CN103945488A - 基于地理位置的网络社区构建方法及网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于地理位置的网络社区构建方法及网络节点，能够增强网络可扩展性，提高通信质量。固定节点设置在特定地理位置，所述方法包括：所述固定节点记录特定时间内遇到的移动节点；所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。

Description

基于地理位置的网络社区构建方法及网络节点

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于地理位置的网络社区构建方法及网络节点。

背景技术

具有全网连通的特点的传统无线自组网络早已逐渐渗入人们的工作生活中，但对于野生动物跟踪研究以及偏远山区通信等实际应用场景，通信节点移动性较强、节点稀疏、障碍物或射频关闭造成信号衰减等多种原因使得时常发生无线网络分裂和连接中断导致网络大多数时候不能连通，同时，随着物联网的广泛兴起，某些场景下需要非全连通网络能够提供成本较低、部署快捷的通信服务。这时，机会网络作为极端条件下自组织网络的发展演进技术应运而生。机会网络的概念来自于容迟网络(DTN)，它利用节点移动形成的通信机会逐跳传输消息，以“存储-携带-转发”的路由模式实现节点间通信，它不要求网络的全连通，更适合实际的自组网需求,且对于实现未来普适计算具有重大影响。

目前，复杂网络对社区结构划分的算法的研究取得了一系列的研究成果。但这些划分方式需要收集网络中节点的所有信息并整理后，按照某一标准进行统一的社区划分。由于机会网络中，节点的兴趣和社会角色会随时间、地点发生改变，上述传统的用聚合的网络数据分析机会网络会丢失网络变化中所包含的重要信息，影响通信质量。

发明内容

本发明实施例提供一种基于地理位置的网络社区构建方法及网络节点，能够增强网络可扩展性，提高通信质量。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种基于地理位置的网络社区构建方法，所述固定节点设置在特定位置，所述方法包括：

所述固定节点记录特定时间内遇到的移动节点；

例如，所述固定节点维护移动节点列表，所述移动节点列表记录遇到的移动节点。

所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。

可选的，还包括：

所述固定节点检测所述社区中移动节点与所述固定节点的通信连接，将所述社区中大于第二预设时间内未与所述固定节点通信连接的移动节点移除所述社区。

可选的，所述固定节点生成自身的编码，用于标识所述固定节点的位置。

可选的，所述固定节点根据时间为所述社区中的每个移动节点分配对应的节点编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区。

可选的，所述每个移动节点分配对应的节点编码包含所述固定节点的编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区形成的地理位置。

可选的，所述固定节点接收所述社区中移动节点发送的消息，确定所述消息的目的移动节点，当所述目的移动节点接入所述社区后，向所述目的移动节点发送所述消息。

一种网络节点，所述固定节点设置在特定位置，所述方法包括：

记录模块，用于记录特定时间内遇到的移动节点；

管理模块，用于所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。

可选的，所述管理模块还用于，所述固定节点检测所述社区中移动节点与所述固定节点的通信连接，将所述社区中大于第二预设时间内未与所述固定节点通信连接的移动节点移除所述社区。

可选的，所述管理模块还用于，为所述社区中的每个移动节点分配对应的节点编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区，所述每个移动节点分配对应的节点编码包含所述固定节点的编码。

可选的，所述管理模块还用于，所述固定节点接收所述社区中移动节点发送的消息，确定所述消息的目的移动节点，当所述目的移动节点接入所述社区后，向所述目的移动节点发送所述消息。

基于上述技术方案，固定节点收集附近移动节点的信息，记录特定时间内遇到的移动节点，固定节点检测到固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。能够增强社区可扩展性，提高通信质量，

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于地理位置的网络社区构建方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种地理社区编码的分层机会网络结构示意图；

图3为本发明实施例提供的地理识别算法流程图；

图4为本发明实施例提供的社区标识算法流程图；

图5为本发明实施例提供的一种网络节点的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

机会网络的出现提供了容延容断网络的通信解决方案。机会网络的核心思想是“存储-携带-转发”，即利用节点移动带来的相遇机会进行通信，机会网络不要求网络的全连通，更适合实际的自组网需求，且对于实现未来普适计算具有重大影响。由于机会网络中节点存储和能量等的有限性，当网络规模增大，网络负载增加时，网络性能将急剧地下降。

网络架构对网络的性能有很大的影响。根据网络的特点，识别网络结构建立合理的网络架构，将直接影响网络通信的性能，对于设计适合于网络特点的路由具有极其关键的作用，同时，也为解决机会网络的可扩展性问题提供了思路。因此，在对网络结构识别的基础上，建立分层的机会网络架构具有非常大的理论意义和应用价值。由人所携带的手持设备形成的机会网络，映射出人们的社会关系，具有社区结构，有效的把握网络的地理社区结构有助于优化网络性能，进而提高网络中传输数据高效性。

由人所携带的设备组成的机会网络是具有社区特性的机会网络，而这种网络中社区和地理位置具有强关联性。地理社区既指具有某一兴趣共性的节点集合，又指它们经常连通彼此的地理位置。地理社区具有社会和地理双重特性。识别地理社区，有助于更好的把握社区与社区、社区与地理位置之间的关系。

为了不依赖于GPS等定位系统进行地理社区的识别，同时结合地理社区形成位置大多为节点经常聚集的热点区域，并考虑网络的可扩展性，在网络中引入静态簇节点并设置在热点区域，不仅可以对地理社区进行识别，而且能够协助管理本地节点及数据。在此基础上，形成的分层机会网络，能够有效提高网络可扩展性，降低节点存储压力，增强网络通信能力。

在识别出机会网络中的地理社区基础上，从社区关系、地理位置及时间三个维度考虑，通过对地理社区及静态簇节点编码，建立基于社区识别的分层机会网络架构。

由于社区机会网络具有社会网络和机会网络的双重特性，既具有社会网络的社区结构，又具有机会网络的地理相关性与时变性。而现有研究大多关注社会网络的概念机社区识别算法在机会网络中的应用，而对机会网络的地理相关性和时变性关注较少，考虑的也不够全面。目前，还从未出现将社会关系、地理、时间三个维度综合考虑的网络架构方面的研究。为建立这样较为全面的社区机会网络架构，结合社区机会网络的特点，首先以社区识别作为切入点进行研究，再逐渐深入、全面的建立分层机会网络架构。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于地理位置的网络社区构建方法，所述固定节点设置在特定位置，所述方法包括：

11、所述固定节点记录特定时间内遇到的移动节点；

12、所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。

地理社区既指具有某一兴趣共性的节点集合，又指它们经常连通彼此的地理位置。地理社区具有社会和地理双重特性。识别地理社区，有助于更好的把握社区与社区、社区与地理位置之间的关系。

地理社区具有社会和地理双重特性。现有的机会网络分布式社区识别算法在检测时仅考虑了社会的属性，即检测出稳态社区的方法永远保持所有相遇节点的记忆，这些算法无法捕捉用户所属社区的动态演化，也忽略了地理位置信息。

可选的，还包括：

所述固定节点检测所述社区中移动节点与所述固定节点的通信连接，将所述社区中大于第二预设时间内未与所述固定节点通信连接的移动节点移除所述社区。

可选的，所述固定节点生成自身的编码，用于标识所述固定节点的位置。

可选的，所述固定节点根据时间为所述社区中的每个移动节点分配对应的节点编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区。

所述固定节点动态的识别出了网络中的地理社区，即获取了某一社区在某段时间在某一地点聚集的信息。本实施例利用这些信息，分清网络层次，简化网络结构，建立网络架构。

本实施例中根据网络特点，为简化网络结构，在静态簇节点识别出地理社区的基础上，对静态簇节点和地理社区进行编码，建立分层机会网络的架构。

地理社区编码表（GCC）举例如下：

地理社区编码	离开时间Pt	访问次数Pf
			00010001	100s	6
00020010	10000s	9

可选的，所述每个移动节点分配对应的节点编码包含所述固定节点的编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区形成的地理位置。

本实施例中，所述固定节点维护下列信息：时间窗口内相遇的移动节点列表及Estimated△T，节点的熟知集F₀，检测到的局部社区C₀。

可选的，所述固定节点接收所述社区中移动节点发送的消息，确定所述消息的目的移动节点，当所述目的移动节点接入所述社区后，向所述目的移动节点发送所述消息。

本发明实施例的方法，固定节点收集附近移动节点的信息，记录特定时间内遇到的移动节点，固定节点检测到固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。能够增强网络可扩展性，提高通信质量。

本发明考虑基于地理社区识别的分层机会网络架构。

因此，本发明主要围绕地理社区识别算法和分层机会网络架构。具体方案如下：

本发明实施例采用地理社区识别算法，算法中出现术语的定义如下。

熟知集(Familiar set)：对于网络中的每个节点，联接持续时间相对较长的所有节点组成的集合。当一个顶点的联接持续时间Estimated△T超过Eth时，把这个节点加入它的熟知集F。节点计算与每个熟悉集中节点在每个时间窗口的相遇时间长度（Sample△T）。在时隙结束时，将之前的估计值与新样值加权求和，更新Estimated△T。计算公式如下所示：

EstimatedΔT_new=αEstimatedΔT_old+（1-α）SampleΔT    公式一

局部社区(Local Community)：一个顶点的局部社区定义为C，包括熟知集中的所有节点和通过社区检测算法选出的所有节点。

静态簇节点：在此网络模型下，静态簇节点是设立在固定的热点场所或者环境中的静态基础设施。各静态簇节点需要维护下列信息：时间窗口内相遇的移动节点列表及Estimated△T，自身的熟知集F_0i，检测到的局部社区C_0i，其作用如下：

（1）设置在热点区域，能够与较多的移动节点相遇；

（2）连通时间域。对于在不同时间内到达同一热点的节点，可通过设置在此热点区域内的静态簇节点转交信息，仿佛它们能够直接相遇；

（3）动态识别地理社区，将社区与地理位置相结合，并可对本地社区内的节点进行管理。

普通节点：普通节点就是由人所携带的手持设备，存储能力有限，即是数据的产生者，又是数据的使用者。普通节点需维护维护在过去的时间窗口内，节点间连接的时间估计值Estimated△T信息，以及在与节点相遇时彼此交互并最新的熟悉集，并维护更新自身所属的地理社区的列表。普通节点具有社区模型的特点，节点以较大的概率在所属社区内运动，以较小的概率漫游到其他社区。在社区内，节点的密度较大，相遇次数频繁，兴趣相似，数据传输较为频繁；在社区外，节点密度稀疏；往返于不同社区间的节点将数据存储后，从一个社区携带到另一个社区，成为了社区间通信的桥梁，实现了社区间的消息传输。

本发明实施例为本地社区中的每个节点设置一个定时器。当节点vi插入静态簇节点v_0i的本地社区C_0i时设置定时器，当发生以下条件时更新：

（1）v_0i直接与v_i相遇

（2）v_0i与v_j相遇，而v_i在v_j的本地社区中

当定时器过期时，将此过期节点及其连接从本地社区中移除。

本发明实施例在热点区域设置静态簇节点，本方案将分布式地理社区检测简化为以固定簇节点为视角检测，这样做的好处有：

（1）防止了同一社区内不同节点不同的局部社区检测视图。由静态簇节点检测本地社区，可收集到较为充足的节点信息，在本地进行类似集中式划分，可尽可能准确的识别暂态社区。

（2）将划分的关系社区与地理位置关联。静态簇节点作为地理标志，反应当下节点的位置信息，将时间、地点、关系三个角度综合考虑节点的相遇，能够更加有效的利用节点的相遇来传递信息。

如图2所示，本发明实施例采用地理社区编码的分层机会网络架构，根据网络特点，为充分把握某一社区在某段时间在某一地点聚集的信息，本方案在静态簇节点识别出地理社区的基础上，考虑时间、地点、关系三个维度，对时间进行离散处理，对划分出的各个时间段通过对静态簇节点和地理社区分别进行动态编码以建立独一无二的分层机会网络架构，简化网络结构。

1）网络管理层——静态簇节点编码（NCC）

在规模不大的机会网络中，采用4位二进制对所有静态簇节点进行编码（位数可根据网络规模进行调整），每个静态簇节点编码唯一，作为网络中的地理标识。

静态簇节点形成分层机会网络中的管理层，对机会网络中的地理社区进行识别并对其进行相应的编码，更新和维护所有在该地理位置形成的地理社区的信息，并对移动普通节点进行管理，必要时对信息进行存储和转发。

2）网络节点层——地理社区编码（GCC）

地理社区标示既要求体现地理位置信息，又要求体现节点间的社区特性，同时要考虑时间因素的影响。

对地理社区进行8位二进制编码，编码分为两个部分：

地理标识位：前4位为地理标识位，是其静态簇节点的编码，表示该地理社区形成的地理位置信息；

社区标识位：后4位（具体位数可根据网络规模进行调整）为社区标识位，根据时间动态编码，表示在不同时间形成的不同社区。

（1）静态簇节点发放地理社区编码

静态簇节点判定地理社区，并统一给普通节点发放地理社区编码，并对所有地理社区编码进行管理。

静态簇节点在划分出的时间窗口Q内识别出地理社区。对不同离散时间窗口内识别出的社区进行分析和比较，用以区分不同地理社区。有以下定义：

时间窗口：[c+(t-1)Q,c+tQ]，其中Q为持续时间，t为时间步数。

地理社区图：G_t=(V_t,E_t)在时间步数t相应时间窗口内社区所有相遇节点的快照。即表示在t表示的时间间隔中，由社区识别算法识别的社区节点间的连接图。

一个动态相遇图D=〈G₁,...,G_t〉是一系列地理社区图的时序性序列。

判别不同时间窗口t1和t2内的两个社区C_t1和C_t2的相似度的方式：

公式二      ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Jaccard}}=\frac{|C_{0\mathrm{it}1}\∩C_{0\mathrm{it}2}|}{|C_{0\mathrm{it}1}\∪C_{0\mathrm{it}2}|}$

C_0i是静态簇节点v_0i社区的成员集合，|C_0i|是集合C_0i的基，即社区中成员的个数。对不同离散时间窗口内识别出的地理社区进行分析和比较，若社区间相似度大于阈值σ_th，则认为两地理社区相似，同一地理社区重复出现，仅发放一个地理社区编码，不再重复编码。反之，则认为是相同地理位置不同时间段的两个不同地理社区，分别发放不同的地理社区编码。

（2）移动节点对地理社区编码排序

移动节点接收到静态簇节点发放的地理社区编码，由于一个移动节点可能属于多个地理社区，故可能接收多个地理社区编码。移动节点根据时间先后顺序P_t和访问次数P_f分别进行排序，越久没有到达的地理社区排名越靠后，越经常出现的地理社区排名越靠前。

如图3所示，本发明实施例识别地理社区时，地理社区识别算法流程图如下：

在开始识别地理社区C₀前，先初始化所有静态簇节点，即对于某静态簇节点v_0i，令；

S1：当v_0i遇到某移动节点v_i时，v_0i将从v_i获得F_i，（普通节点的局部社区即为节点的熟悉集）；

S2：用公式一计算并更新v_i的Estimated△T；

S3：如果v_i在C_0i中，转到S10；

S4：如果v_i在F_0i中，算法转到S8；

S5：如果Estimated△T小于阈值Eth时，算法转到S7；

S6：将v_i加入到F_0i，算法转到S8；

S7：如果|F_i∩C_0i|≤|F_i|×λ，算法转到S9；

S8：将v_i加入C_0i中，v_i更新所属地理社区列表，给v_i设置定时器，算法转到S10；

S9：v_i不被加入C_0i；

S10：静态簇节点将社区划分结果反馈给移动节点。

本发明实施例地理社区编码算法具体分为；地理标识位编码（前四位）和社区标识位编码（后四位），最后再将两部分组合成8位地理社区编码。

地理标识位编码，设本机会网络规模不大，采用4位二进制对所有静态簇节点进行编码（位数可根据网络规模进行调整），每个静态簇节点编码唯一。

社区标识位编码流程如图4所示。

S1：按计划将总时间划分为n个时间窗口，即t=1,2，…，n，假设此模型所分时间窗口数不多，n不大于16，即可用4位二进制表示n（位数可根据网络规模进行调整）；

S2：在每个时间步数t所对应的时间窗口内，用上述地理社区识别算法识别出静态簇节点v_0i的n个地理社区。

S3：按时间先后排列为C_0i1，C_0i2，C_0i3，…，C_0in，并分别为它们取标识名1,2,3，…，n；

S4：给参数k赋值1；

S5：给参数j赋值n；

S6：比较判别地理社区C_0ij和地理社区C_0i（j-k）的相似度，用公式二计算出σ_Jaccard；

S7：如果σ_Jaccard大于阈值σ_th，算法转到S10；

S8：如果k大于j-1，算法转到S11；

S9：将k的值改为k+1，算法转到S6；

S10：所有标识名为j的社区将其标识名改为j-k；

S11：将n的值改为n-1；

S12：如果n大于1，算法转到S5；

S13：用4位二进制给不同标识名的社区编写不同的社区标识位码（具体位数可根据网络规模进行调整），标识名相同的社区编码相同；

本发明实施例基于地理社区识别算法，考虑时间、地点、关系三个维度，提出基于地理社区识别的分层机会网络架构。本发明实施例所提算法中，提出一种地理社区的识别算法。首先在热点区域设置少量具有特殊功能和作用的静态簇节点，将这些静态簇节点作为地理位置的标记，然后以静态簇节点视角动态识别地理社区，同时引入了社区修剪策略，采用滑动窗口和定时机制来检测并删除过期节点及其连接，从而动态、有效的识别出网络中的地理社区。本发明实施例所提算法中，在地理社区识别和对地理社区编码的基础上，提出一种全新的网络架构。综合考虑时间、地点、关系三个维度，分别对静态簇节点和地理社区进行编码，通过编码来优化机会网络的架构，加深了对网络整体的认知，提高了网络可扩展性，完善了机会网络分层架构，有效解决了机会网络的通信瓶颈。

如图5所示，本发明实施例提供一种网络节点，所述固定节点设置在特定位置，所述方法包括：

记录模块51，用于记录特定时间内遇到的移动节点；

管理模块52，用于所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入网络。

可选的，所述管理模块52还用于，所述固定节点检测所述网络中移动节点与所述固定节点的通信连接，将所述网络中大于第二预设时间内未与所述固定节点通信连接的移动节点移除所述网络。

可选的，所述管理模块52还用于，为所述网络中的每个移动节点分配对应的节点编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区，所述每个移动节点分配对应的节点编码包含所述固定节点的编码。

可选的，所述管理模块52还用于，所述固定节点接收所述网络中移动节点发送的消息，确定所述消息的目的移动节点，当所述目的移动节点接入所述网络后，向所述目的移动节点发送所述消息。

本发明实施例的固定节点收集附近移动节点的信息，记录特定时间内遇到的移动节点，固定节点检测到固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入网络。能够增强网络可扩展性，提高通信质量。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于地理位置的网络社区构建方法，其特征在于，所述固定节点设置在特定位置，所述方法包括：

所述固定节点记录特定时间内遇到的移动节点；

所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

所述固定节点检测所述社区中移动节点与所述固定节点的通信连接，将所述社区中大于第二预设时间内未与所述固定节点通信连接的移动节点移除所述社区。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定节点生成自身的编码，用于标识所述固定节点的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固定节点根据时间为所述社区中的每个移动节点分配对应的节点编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述每个移动节点分配对应的节点编码包含所述固定节点的编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区形成的地理位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定节点接收所述社区中移动节点发送的消息，确定所述消息的目的移动节点，当所述目的移动节点接入所述社区后，向所述目的移动节点发送所述消息。

7.一种网络节点，其特征在于，所述固定节点设置在特定位置，所述方法包括：

记录模块，用于记录特定时间内遇到的移动节点；

管理模块，用于所述固定节点检测到所述固定节点与遇到的移动节点的连接时间大于第一预设时间，则所述固定节点将连接时间大于第一预设时间的移动节点加入社区。

8.根据权利要求7所述的网络节点，其特征在于，所述管理模块还用于，所述固定节点检测所述社区中移动节点与所述固定节点的通信连接，将所述社区中大于第二预设时间内未与所述固定节点通信连接的移动节点移除所述社区。

9.根据权利要求7所述的网络节点，其特征在于，所述管理模块还用于，为所述社区中的每个移动节点分配对应的节点编码，用于标识所述每个移动节点的地理社区，所述每个移动节点分配对应的节点编码包含所述固定节点的编码。

10.根据权利要求7所述的网络节点，其特征在于，所述管理模块还用于，所述固定节点接收所述社区中移动节点发送的消息，确定所述消息的目的移动节点，当所述目的移动节点接入所述社区后，向所述目的移动节点发送所述消息。