CN103957571A - 一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,旨在借助历史记录定向和概率转发相结合的思想降低网络的路由开销。该算法通过建立基于布朗运动的移动网络模型,发现和总结与目标节点相遇过的中间节点的分布规律;根据此分布规律和网络环境设计中间节点转发概率的计算公式;依据转发概率决定中间节点是否参与转发,由此建立源节点到目标节点的路由。本发明的路由算法在定向广播的基础上降低了参与转发的中间节点的密度,简单低耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信网络领域的路由发现方法,具体地说,涉及一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法。
背景技术
移动Ad hoc网络由配备无线收发装置的移动节点组成,网络无需任何基础设施,每个节点即是主机又是路由器,可在任何时候和任何地点快速组网进行通信。因此,移动Ad hoc网络广泛应用到众多领域中,如军事战场、商业应用、个人通信等。
由于Ad hoc网络的拓扑具有动态变化的特性,所以路由协议的设计成为移动Ad hoc网络急需研究的关键技术之一。Ad hoc网络的路由协议分为两部分:表驱动式路由协议和按需式路由协议。相比于表驱动式路由协议,按需式路由协议仅在需要发送数据时建立从源节点到目标节点的路由,为网络节省了大量的开销。
按需式路由协议中传统的广播算法以洪泛最为常见。由于无需获知网络拓扑信息和简单易操作等特性,洪泛算法在路由发现的过程中得到了广泛应用,但是大量数据包的冗余、碰撞和拥塞容易导致广播风暴问题。为避免广播风暴的产生,大量改进协议采用局部路由发现的方法,将路由查找限制在有限区域内。
近年来,为进一步降低移动Ad hoc网络的路由开销,局部路由发现算法的设计备受关注。部分协议借用GPS、智能天线等定位或者定向设备,将查找域限制在朝向目标的定向范围内,但需要外部设备辅助,不具有普适性。1999年,S.Y.Ni等学者(S.Y.Ni,Y.C.Tseng,Y.S.Chen,and J.P.Sheu.The broadcast storm problem in a mobile ad hoc network.In Proc.fifth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking,1999:151–162.)首次提出将gossip思想应用到Ad hoc网络路由解决广播风暴问题,也就是中间节点根据某一个概率决定是否参与转发。之后,Sasson等研究者(Sasson Y,Cavin D,Schiper A.Probabilistic broadcast for flooding in wireless mobile ad hoc networks[C]//Wireless Communications and Networking,2003.WCNC2003.2003IEEE.IEEE,2003,2:1124-1130.)通过相变和扩散的理论证明了存在一个概率P<1,能够保证网络中的任何一个节点都能收到请求包,也就是证明了概率转发算法的可行性。概率转发算法大大降低了网络的路由开销,但是路由发现过程不具有方向性。2003年,Henri等学者(Dubois-Ferriere H,Grossglauser M,Vetterli M.Age matters:efficient route discovery in mobile ad hoc networks using encounter ages[C]//Proceedings of the4th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking&computing.ACM,2003:257-266.)提出了FRESH协议,以相遇时间为线索,通过寻找与目标节点相遇时间更近的中间节点实现对目标节点的模拟定位,解决了借助外部辅助设备的问题,实验结果显示,此协议简单有效并且降低了路由开销,但局部范围内仍然存在不必要的转发。2008年Roberto Beraldi(Beraldi R.The polarized gossip protocol for path discovery in MANETs[J].Ad Hoc Networks,2008,6(1):79-91.)提出了双概率转发的方法,利用历史记录确定不同的区域并采用不同的转发概率进行转发,为路由算法的改进开拓了新的思路。
现有Ad hoc网络相关历史记录和概率转发的路由算法都不同程度的降低了路由开销,但鲜有算法关注与目标节点相遇过的中间节点的分布状况。因此,为了进一步降低网络路由开销,充分挖掘与目标节点相遇过的中间节点的分布信息成为本发明的出发点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种结合相遇时间和概率转发的基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,减少参与转发的中间节点个数,降低网络路由开销。
为了解决上述技术问题,本发明的方案包括如下步骤:
步骤1、网络开始启动时,每个节点建立一个与网络中其他节点的相遇时间记录表,即ET表,ET表包含EID和Etime两个字段,其中,EID字段表示相遇节点的ID,Etime字段表示两个节点相遇时的时间,且是最新的相遇时间;
步骤2、在源节点发起路由查找时,首先查找路由表中是否存在到目标节点的路由。如果源节点存在到目标节点的路由存在,直接发送数据。如果不存在,遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若存在,在请求报文RREQ的保留字段中做标注,并添加一个字段存储与目标节点的相遇时间;
若不存在,也在请求报文RREQ的保留字段中做标注,说明不存在相遇记录;
步骤3、中间节点收到RREQ请求报文,首先确认自己是否就是目标节点或者路由表中存在到目标节点足够新的路由。如果当前节点满足上述条件中的任何一个,发送RREP至源节点,路由建立。如果当前节点对于上述两个条件都不满足,进一步查看保留字段以确认源节点与目标节点是否相遇过。倘若源节点与目标节点相遇过,则执行步骤4,否则中间节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若不存在,通过传统的固定概率转发方法转发此请求报文;
若存在,通过基于布朗运动的概率公式(简记为BP公式)计算转发概率来决定是否 转发此请求报文,并在转发报文时将当前节点与目标节点的相遇时间添加到此报文中,BP公式根据基于布朗运动建立的网络模型推导出的与目标节点相遇过的中间节点的分布规律设计而来;
步骤4、中间节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若不存在,丢弃此RREQ请求报文;
若存在,比较当前节点的相遇时间与RREQ请求报文中的相遇时间,如果当前节点与目标节点的相遇时间更近,通过BP公式计算转发概率来决定是否转发此请求报文,并在转发报文时将当前节点与目标节点的相遇时间添加到此报文中;如果RREQ请求报文中的相遇时间更近,则丢弃此请求报文;
步骤5、当RREQ转发到目标节点或者有到目标节点足够新路由的中间节点时,目标节点或者此中间节点发送RREP至源节点,从而建立源节点到目标节点的路由。
所述步骤1中与目标节点相遇过的中间节点随着相遇时间的变长最终呈均匀分布,不再具有像中间节点靠拢的趋势,故ET表中每条记录的生命周期为T,且在中间节点每次遍历ET表时顺便清除过期的信息记录,无需周期性更新。
所述步骤2中源节点要在报文中标记是否与目标节点相遇过,且在后续步骤3、4中中间节点根据源节点是否与目标节点相遇过选择不同操作,原因在于如果两者相遇过,源节点在目标节点近处的概率大,附近与目标节点相遇过的中间节点多,故借助部分这些中间节点即可;如果两者不曾相遇过,难以预测目标节点的远近和附近相遇过的中间节点的分布状况,故还需借助其他中间节点。
所述步骤3中网路模型为:将在液体表面做布朗运动的悬浮颗粒类比为Ad hoc网络中的移动节点,假定目标节点在液体表面的中间位置,首先将n1个颗粒放在目标节点的周围,分析并得出其随时间变化的概率密度函数,即与目标节点在同一时间段相遇过的中间节点的分布变化情况,然后每隔一段时间Δt放入一定数量为N的颗粒,分析并得出所有颗粒随时间变化的概率密度函数,即所有与目标节点相遇过的中间节点的分布变化情况。
所述步骤3中分布规律为:
(1)与目标节点在同一时间段相遇过的中间节点的概率密度函数为正态分布函数,即成钟形曲线,越靠近目标节点的地方中间节点的个数越多,密度越大,且随着时间的变化,中间节点的分布逐渐趋于均匀化;
(2)与目标节点分别在不同时间段相遇过的中间节点呈现向目标节点靠拢的趋势,越靠近目标节点中间节点的个数越多,密度越大,且越靠近目标节点,相遇时间近的中间节点的个数越多。
所述步骤1中,当前节点收到其他节点发送的RREQ、RREP、RRER和HELLO报文中任何一种时,说明发送报文的节点在当前节点的通信范围内,即为两节点相遇,当前节点可在收到的报文中提取发送节点的ID信息和当前的时间信息记录到ET表中。
所述步骤3中基于布朗运动的概率转发公式为:当前节点ET表中记录的与目标节点,相遇的时间为te,当前时间为tn,则相遇时间差为Δt=tn-te,k为与网络节点的平均分布密度和平均移动速度相关的可变参数,α除了与网络节点的平均分布密度和平均移动速度相关外,同时要根据路由建立的成功率做自适应的调整,成功率低就增大α,反之减小α。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明将经典的布朗运动理论引入移动Ad Hoc网络,建立基于布朗运动的网络模型。
(2)在建立基于布朗运动的网络模型基础上,分析与目标节点相遇过的中间节点的分布情况,并得出分布规律。
(3)根据与目标节点相遇过的中间节点的分布规律,设计中间节点的转发概率公式。
该路由协议在保证较高封包率的基础上降低了网络的路由开销,减少了数据包发生碰撞的可能性,同时为移动终端节省了能量。
说明书附图
图1为本发明中两节点相遇过程示意图
图2为本发明中与目标节点具有不同相遇时间的中间节点概率密度分布函数曲线图。
图3为本发明的ET表及相关操作示意图。
图4为本发明所述与目标节点相遇过的中间节点分布示意图。
图5为本发明的源节点操作流程图。
图6为本发明的中间节点操作流程图。
具体实施方式
结合说明书附图,对本发明的具体实施方式作详细阐述。
1.建立网路模型并得出分布规律
移动Ad Hoc网络中的节点以任意方向和任意速度做无规则运动,与悬浮在液体表面做布朗运动的颗粒有着相似的特点,可以把悬浮颗粒类比为Ad hoc网络中带有无线首发装置 的移动节点。因此,将布朗运动引入移动Ad Hoc网络建立基于布朗运动的网络模型。
(1)同一时间段相遇节点的分布
假定存在一个足够大的容器且目标节点在液体表面的中间位置x=0处。在t=0时刻将n个颗粒集中投放在x=0位置处,两节点的相遇过程见图1,故这些颗粒是目标节点正在相遇的邻居节点,分析并得出其随时间变化的概率密度函数,即与目标节点在同一时间段相遇过的中间节点的分布变化情况。由爱因斯坦的扩散方程解得概率分布函数f(x,t)为
其中,t是扩散时间。D是扩散系数,与液体的温度、粘滞系数和悬浮粒子的半径有关,代表粒子的扩散能力,在移动Ad Hoc网络中代表节点的移动能力,与节点的分布密度和移动速度相关,不同场景下取值不同。
由式(1)得f(x,t)呈正态分布,如图2所示。越接近x=0处,节点分布的概率越大,节点的个数越多,分布密度越大;越远离x=0处,节点分布的概率越小,节点个数越少,分布密度越小。随着扩散时间的变长,分布曲线逐渐变平滑,分布概率差异变小,节点分布越来越均匀。因此,为了利用相遇过的中间节点向目标节点靠拢的趋势,相遇记录的生命周期限定为T。
由此可得与目标节点在同一时间段相遇过的中间节点的分布规律:概率密度函数为正态分布函数,即成钟形曲线,越靠近目标节点的地方中间节点的个数越多,节点密度越大,且随着时间的变化,中间节点的分布逐渐趋于均匀化;
(2)不同时间段相遇节点的分布
由于节点的移动性,目标节点周围的邻居节点是交替更换的,所以每隔一段时间Δt在液体表面投放数量为nj的悬浮粒子,分析在不同时间与目标节点相遇过的中间节点的概率密度分布函数,即所有与目标节点相遇过的中间节点的分布变化情况。
对(1)式在x=0处进行泰勒展开得
被投放的nj个悬浮粒子的概率分布函数如式(3)所示。tj是投放的nj个悬浮粒子的扩散时间,即节点与目标节点相遇后的时间。
将不同时刻投放的不同数目的悬浮粒子的概率分布函数进行叠加,有限时间段T内共投放s次悬浮粒子,如式(4)所示。
由式(4)可知,x越小,值越大,x越大,值越小,即越靠近目标节点,与之相遇过的中间节点个数越多,见图4。假设每次投放的悬浮粒子个数相同,则在距目标节点相同距离处,相遇时间近的节点个数大于相遇时间远的节点个数。
由此可得与目标节点相遇过的中间节点的分布规律:概率密度函数曲线类似钟形曲线,相遇过的中间节点呈现向目标节点靠拢的趋势,越靠近目标节点中间节点的个数越多,且越靠近目标节点,相遇时间近的中间节点的个数越多。
如果f(x,tj)是相互独立的,呈正态分布。如果f(x,tj)不是相互独立的, 曲线类似于钟形曲线。网络节点的个数N和扩散因子D是常数,且假设节点的移动距离为节点平均移动速度V与移动时间t的乘积,则简化为
节点分布的概率密度越大,为降低路由损耗转发概率就越小,因此设计BP公式与 呈现相反的形式,如下所示:
当前节点ET表中记录的与目标节点相遇的时间为te,当前时间为tn,则相遇时间差为Δt=tn-te,k和α为与网络节点的平均分布密度和平均移动速度相关的可变参数,其中,α同时要根据路由建立的成功率做自适应的调整,成功率下降,α增大,成功率一直保持不变,α减小。
2.设计路由算法
(1)网络监听:网络开始启动时,每个节点建立一个与网络中其他节点的相遇时间记录表,即ET表。如图3所示,ET表包含EID和Etime两个字段,其中,EID字段表示相遇节点的ID,Etime字段表示两个节点相遇时的时间,且是最新的相遇时间;
一个节点进入另一个节点的通信范围,称之为两节点相遇。在路由的过程中,最直观的体现就是能够接收到一跳邻居节点发送的报文。如果当前节点收到RREQ、RREP、RRER和HELLO报文中任何一种时,说明上一跳节点在当前节点的直接通信范围内,即两节点正在相遇,当前节点可在收到的报文中提取发送节点的ID信息和当前的时间信息记录到ET表中。如果此时相遇的节点是首次相遇,直接在ET表中插入节点的ID和相遇时间信息,如果不是首次相遇,更新ET表中的相遇时间信息。因此,在无需进行周期性查询的情况下完成相遇节点的信息记录,降低了网络开销,减少了数据报文碰撞的可能性。
(2)源节点的操作:在源节点发起路由查找时,首先查看路由表中是否存在到目标节点的路由,如果存在,说明源节点与目标节点刚刚通信过,使用现有的路由发送数据即可。如果路由表中不存在此路由,源节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录。若存在,在请求报文RREQ的保留字段中做标注,说明发起路由查找的源节点与目标节点相遇过,并添加一个字段存储与目标节点的相遇时间;若不存在,也在请求报文RREQ的保留字段中做标注,说明源节点与目标节点不曾相遇过。完成以上操作后,广播RREQ报文,流程图见图5。
(3)中间节点的操作:中间节点收到RREQ请求报文后,首先查看自己是否为目标节点或者路由表中有到目标节点足够新的路由。如果满足上述条件中任何一个,向源节点发送RREP回复报文,路由建立,开始发送数据。如果都不满足,查看RREQ报文保留字段。若保留字段中标明源节点与目标节点没有相遇过,则中间节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若不存在与目标节点的相遇记录,选择固定概率来决定是否转发此请求报文;
若存在与目标节点的相遇记录,将相遇时间信息代入BP公式计算转发概率,通过此概率来决定是否转发此请求报文,并在转发报文时将当前节点与目标节点的相遇时间添加到报文中,便于下一跳节点寻找与目标节点相遇时间更近的中间节点。
如果保留字段中标明源节点与目标节点相遇过,说明目标节点距离源节点不远,根据上述所得与目标节点相遇过的中间节点分布规律可知,源节点的附近存在与目标节点相遇时间更近的中间节点,则中间节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若不存在与目标节点的相遇记录,丢弃此RREQ请求报文;
若存在与目标节点的相遇记录,但RREQ请求报文中的相遇时间比当前节点的相遇 时间更近,丢弃此请求报文;
若存在与目标节点的相遇记录,且当前节点的相遇时间比RREQ请求报文中的相遇时间更近,将当前节点的相遇时间信息代入BP公式计算转发概率,通过此概率来决定是否转发此请求报文,并在转发报文时将当前节点与目标节点的相遇时间添加到报文中。
中间节点的操作过程见图6.
(4)停止条件:当RREQ报文转发到目标节点或者有到目标节点足够新的路由时,目标节点或者此中间节点发送RREP回复至源节点,从而建立源节点到目标节点的路由。
如果第一遍路由查找失败,那么在之后的路由查找时启动洪泛算法。
Claims (8)
1.一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、网络开始启动时,每个节点建立一个与网络中其他节点的相遇时间记录表,即ET表。一个节点进入另一个节点的通信范围,称为两节点相遇。ET表包含EID和Etime两个字段,其中,EID字段表示相遇节点的ID,Etime字段表示两个节点相遇的时间,且是最新的相遇时间;
步骤2、源节点发起路由查找时,首先查找路由表中是否存在到目标节点的路由。如果源节点存在到目标节点的路由存在,直接发送数据。如果不存在,遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若存在,在请求报文RREQ的保留字段中做标注,并添加一个字段存储与目标节点的相遇时间;
若不存在,也在请求报文RREQ的保留字段中做标注,说明不存在相遇记录;
步骤3、中间节点收到RREQ请求报文,首先确认自己是否就是目标节点或者路由表中存在到目标节点足够新的路由。如果当前节点满足上述条件中的任何一个,发送RREP至源节点,路由建立。如果当前节点对于上述两个条件都不满足,进一步查看保留字段以确认源节点与目标节点是否相遇过。倘若源节点与目标节点相遇过,则执行步骤4,否则中间节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若不存在,通过传统的固定概率转发方法转发此请求报文;
若存在,通过基于布朗运动的概率公式(简记为BP公式)计算转发概率来决定是否转发此请求报文,并在转发报文时将当前节点与目标节点的相遇时间添加到此报文中,BP公式根据基于布朗运动建立的网络模型推导出的与目标节点相遇过的中间节点的分布规律设计而来;
步骤4、中间节点遍历自己的ET表确认是否存在与目标节点的相遇记录:
若不存在,丢弃此RREQ请求报文;
若存在,比较当前节点的相遇时间与RREQ请求报文中的相遇时间,如果当前节点与目标节点的相遇时间更近,通过BP公式计算转发概率来决定是否转发此请求报文,并在转发报文时将当前节点与目标节点的相遇时间添加到此报文中;如果RREQ请求报文中的相遇时间更近,则丢弃此请求报文;
步骤5、当RREQ转发到目标节点或者有到目标节点足够路由的中间节点时,目标节点或者此中间节点发送RREP至源节点,从而建立源节点到目标节点的路由。
2.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于:在步骤1中所述时间记录表,即ET表,包含EID和Etime两个字段,其中,EID字段表示相遇节点的ID,Etime字段表示两个节点相遇的时间,且是最新的相遇时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于:当前节点收到其他节点发送的RREQ、RREP、RRER和HELLO报文中任何一种时,说明发送报文的节点在当前节点的通信范围内,即为两节点相遇,当前节点可在收到的报文中提取发送节点的ID信息和当前的时间信息记录到步骤1所述的ET表中。
4.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于,在步骤3中所述网路模型为:将在液体表面做布朗运动的悬浮颗粒类比为Ad hoc网络中的移动节点,假定目标节点在液体表面的中间位置,首先将n1个颗粒放在目标节点的周围,分析并得出其随时间变化的概率密度函数,即与目标节点在同一时间段相遇过的中间节点的分布变化情况,然后每隔一段时间Δt放入数量为N的颗粒,分析并得出所有颗粒随时间变化的概率密度函数,即所有与目标节点相遇过的中间节点的分布变化情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于,在步骤3中所述分布规律为:
(1)与目标节点在同一时间段相遇过的中间节点的概率密度函数为正态分布函数,即成钟形曲线,越靠近目标节点的地方中间节点的个数越多,密度越大且随着时间的变化,中间节点的分布逐渐趋于均匀化;
(2)与目标节点分别在不同时间段相遇过的中间节点呈现向目标节点靠拢的趋势,越靠近目标节点中间节点的个数越多,且越靠近目标节点,相遇时间近的中间节点的个数越多。
6.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于:步骤3中所述固定概率转发的方法也可换成其他已有的合适的方法。
7.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于:当前节点ET表中记录的与目标节点,相遇的时间为te,当前时间为tn,则相遇时间差为Δt=tn-te,所述BP公式为:k为与网络节点的平均分布密度和平均移动速度相关的可变参数,α除了与网络节点的平均分布密度和平均移动速度相关外,同时要根据路由建立的成功率做自适应的调整,成功率低就增大α,成功率一直保持较高水平就减小α。
8.根据权利要求1所述的一种基于布朗运动的Ad hoc网络路由发现方法,其特征在于:与目标节点相遇过的中间节点随着相遇时间的变长最终呈均匀分布,不再具有像中间节点靠拢的趋势,故ET表中每条记录的生命周期为T,且在中间节点每次遍历ET表时顺便清除过期的信息记录,无需周期性更新。
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