移动速度为Vd,则移动时间Td=(|Xs-Xd|+|Ys-Yd|)/Vd

(4)设置发送位置调度应答数据包的延期时间，开启应答延时计时器TIMERd，TIMERd从0开始计时。

设备A处理流程如下：

(1)提取数据包中数据包转发统计表FTs、位置坐标（Xs,Ys）和数据包的发送地址字段的值ADDRs。

(2)计算应答延时DELAYa，DELAYa=delayCal(FTs,ADDRs,FTa,ADDRa)。

(3)计算移动延时Ta，设备自身的位置坐标为（Xa,Ya）,平均移动速度为Va,则移动时间Td=(|Xs-Xa|+|Ys-Ya|)/Va

(4)设置发送位置调度应答数据包的延期时间，开启应答延时计时器TIMERa，TIMERa从0开始计时。

设备E处理流程如下：

(1)提取数据包中数据包转发统计表FTs、位置坐标（Xs,Ys）和数据包的发送地址字段的值ADDRs。

(2)计算应答延时DELAYe，DELAYe=delayCal(FTs,ADDRs,FTe,ADDRe)。

(3)计算移动延时Te，设备自身的位置坐标为（Xe,Ye）,平均移动速度为Ve,则移动时间Td=(|Xs-Xe|+|Ys-Ye|)/Ve

(4)设置发送位置调度应答数据包的延期时间，开启应答延时计时器TIMERe，TIMERe从0开始计时。

由于DELAYe>DELAYa>DELAYd。设备D首先完成计时，将移动延时Td封装到位置调度应答数据包中，并向设备S发送数据包。此时设备A和E继续计时。

t3时刻.设备S上的位置调度请求模块在接收到设备D发送的位置调度应答数据包后，处理流程如下：

(1)提取数据包中的移动延时Td,和发送地址字段的值ADDRd；

(2)将自身路由表RTs、自身位置坐标(Xs,Ys)和ADDRd封装到位置调度完成数据包中,向广播方式向邻居设备A和D发送数据包；

(3)开启移动延时计时器TIMERss,TIMERss从0开始计时，当计时到Td时，设备停止路由系统的转发功能。

t4时刻.设备D、设备A和设备E上位置调度应答模块分别接收到设备S发送的位置调度完成数据包。

设备D处理流程如下：

(1)提取数据包执行位置调度的设备地址ADDRd,判断地址ADDRd与自身地址ADDRd相同,继续执行。

(2)提取数据包中的路由表RTs、位置坐标(Xs,Ys)、和数据包的发送地址字段的值ADDRs。

(3)向设备运动系统发送移动命令，促使设备向位置(Xs,Ys)移动。

(4)当移动完成后，开启辅助转发模块，将路由转发表RTs与地址ADDRs提交给辅助转发模块。

设备A的处理流程如下：

(1)提取数据包执行位置调度的设备地址ADDRd。ADDRd与自身地址ADDRa不相同

将TIMERa归零，停止计时，不执行任何操作。

设备E的处理流程如下：

(2)提取数据包执行位置调度的设备地址ADDRd。ADDRd与自身地址ADDRe不相同

将TIMERe归零，停止计时，不执行任何操作。

t5时刻设备D上的辅助转发模块接收到位置调度应答模块提交的路由转发表RTs和故障地址ADDRs。先将转发表RTs与自身的转发表合并，再监听网络中的数据包，若数据包的接收地址为ADDRs,则将其交由路由系统转发。

对于图4(a)所示的网络，若不采用本系统，设备S发生失效后，网络产生隔离如图4(b)所示，完全失去通信能力。而采用本系统后，设备S发生失效后，系统将网络贡献度小的设备D移动到设备S所在的位置，并接替设备S完成数据包转发任务，网络设备位置状况如图4(c)所示。此时，由于设备D接替设备S完成数据包转发，故设备E和设备A之间的通信链路不变，通信不中断，网络传输稳定；设备E和A仍能够和D通信，不受设备失效的影响，网络仍处于连通状态。

通过实施例2可以看出，本系统能够在设备失效的情况下，利用贡献度小的设备的位置移动，及时对网络的连通性进行修复，减小网络通信中断时间，平稳网络传输量，且无中心设备，不以专门的网络修复机器人为基础，不需要复杂通信，具有通用性强、耗能低的特点。

Claims (1)

1.一种无线自组织网络的连通性修复方法，多个可移动设备组成无线自组织网络，其特征在于：每个可移动设备上均设置有转发表维护模块、位置调度请求模块、位置调度应答模块和辅助转发模块；转发表维护模块用于维护设备的数据包转发统计表，数据包转发统计表用于反映设备对网络的贡献度，转发表维护模块嵌在设备的路由系统中、监测设备路由系统，路由系统每转发一个数据包，转发表维护模块就记录下该数据包的上一跳地址和下一跳地址，并调用转发表维护算法，修改数据包转发统计表相应位置的统计值；位置调度请求模块用于处理设备提交的失效请求，并处理网络中的位置调度应答数据包；位置调度应答模块用于处理网络中失效设备的位置调度请求，并完成设备位置调度操作；辅助转发模块用于替代失效设备进行数据包转发；

位置调度请求模块处理设备提交的失效请求，通过如下方法实现，

设备即将停止工作时，通过接口向该设备的位置调度请求模块发送请求，位置调度请求模块接收请求后，将自身的数据包转发统计表、自身的位置坐标和自身的网络地址封装到位置调度请求数据包中，以广播的方式发送给网络中所有的邻居设备，提出位置调度请求；位置调度应答模块处理网络中失效设备的位置调度请求，通过如下方法实现，

步骤1.1：提取位置调度请求数据包中的数据包转发统计表、位置坐标和网络地址；

步骤1.2：根据步骤1.1取得的数据包转发统计表、网络地址和自身的数据包转发统计表以及自身的网络地址，计算应答延时；

步骤1.3：根据步骤1.1取得的位置坐标和自身位置坐标、自身平均移动速度，计算移动延时；

步骤1.4：设置发送位置调度应答数据包的延期时间，开启应答延时计时器，当计时到步骤1.2得到的应答延时后，将步骤1.3取得的移动延时、自身的网络地址封装到位置调度应答数据包中，向位置调度请求数据包中的网络地址发送；

位置调度请求模块处理网络中的位置调度应答数据包，通过如下方法实现，

当位置调度请求模块首次接收到网络中邻居设备发送的位置调度应答数据包后，

步骤2.1：提取位置调度应答数据包中的移动延时和网络地址，将该网络地址作为执行位置调度设备的网络地址；

步骤2.2：将自身的路由表、自身的位置坐标、自身的网络地址即失效设备的网络地址和步骤2.1中取得的执行位置调度设备的网络地址，封装到位置调度完成数据包中,然后以广播的方式发送给网络中所有的邻居设备；

步骤2.3：开启移动延时计时器,当计时到步骤2.1取得的移动时延后，停止设备路由系统的转发功能；

若位置调度请求模块再次接收到其它邻居设备的位置调度应答数据包，则直接丢掉该数据包，不做任何处理；

位置调度应答模块完成设备位置调度操作，通过如下方法实现，

位置调度应答模块在接收到网络中失效设备发送的位置调度完成数据包后，

步骤3.1：提取位置调度完成数据包中的执行位置调度设备的网络地址，若取得的该网络地址和自身网络地址不同，则将应答延时计时器归零，停止计时，不执行任何操作；否则继续执行；

步骤3.2：提取位置调度完成数据包中的路由表、位置坐标和失效设备网络地址；

步骤3.3：向设备运动系统发送移动命令，促使设备向步骤3.2中取得的位置坐标移动；

步骤4.4：当设备移动完成后，开启辅助转发模块，将步骤3.2中取得的路由表与失效设备网络地址提交给辅助转发模块；

辅助转发模块替代失效设备进行数据包转发，通过如下方法实现，

辅助转发模块接收到位置调度应答模块提交的路由表和失效设备网络地址后，先将路由表与自身的路由表合并，再监听网络中的数据包，若数据包的接收地址为失效设备网络地址，则将其交由路由系统转发。