CN104581817A - 一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，在节点选择下一跳时，实时更新网络权重，比较所有邻居节点到达目的节点的权重之和最小路径，概率性的选取其中一个邻居作为下一跳节点。本发明不但可以非常有效地选择能量较多的节点传输数据，而且还可以平衡路径长度与传输代价之间的关系，分散节点传输负荷，延长网络整体工作时间。

Description

一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域中移动自组织网络技术，特别是涉及一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法。

背景技术

移动自组织网络无需大量部署基础设施，满足偏远地区通信、紧急事件通信、军事通信，以及其他一些特殊通信的需求，其技术特点解决了目前主流无线通信网络存在的问题，推进了普适计算的进程。移动自组织网络是一种带有动态拓扑、多跳及点对点特性的分布式移动通信网络。移动自组织网络的一个明显特点是它不借助于任何预先部署的基础设施便可完成网络的构建，其构建成本较低，适合于大多数场景使用。在网络中，移动节点可以自组织的形成网络拓扑，并互相传输数据。移动自组织网络的通讯节点一般有手机、笔记本电脑、智能终端、个人数字助理(PDA)、无线传感器、车载(舰载、机载)计算机等。这些设备大多体积较小、重量较轻，便于携带，因此可以自由加入或退出网络。移动自组织网络的自组织特点可以接受设备随时接入网络，这使得网络具有较灵活的组网机制，可以应对多种服务需求。此外，移动自组织网络还拥有较好的抗攻击能力，在实际应用中表现了很强的鲁棒性。以上这些特点决定了移动自组织网络可以使用在许多没有蜂窝系统覆盖的场景中。

从上面的分析可以看出网络的拓扑演进及控制、传输路由策略的制定、链路利用率的提高是移动自组织网络中较为关键的技术问题。为了解决这些问题，近年来在移动自组织网络的研究领域中，研究者们从网络拓扑结构的演进规律、高效率路由策略，以及提高链路利用率等方面做出了不懈的努力，也提出了许多较有成效的理论和应用方法。例如在拓扑结构方面提出了层次形分簇拓扑，在路由协议方面提出了动态源路由协议、按需平面距离矢量路由协议和全局最短路径协议等等，在对链路利用率的研究中提出了HELLO报文机制、黑名单机制等。这些研究成果的提出有力地解决了网络中存在的一些问题，改善了网络性能。

学界对于网络的认识是一个由简单到复杂的过程。在早期的研究中，通常将网络抽象为二元网络进行研究。近年来，随着对现实网络研究的深入，越来越多的成果表明用二元网络来模拟现实网络无法达到真实体现网络特性的目的，如二元网络不能表现网络连边关系的紧密程度等。为了更精细的刻画真实网络，加权的概念被引入进来，网络可以用权值的不同来区别节点或者连边的作用不同。

目前的研究中，应用较多的加权方法有两种，一种是静态赋权方法，另一种是动态赋权方法。静态赋权方法是当网络的形成趋向稳定、拓扑结构已无明显变化时，根据网络的某一特性定义边的权重，并给出节点权重，最终形成带有权重的网络结构。动态赋权方法可以描述为根据网络的某一时变的特征，随网络的运行而不断调整边和节点权重的赋权方法。静态加权方法一旦完成加权，网络权重便不再改变，而动态加权方法可以在网络不断变化时动态调整节点或者连边的权重。显然，静态赋权方法无法对移动自组织网络的动态性质进行真实刻画。而现有的动态加权路由也只是在路由建立之前动态确定网络中节点或链接的权重，一旦路由建立完成后，传输任务均将根据此路由发送数据包，不会更改路由路径。此种路由的缺点在于：

1、由于权重较大的节点将承担较多的传输任务，因此此类节点的能耗较高，易出现因剩余能量不足而退出网络的现象，严重影响路由的存在时间，较低传输效率。

2、由于某些HUB节点的存在，大量数据包将通过HUB节点传输，但HUB节点的传输能力有限，因此网络容易发生拥塞。

3、相对静态的路由路径使得一部分节点服务时间缩短，破坏网络的稳定拓扑结构，导致网络经常进行拓扑重组，降低网络的鲁棒性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，解决了节点传输均衡性和延长网络运行时间等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，包括以下步骤：

(1)根据混合加权模型，网络为连边分配权重；

(2)待发数据节点查找所有邻居节点到达目的节点路径，并获得连边权重；

(3)计算每条路径的权值和，得到k条最短加权路径，其中，k为邻居节点的总数；

(4)在k条最短加权路径中执行局部搜索，确定下一条的邻居节点。

所述步骤(1)中的混合加权模型根据节点能量的消耗程度和链路距离进行构建。

所述混合加权模型定义为其中，为互为邻居的节点i和节点j的能量消耗程度权重关系，将定义为其中，E'表示节点已消耗的能量；分子E′_i×E'_j代表由节点i和节点j构成的连边ij的能量消耗程度关系，分母表示网络中所有连边的平均能量消耗程度关系；为以节点i和节点j形成的连边ij的距离权重，将定义为其中，分子d_ij表示连边距离ij的距离，分母表示网络中所有连边的平均距离；N是网络的节点总数；Φ_p是与节点p有连接的所有节点的集合；M为网络中的连边总数；γ为可调参数。

所述步骤(3)中最短加权路径为邻居节点到目的节点的所有路径中的权重值之和最小的路径。

所述步骤(4)中以概率执行局部搜索，确定下一条的邻居节点，其中，α＞0，为可调参数，L_j为节点j到目的节点的所有路径中权值之和最小的路径的权值，L_s为节点i的第s个邻接节点到目的节点的所有路径中权值之和最小的路径的权值。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明以局部搜索和全局信息相结合的方式进行寻路，以节点能量和链路距离作为边权重，以相异权为权重定义方法，建立一种适用于移动自组织网络的动态最短路径加权路由机制。通过全动态加权方式在数据传输时可以根据网络实时情况更新网络权重，避免由于某些热点节点转发过多数据包，造成能量下降过快，而过早退出服务，影响网络的鲁棒性，本发明的方法综合了两种搜索方式的优点，避免大量数据包沿同一条路径传输造成的数据拥塞，并且在寻路过程中可根据网络情况和路由目的调整节点消耗能量程度和链路距离的比例关系，从而更好的保证系统路由效果。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是自组织网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，该方法适用于移动自组织网络中。当网络拓扑结构建立完成后，为节点和连边计算初始权重，之后进入到数据传输阶段。在每一个时间步，网络中产生R个数据包，这R个数据包随机选取S个源节点，进入源节点的发送队列，每个源节点都存在一个固定的目的节点D与之对应。网络中每个节点的队列长度没有限制，可以存储无限个待发送的数据包。每个节点在每一时步可以发送C个数据包，这代表了节点的发送能力，规定所有节点的发送能力相同。动态最短路径加权路由机制的寻路过程如下：

1、权重分配。在每一时步为网络为所有连边进行加权。连边的权重值按照混合加权模型取得。

根据背景技术可以得出移动自组织网络中节点的能量消耗程度和节点间链路距离是非常重要的两个网络特征，因此本方法将根据节点能量的消耗程度和链路距离构建混合的加权模型，为网络加权。

本加权模型采用典型的移动自组织网络拓扑结构。为方便描述，假设网络的拓扑完成建立之后，再依据加权模型对网络进行赋权。在实际应用中，由于本加权模型在网络运行的每一时步都更新网络的权重状态，因此网络拓扑的改变不会影响网络中节点和连边权重值的准确性。

本混合加权模型定义如下：

$w_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\γw}}_{\mathrm{ij}}^E+(1-\mathrm{\γ})w_{\mathrm{ij}}^d---\left(1\right)$

式中，为互为邻居的节点i和节点j的能量消耗程度权重关系，将定义为：

$w_{\mathrm{ij}}^E=\frac{E_i^{\′}\×E_j^{\′}}{\frac{1}{2M}\underset{p\∈N}{\mathrm{\Σ}}\underset{q\∈{\mathrm{\Φ}}_p}{\mathrm{\Σ}}{E}_p^{\′}\×E_q^{\′}}---\left(2\right)$

其中，E'表示节点已消耗的能量。以分子E′_i×E'_j代表由节点i和节点j构成的连边ij的能量消耗程度关系，分母表示网络中所有连边的平均能量消耗程度关系。N是网络的节点总数。Φ_p是与节点p有连接的所有节点的集合。M为网络中的连边总数。从的定义可以看出，当连边两端的节点能量消耗较大时，权重也较大；而当连边两端的节点能量消耗较小时，权重也较小。需要说明的是，这里采用节点已消耗能量来定义权重是考虑到利用相异权重方法为连边赋权的需要。当然如果将E'替换成1-E的形式(E为节点剩余能量)，效果相同。

为以节点i和节点j形成的连边ij的距离权重，将定义为：

$w_{\mathrm{ij}}^d=\frac{d_{\mathrm{ij}}}{\frac{1}{2M}\underset{p\∈N}{\mathrm{\Σ}}\underset{q\∈{\mathrm{\Φ}}_p}{\mathrm{\Σ}}{d}_{\mathrm{pq}}}---\left(3\right)$

与式(2)相类似，式(3)的分子d_ij表示连边ij的距离，分母表示网络中所有连边的平均距离，N是网络的节点总数。Φ_p是与节点p有连接的所有节点的集合。M为网络中的连边总数。

在式(1)中，γ为可调参数，可以通过调节γ来平衡能量消耗程度和链路距离之间的权重比例。

2、当节点i有数据包要发送时，首先检查数据包的目的节点ID。如果目的节点是自己的邻居，则直接将数据包发送给目的节点。

3、如果数据包的目的节点不是节点i的邻居，节点i查找所有邻居节点到达目的节点的路径，并通过网络为连边赋予的权值得到这些路径上所有连边的权重。

4、节点i根据路径上的边权值，计算每条路径的权值之和，并选出邻居节点j到目的节点的所有路径中的权重值之和最小的那条，即最短加权路径。若节点i有k个邻居，则取得k条最短加权路径。最短加权路径的数学表达形式如下：

$L_j=L\left(p_l(j,D)\right)=\min \left\{\underset{x=j}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{x(x+1)}\right\}---\left(4\right)$

其中，节点j为节点i的邻居，L_j为节点j到目的节点D的所有路径中权值之和最小的路径l的权值。如果某个邻居节点存在不止一条权值和最小的路径，则从中随机选取一条。

5、节点i根据邻居节点到数据包的目的节点的最短路径权值，以式(5)概率地执行局部搜索，确定下一跳邻居节点，并将数据包转发出去：

${\mathrm{\Π}}_j=\frac{{(1/L_j)}^{\mathrm{\α}}}{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{(1/L_s)}^{\mathrm{\α}}}---\left(5\right)$

其中，L_j为节点j到目的节点的所有路径中权值之和最小的路径的权值，L_s为节点i的第s个邻接节点到目的节点的所有路径中权值之和最小的路径的权值，由于本方法根据最短路径选取下一跳节点，因此这里设可调参数α＞0。

6、在下一个时间步，网络将根据式(1)重新计算网络中的边权值，并回到第一步，为数据包查找下一跳路由。直到数据包被发送至目的节点。在传送过程中如果在同一个时步中，节点发送的数据包有多个属于同一目的节点，那么不执行多次寻找下一跳的工作，而是按照第一次查询的结果，将后面的数据包发送至相同的下一跳节点。

当数据包根据路由规则发送至目的节点后，将由目的节点把数据包移出网络。在节点中等待发送的数据包将按照先进先出(FIFO)的规则按次序发出。在网络中所有的节点均可以产生、转发和移除数据包，也就是说所有节点既是主机又是路由器，并且既可以是源节点又可以是目的节点。

下面以一个具体的实施例进一步说明本发明。

图2为20终端的同构自组织网络拓扑图。该网络中的所有节点的覆盖范围和传输能力相同。在本实施例中将采用本发明提出的动态最短路径加权路由方法，由节点S向节点D发送数据。

权重分配阶段：

1、网络拓扑结构完成构建，节点保存全网邻接关系表，如表1。

表1

2、根据式(1)每条链路两端的节点协商完成链路权重计算，并存储权重结果。由于移动自组织网络的节点状况随时间变化，因此每个时间周期更新并存储一次权重结果。

3、当某一节点退出网络，其邻接节点删除与之相连的所有链接信息。

数据转发路由过程：

1、当节点S有数据包要发送时，首先检查数据包的目的节点ID。如果目的节点是G、L、Q、R其中的任意一个，则直接将数据包发送给目的节点。

2、如果数据包的目的节点不是节点S的邻接节点，节点S查找全网邻接关系表，计算节点G、L、Q、R到达目的节点D的路径，并通过网络为连边赋予的权值得到这些路径上所有连边的权重。

3、节点S根据路径上的边权值，计算每条路径的权值之和，并选出邻居节点到目的节点的所有路径中的权重值之和最小的那条路径。在此过程中由于考虑了沿途节点的转发能力和能量情况等因素，因此选出的路径将是一条最优路径。

4、节点S根据邻居节点到数据包的目的节点的最短路径权值，以式(5)概率地执行局部搜索，确定下一跳邻居节点，并将数据包转发出去。在本例中，设路径S-G-B-C-I-K-D的权重和最小，那么G被选中作为下一跳的可能性最大。根据式(5)，G被选为数据传输的下一跳，那么节点S将把M个数据包发送到节点G。至此，一个周期结束。

6、在下一个时间步，网络将根据式(1)重新计算网络中的边权值，并回到第一步，节点G为数据包查找下一跳路由，并发送数据给下一跳节点，直到数据包被发送至目的节点。在传送过程中如果在同一个时步中，节点发送的数据包有多个属于同一目的节点，那么不执行多次寻找下一跳的工作，而是按照第一次查询的结果，将后面的数据包发送至相同的下一跳节点。

当数据包根据路由规则发送至目的节点后，将由目的节点把数据包移出网络。在节点中等待发送的数据包将按照先进先出(FIFO)的规则按次序发出。在网络中所有的节点均可以产生、转发和移除数据包，也就是说所有节点既是主机又是路由器，并且既可以是源节点又可以是目的节点。

不难发现，本发明以局部搜索和全局信息相结合的方式进行寻路，以节点能量和链路距离作为边权重，以相异权为权重定义方法，建立一种适用于移动自组织网络的动态最短路径加权路由机制。通过全动态加权方式在数据传输时可以根据网络实时情况更新网络权重，避免由于某些热点节点转发过多数据包，造成能量下降过快，而过早退出服务，影响网络的鲁棒性，本发明的方法综合了两种搜索方式的优点，避免大量数据包沿同一条路径传输造成的数据拥塞，并且在寻路过程中可根据网络情况和路由目的调整节点消耗能量程度和链路距离的比例关系，从而更好的保证系统路由效果。

Claims (5)

1.一种移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据混合加权模型，网络为连边分配权重；

(2)待发数据节点查找所有邻居节点到达目的节点路径，并获得连边权重；

(3)计算每条路径的权值和，得到k条最短加权路径，其中，k为邻居节点的总数；

(4)在k条最短加权路径中执行局部搜索，确定下一条的邻居节点。

2.根据权利要求1所述的移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，其特征在于，所述步骤(1)中的混合加权模型根据节点能量的消耗程度和链路距离进行构建。

3.根据权利要求2所述的移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，其特征在于，所述混合加权模型定义为其中，为互为邻居的节点i和节点j的能量消耗程度权重关系，将定义为其中，E'表示节点已消耗的能量；分子E'_i×E'_j代表由节点i和节点j构成的连边ij的能量消耗程度关系，分母表示网络中所有连边的平均能量消耗程度关系；为以节点i和节点j形成的连边ij的距离权重，将定义为其中，分子d_ij表示连边距离ij的距离，分母表示网络中所有连边的平均距离；N是网络的节点总数；Φ_p是与节点p有连接的所有节点的集合；M为网络中的连边总数；γ为可调参数。

4.根据权利要求1所述的移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，其特征在于，所述步骤(3)中最短加权路径为邻居节点到目的节点的所有路径中的权重值之和最小的路径。

5.根据权利要求1所述的移动自组织网络中动态最短路径加权路由方法，其特征在于，所述步骤(4)中以概率执行局部搜索，确定下一条的邻居节点，其中，α＞0，为可调参数，L_j为节点j到目的节点的所有路径中权值之和最小的路径的权值，L_s为节点i的第s个邻接节点到目的节点的所有路径中权值之和最小的路径的权值。