CN104010289A - 一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，为hello包广播周期更新方法，是收到邻居节点发送的hello包后计算出网络中邻居集合的稳定性，其中各个节点获取前一时刻的邻居节点集合的稳定性信息，对当前时刻和以前时刻的稳定性进行加权平均，计算节点的加权邻居节点集稳定性，并通过排队模型分析出当前网络的延时，根据节点的加权邻居节点集稳定性值或当前网络的延时来调整hello包广播周期。将网络邻居集合稳定性、简化的延时算法和hello包广播周期结合起来进行优化，融合了邻居稳定性、延时和广播机制的特点，有效的降低了广播开销，最大程度的维护了网络的稳定性和通信性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法。
背景技术
在无线自组网中，路由协议必须要能够适应无线自组网拓扑快速变化的特点，特别是现在车联网的提出，要实现车与车之间组网通信，就必须要针对网络拓扑快速变化设计适用的路由协议，为移动节点提供及时准确的路由信息，同时又应最大限度的减少控制分组开销以提高网络性能。路由协议一直是无线自组网研究的重要技术之一。
AODV（Ad hoc On Demand Distance Vector， Ad Hoc按需距离矢量）是无线自组织网络中经典的按需路由协议，它根据数据通信需要动态地维护路由表，每个移动节点只建立和维护自身所需目的节点的路由，而不是维护自己到网络中全部节点的路由，这样很大程度降低了网络通信的开销。在源节点需要发送数据给目的节点，而此时在源节点的路由表中又没有到达目的节点的路由，源节点才会发起路由请求广播RREQ，中间节点若有到达目的节点的路由则回复该路由请求，往源节点广播RREP，否则继续转发RREQ，记录源节点并建立反向路由，这样到达目的节点或到达有到目的节点路由的中间节点时，回复的RREP就可以沿着反向路由一直传回源节点，至此路由发现完成。在网络中，所有节点都通过广播hello包来发现邻居节点，在AODV协议中，hello包的广播周期是固定的，这就意味着在网络拓扑变化快的无线自组织网络中，hello包往往不能及时维护邻居列表而导致通信失败，而在相对稳定网络拓扑中，太过频繁的hello包广播又是不必要的浪费，所以根据当前网络稳定性信息而动态调整hello包广播周期的广播机制是一种有效的策略。
无线自组网络稳定性通过在一个时间段内邻居节点集合的变化来描述，这与以往采用一些辅助通信设备GPS定位系统或跨层设计路由的思想不同，前者需要考虑硬件的支持，后者则通过底层协议获取信号强度以获取节点稳定性，难以及时有效的获取网络节点的稳定性也不适合于动态拓扑快速变化的网络。随着NCR的提出，可以脱离上述两种方式的束缚。在获取稳定性信息后，无线路由协议就根据当前的节点动态变化程度，动态的选择一个合适的hello广播周期，并进行hello包广播，以便下一次使网络中各节点能获取在该hello包广播周期的效用下的网络稳定性信息，并做出调整。
在采用系数加权平均的改进NCR邻居变化率计算如下，对于节点i，设定 个相邻的广播时段作为邻居集的观测时段，这样在时刻t的是指到t止时间间隔为的邻居节点变化率，即；最近的k个值都要缓存在节点的链表中，对当前时刻和k-1个历史时刻的进行加权平均值为：
用加权平均后得到的更能全面的反映网络的稳定性，避免了某段时间随机出现的剧烈变化影响后续稳定性计算值的偏差，加权平均后可改善算法的稳定。值越大表明网络中邻居节点拓扑结构越稳固，反之说明邻居节点动态性很强，拓扑变化越剧烈。
Aodv协议中hello包是以固定周期发送的，一般以1s为周期，在带有捎带机制的AODV协议中，若在hello包发送周期内广播了其他控制包，就取消该周期hello包的广播。后者确实相对于前者改善了网络中广播包的开销，但是固定周期的发送控制包并没有最大限度利用这些广播的控制包，在网络拓扑变化剧烈的网络场景，这两种广播机制都是不能实时反映网络邻居拓扑；而在网络拓扑相对稳定的网络场景，过于频繁的hello包广播，反而会造成网络资源浪费。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，能有效利用广播包，提高灵活性，为无线路由协议提供一种实现低开销、低时延的实时有效的广播机制。
本发明的技术方案为：
一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，为hello包广播周期更新方法，包括：
收到邻居节点发送的hello包后计算出网络中邻居集合的稳定性，这个过程是各个节点获取前一时刻的邻居节点集合的稳定性信息，然后对当前时刻和前一时刻的稳定性进行加权，计算出节点的加权邻居节点集稳定性，并根据排队论中的M/D/1排队模型计算当前网络的延时，根据节点的加权邻居节点集稳定性值或当前网络的延时来调整hello包广播周期。
其中稳定性值为1说明邻居节点集不变，网络稳定邻居节点集不变，则此时相应增大hello包广播周期；稳定性值越小说明邻居节点离开或进入广播域越频繁；根据稳定性值的大小，相应调整hello包广播周期。网络延时大说明网络冲突严重，则应相应增大hello包的广播周期，减轻网络负载；否则说明网络可以支持更大的吞吐量，允许在有需要的情况下减少hello包的广播周期。
所述hello包广播周期更新方法具体为：
1）以初始广播周期广播hello包；
2）计算邻居集稳定性的加权平均值；
各节点获取网络的链路情况，网络中每个节点保存个最近的相邻广播周期时段的邻居节点集稳定性值，；以及对应本次观测时段内的hello包广播周期，其中，代表最近的个相邻广播时段；计算当前时刻邻居集变化率，在当前时刻对于节点，以个相邻的广播时段作为邻居集的观测时段，即在时间段内出现过的邻居节点就是邻居集，计算出在观测时段内邻居集稳定性，其中为节点当前时刻的hello包发送周期；
3）计算当前时刻的节点的延时；
设网络中的节点都为坚持的CSMA/CA系统，每一空闲时隙节点以概率进行数据包发送，该节点的邻居节点数为，数据包到达队列的平均速率为，离开队列的平均速率为，在整个通信阶段节点的平均输出速率应该等于其到达速率，令为节点发送数据包的发送时间，则长时间观察每个节点占用信道的时间为，令为节点在任一时隙观察到信道空闲的概率，假设网络极度不饱和且没有冲突发生，则有；
同时也表示在一个给定时隙节点可以通信的概率，因此对于一个非空队列的节点，在任一时隙的发送概率是，则平均服务速率为；
令代表节点中队列的利用率，由M/D/1排队模型计算出排队时延和平均服务时间；
；
；
则计算出节点的总时延，
；
4）计算出下一次观测周期内的hello包广播周期值；根据优化函数的值，得出下一次观测周期内hello包的广播周期，记节点i第n次观测周期[,]内广播hello包的周期为，第n-1次观测周期[,]内广播hello包的周期为，采用以下两种优化方案：
41）采用邻居集合稳定性优化hello包周期；
；（1）
；（2）
其中和为常数因子，取值时可针对网络中队稳定性的要求来选择，对邻居集合稳定性要求越高越小，越大；
42）采用网络延时优化hello包周期；
；（3）
；（4）
其中为常数因子，为延时的容限值；
5）按照步骤4）计算所得的周期值广播hello包，然后重新跳到步骤2），并在下一个观测周期获得此广播周期下的链路状态，计算出下一次观测周期内的hello包的广播周期，以此反复。
其中步骤1）初始广播的周期为1S、2S或3S。
所述步骤2）中的为当前时刻和个历史时刻的加权平均值。
所述步骤2）中的为3-5。
步骤2）各节点获取网络的链路情况，网络中每个节点保存k个相邻时段的邻居节点集稳定性值，以及对应本次观测时段内的hello包广播周期；计算当前时刻邻居集变化率，对于节点i，设定个相邻的广播时段作为邻居集的观测时段，即在时间段内出现过的邻居节点就是邻居集，这样在时刻t的是指到t为止时间间隔为的邻居节点变化率，即；时刻其实就是，是指当前时刻的上一次hello包广播的时刻，而就是上一次的hello包广播周期值；最近的相邻k个值都要缓存在节点的链表中，对当前时刻和k-1个历史时刻的进行加权平均值为：
在步骤3）中的假设网络是轻负载且极度非饱和的，即数据包不存在冲突而导致丢包，所有到达队列的数据包都会被成功发送出去。
在节点通信的过程中，其他控制包的广播速率以此时hello包交互得到的广播速率为准。
本发明的有益效果：本发明简化的延时算法和hello包广播周期结合起来进行优化，融合了邻居稳定性、延时和广播机制的特点，从而有效的降低了广播开销，也最大程度的维护了网络的稳定性和通信性能。本方法可应用于车载短距离无线通信系统等典型的无线自组网。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为Hello包广播时刻t和广播时间间隔T之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的解释；
如图1所示，一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，为hello包广播周期更新方法，包括：
收到邻居节点发送的hello包后计算出网络中邻居集合的稳定性，这个过程是各个节点获取前一时刻的邻居节点集合的稳定性信息，然后对当前时刻和前一时刻的稳定性进行加权，计算出节点的加权邻居节点集稳定性和当前网络的延时，根据节点的加权邻居节点集稳定性值或当前当前网络的延时来调整hello包广播周期。
其中稳定性值为1说明邻居节点集不变，说明网络稳定邻居节点集不变，则此时相应增大hello包广播周期；稳定性值越小说明邻居节点离开或进入广播域越频繁；根据稳定性值的大小，相应调整hello包广播周期。网络延时大说明网络冲突严重，则应相应增大hello包的广播周期，减轻网络负载；否则说明网络可以支持更大的吞吐量，允许在有需要的情况下减少hello包的广播周期。
所述hello包广播周期更新方法具体为：
1）运行无线路由程序，并以初始广播周期为1S广播hello包；
2）计算邻居集稳定性的加权平均值；
各节点获取网络的链路情况，网络中每个节点保存k个相连时段的邻居节点集稳定性值，以及对应本次观测时段内的hello包广播周期；Hello包广播时刻t和广播时间间隔T之间的关系如图2所示，计算当前时刻邻居集变化率，对于节点i，设定个相邻的广播时段作为邻居集的观测时段，即在时间段内出现过的邻居节点就是邻居集，这样在时刻t的是指到t为止时间间隔为的邻居节点变化率，即；时刻其实就是，是指当前时刻的上一次hello包广播的时刻，而就是上一次的hello包广播周期值；最近的相邻k个值都要缓存在节点的链表中，并依次覆盖更新缓存列表中最老的邻居稳定性信息，只保留最近的，然后对当前时刻和k-1个历史时刻的进行加权平均值为：
3）计算出下一次观测周期内的hello包广播周期值；根据优化函数的值，得出下一次观测周期内hello包的广播周期，记节点i第n次观测周期[,]内广播hello包的周期为，第n-1次观测周期[,]内广播hello包的周期为，采用以下两种优化方案：
31）采用邻居集合稳定性优化hello包周期；
；（1）
；（2）
其中和为常数因子，取值时可针对网络中队稳定性的要求来选择，对邻居集合稳定性要求越高越小，越大；
将hello包广播周期更新为；并判断是否需要计算当前时刻节点i的数据包发送的延时值，若需要则进行步骤4）否则转到步骤5）；
4）计算当前时刻的节点i的延时；
设网络中的节点都为坚持的CSMA/CA系统，每一空闲时隙节点以概率进行数据包发送，该节点的邻居节点数为n，数据包到达队列的平均速率为，离开队列的平均速率为，在整个通信阶段节点的平均输出速率应该等于其到达速率，令为节点发送数据包的发送时间，则长时间观察每个节点占用信道的时间为，令为节点在任一时隙观察到信道空闲的概率，假设网络极度不饱和且没有冲突发生，则有；
同时也表示在一个给定时隙节点可以通信的概率，因此对于一个非空队列的节点，在任一时隙的发送概率是，则平均服务速率为；
令代表节点中队列的利用率，由M/D/1排队模型计算出排队时延和平均服务时间；
；
；
则计算出节点的总时延，
；
41）采用网络延时优化hello包周期；
；（3）
；（4）
其中为常数因子，为延时的容限值；
5）按照步骤3）或步骤4）计算所得的周期值广播hello包，然后重新跳到步骤2），并在下一个观测周期获得此广播周期下的链路状态，计算出下一次观测周期内的hello包的广播周期，以此反复。
在步骤3）中的假设网络是轻负载且极度非饱和的，即数据包不存在冲突而导致丢包，所有到达队列的数据包都会被成功发送出去。
Claims (5)
1.一种无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，其特征在于为hello包广播周期更新方法，包括：
收到邻居节点发送的hello包后计算出网络中邻居集合的稳定性，这个过程是各个节点获取前一时刻的邻居节点集合的稳定性信息，然后对当前时刻和前一时刻的稳定性进行加权，计算出节点的加权邻居节点集稳定性，并根据排队论中的M/D/1排队模型计算当前网络的延时，根据节点的加权邻居节点集稳定性值或当前网络的延时来调整hello包广播周期。
2.根据权利要求1所述的无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，其特征在于所述hello包广播周期更新方法具体为：
1）以初始广播周期广播hello包；
2）计算邻居集稳定性的加权平均值；
各节点获取网络的链路情况，网络中每个节点保存 个最近的相邻广播周期时段的邻居节点集稳定性值，；以及对应本次观测时段内的hello包广播周期，其中，代表最近的个相邻广播时段；计算当前时刻邻居集变化率，在当前时刻对于节点，以个相邻的广播时段作为邻居集的观测时段，即在时间段内出现过的邻居节点就是邻居集，计算出在观测时段内邻居集稳定性，其中为节点当前时刻的hello包发送周期；
3）计算当前时刻的节点的延时；
设网络中的节点都为坚持的CSMA/CA系统，每一空闲时隙节点以概率进行数据包发送，该节点的邻居节点数为，数据包到达队列的平均速率为，离开队列的平均速率为，在整个通信阶段节点的平均输出速率应该等于其到达速率，令为节点发送数据包的发送时间，则长时间观察每个节点占用信道的时间为，令为节点在任一时隙观察到信道空闲的概率，假设网络极度不饱和且没有冲突发生，则有；
同时也表示在一个给定时隙节点可以通信的概率，因此对于一个非空队列的节点，在任一时隙的发送概率是，则平均服务速率为；
令代表节点中队列的利用率，由M/D/1排队模型计算出排队时延和平均服务时间；
；
；
则计算出节点的总时延，
；
4）计算出下一次观测周期内的hello包广播周期值；根据优化函数的值，得出下一次观测周期内hello包的广播周期，记节点i第n次观测周期[,]内广播hello包的周期为，第n-1次观测周期[,]内广播hello包的周期为，采用以下两种优化方案：
41）采用邻居集合稳定性优化hello包周期；
；（1）
；（2）
其中和为常数因子，取值时可针对网络中队稳定性的要求来选择，对邻居集合稳定性要求越高越小，越大；
42）采用网络延时优化hello包周期；
；（3）
；（4）
其中为常数因子，为延时的容限值；
5）按照步骤4）计算所得的周期值广播hello包，然后重新跳到步骤2），并在下一个观测周期获得此广播周期下的链路状态，计算出下一次观测周期内的hello包的广播周期，以此反复。
3.根据权利要求2所述的无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，其特征在于步骤1）初始广播的周期为1S、2S或3S。
4.根据权利要求3所述的无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，其特征在于所述所述步骤2）中的为当前时刻和个历史时刻的加权平均值。
5.根据权利要求4所述的无线自组网邻居节点相互发现的通信方法，其特征在于所述步骤2）中的为3-5。
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