CN104602250A - 一种容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于容迟网络控制技术领域，具体涉及一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，用于有效部署辅助节点，以提高容迟网络的通信成功率。该方法包括：1、获取辅助节点容迟网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息；2、根据步骤一中所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围T内该网络的时空图；3、对步骤二中获得的时空图进行处理，获得时空图的子图；4、根据时空图对容迟网络中的辅助节点进行部署，使得容迟网络在规定时间内通信传输成功率最高。本发明使容迟网络在规定时间内数据包传输成功率最大化。

Description

一种容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法

技术领域

本发明属于容迟网络控制技术领域，具体涉及一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，用于有效部署辅助节点，以提高容迟网络的通信成功率。

背景技术

目前，容迟网络中连接状态的间断性使得网络中存在端到端不可达、大量传输延迟及拓扑结构不稳定的问题。同时，由于容迟网络中节点之间缺乏足够的连接机会，存在通信成功率较低的问题。解决上述问题的一种可行方法是添加辅助节点，以创造更多的连接机会。辅助节点通常具有体积小、供电有限、成本廉价、可通无线传输存储数据包的特点。辅助节点通常是静态的，可以在移动的普通节点之间利用存储转发方式传递数据包，即当两个普通节点在不同时间经过同一地点时，在该地点的辅助节点则将上一时刻普通节点的数据包传递给下一时刻的节点。

在部署了辅助节点的容迟网络中，需要解决的关键问题是如何确定辅助节点的部署位置，即给定一定数目潜在辅助节点的位置和辅助节点数目的上限，设计部署方案使得当前容迟网络通信成功率最大化。

目前，在无线网络领域中关于中继节点部署的研究日趋成熟，然而，上述解决方案无法适用于具有节点移动和拓扑时变性的容迟网络。仅存的关于容迟网络辅助节点部署方案的研究着重于无线网络中网络整体吞吐量的问题，而本专利要解决问题侧重于提高容迟网络的通信可靠性。

发明内容

本发明的目的是提出一种有效确定辅助节点部署位置的解决方案使得容迟网络中辅助节点在节点数量一定情况下网络通信成功率最大化。本方法尤其适用于大规模、环境复杂、辅助节点有限以及网络连接状态可预测的容迟网络。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，包括以下步骤：

步骤一、获取部署辅助节点的容迟网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息。所述工作状态信息包括节点在各时间段内不同节点之间的通信关系以及通信成功率。

具体的但不限于此：将所述规定时间范围T划分成连续时间段集合，T＝{0,1,…,t}，其中t为整数，代表时间片段；V_user表示网络节点集合，数目为n个，V_throwboxes为辅助节点的集合，数目为m个。同一时间片段内任意两个节点间的通信连接对应的通信成功率可以通过预估方式的得到。

步骤二、根据步骤一所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围T内该网络的时空图。

具体的但不限于此：首先，令G^t＝(V^t，Ｅ^t)表示某时间段t内容迟网络的通信关系图。其中，边表示和在时间段t内所有边的集合，i、j为整数，V^t代表时间片t内所有无线节点的集合。通过这种方式，最终得到规定时间范围T内，容迟网络通信关系图集合{G^t|t＝0，1，...，T}。

然后，将集合{G^t|t＝0，1，...，T}转换为时空图。表示一个时空图，包含了节点的时间和通信状态信息。同时，添加两个虚拟节点分别表示整个时间范围的开始和结束时刻的状态。

步骤三、对步骤二获得的时空图进行处理，获得时空图的子图。其中，子图要满足以下要求：在规定时间范围T内，图中任意两个节点间至少存在一条有向路径；并保证整个时空图整体通信成功率最大(即数据在该时间段的容迟网络中传递数据的成功率最大)。

具体的但不限于此：对时空图ζ的处理的过程(GrdDelTBs-R)如下：

1)，首先，令子图等于时空图

2)，设定计数器i＝1，然后根据给定的辅助节点限定数量k，进行如下操作；

3)，如果i>m-k，转步骤6)，否则转步骤4)；

4)，依次计算子图中每个辅助节点对的通信成功率的贡献值(即将该辅助节点从中删除前后的可靠性之差)；

5)，将贡献值最小的辅助节点从中删除，i增加1，转步骤3；

6)，返回子时空图。

步骤四、根据时空图对容迟网络中的辅助节点进行部署，使得容迟网络在规定时间内通信成功率最高。

具体设置过程为：将给定数量的辅助节点(k个)部署在中相应辅助节点对应的位置上。

本发明通过提出基于时空图的网络拓扑结构控制方法，对高传输延迟及低数据包传输成功率的容迟网络有效地部署辅助节点使得容迟网络在规定时间内数据包传输成功率最大化。通过特定的部署算法对时空图进行控制，根据得到的拓扑结构来选取辅助节点最终的部署位置，使得容迟网络在规定时间内通信成功率最高。

有益效果

本发明通过提出一种容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，即使得容迟网络在规定时间内添加最少的辅助接点，以达到网络的通信成功率阈值。

附图说明

图1为部署有2个辅助节点潜在位置的容迟网络在四个不同时间段的通信状态变化；

图2为根据图1所建立的时空图；

图3为部署一个辅助节点的容迟网络，见图中蓝色部分；

图4为本发明具体实施方式中对时空图的处理流程示意图；

图5与图6为GrdDelTBs-R在部署辅助节点提高容迟网络通信成功率上的体现。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明方法做进一步详细说明。

一种容迟网络中有效部署辅助节点的方法，对高传输延迟及低数据包传输成功率的容迟网络有效地部署辅助节点使得容迟网络在规定时间内数据包传输成功率最大化。为实现上述目的，本发明方法的具体实现过程包括以下步骤：

步骤一、获取部署辅助节点的容迟网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息。所述工作状态信息包括节点在各时间段内不同节点之间的通信关系以及通信成功率。

具体的，将所述规定时间范围T划分成连续时间段集合，T＝{0,1,…,t}，其中t为整数，代表时间段；V_user＝{v₁，...，v_n)表示网络节点集合，n为整数，V_throwboxes＝{v_n+1，...，v_n+m}为辅助节点的集合，m为整数。

同时，对于在某一时间段t内无线传感网络中任意一个通信连接 表示在时间段t，v_i节点到v_j节点通信成功率，该通信成功率可以通过预估方式的得到(i为整数，1≤i≤n)。

步骤二、根据步骤一所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围T内该网络的时空图。

首先，令G^t＝(V^t，E^t)表示某时间段t内容迟网络的通信关系图。其中，边表示和在时间段t内所有边的集合，i、j为整数，V^t代表时间片t内所有无线节点的集合。通过这种方式，最终得到规定时间范围T内，无线传感网络通信关系图集合{G^t|t＝0，1，...，T}。

然后，将集合{G^t|t＝0，1，...，T}转换为时空图。表示一个时空图，包含了节点的时间信息和通信状态信息。同时，添加两个虚拟节点和其中，用表示v_i在整个时间范围T的开始时刻的状态，用表示v_i在整个时间范围T的结束时刻的状态。在规定时间范围T内，时空图中任意一个节点对至少存在一条有向路径。

步骤三、对步骤二获得的时空图进行处理，获得时空图的子图。其中，子图要满足以下要求：在规定时间范围T内，图中任意一个节点对至少存在一条有向路径；并保证整个时空图整体可靠性最大(即数据在该时间段的容迟网络中传递数据的成功率最大)。

对时空图ζ的处理的过程(GrdDelTBs-R)如下：

1)，首先，令子图等于时空图；

2)，设定计数器i＝1，然后根据给定的辅助节点限定数量k，进行如下操作；

3)，如果i>m-k，转步骤6)，否则转步骤4)；

4)，依次计算子图中每个辅助节点对的通信成功率的贡献值(即将该辅助节点从中删除前后的可靠性之差)；

5)，将贡献值最小的辅助节点从中删除，i增加1，转步骤3；

6)，返回子时空图。

详细流程如图4所示。

步骤四、根据时空图对容迟网络中的辅助节点进行部署，使得容迟网络在规定时间内通信成功率最高。

具体设置过程为：将给定数量的辅助节点(k个)部署在中相应辅助节点对应的位置上。

为了测试本发明对容迟网络通信成功率的影响，在利用经典的随机模型生成的两个随机网络A与网络B，其中网络A布置了20个普通节点，给定10个潜在的辅助节点位置。网络B布置了50个普通节点，给定20个潜在的辅助节点位置。对于网络A限定辅助节点的数量分别为1，3，5，7，9，对于网络B限定辅助节点的数量分别为3，6，9，12，15。将测试范围分为10个时间段。随机网络生成模型以概率p在两个节点、之间添加连接，p可以控制网络的密度，p越大网络的密度越大，当p＝1.0时表示在每个时间段网络都是全连接的。根据生成的连续10个时间段的随机网络， 构建时空图。实验随机生成并构建了50个不同的时空图，在每个时空图上运行，实验所得结果为本发明在这50个时空图上运行结果的平均值。

实验设置时空图为本发明的输入，时空图为本发明的输出。表示节点u与节点v之间的通信路径，表示在中节点u与节点v之间的通信成功率最高的通信路径，其通信成功率为在该条路径上的所有通信连接的成功率之积，即；表示时空图的通信成功率，。

图5与图6分别为在网络A与B中，GrdDelTBs-R在不同限定数量(k)的辅助节点下的容迟网络的通信成功率变化曲线。图中横坐标为k(辅助节点的数量)，纵坐标为(通信成功率)。图5与6中的横线表示没有部署辅助节点网络的通信成功率分别为0.156和0.143。由图5可知，利用GrdDelTBs-R算法，当部署的辅助节点数量为1时，容迟网络的通信成功率达到0.24，而GrdDelTbs-Ra算法对应的成功率为0.22，并且随着部署辅助节点数量的不断增加，在GrdDelTBs-R算法或者GrdDelTbs-Ra算法对辅助节点的部署下，容迟网络的通信成功率不断提升，且GrdDelTB-s对应的通信成功率均比GrdDelTbs-Ra对应的通信成功率高0.03左右以上。当部署辅助节点的数量为5时，GrdDelTBs-R对应的容迟网络的通信成功率为0.57，而GrdDelTbs-Ra对应的容迟网络的通信成功率仅为0.47。图6中显示的可靠性随辅助节点变化趋势与图5相同。从该实验结果表明，GrdDelTBs-R可以有效部署有限数量的辅助节点，以使得容迟网络的通信成功率最高。

综上所述，本发明提出的基于贪心删除思想的辅助节点部署方案，同时适用于网络连接稀疏及网络连接紧密的容迟网络，能够有效提高容迟网络的通信成功率。

以上所述的具体实例是对本发明的进一步解释说明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明原则和精神之内，所做的更改和等同替换都应是本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取辅助节点容迟网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息；所述工作状态信息包括节点在各时间段内不同节点之间的通信关系，以及通信成功率；

步骤二、根据步骤一中所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围T内该网络的时空图；

步骤三、对步骤二中获得的时空图进行处理，获得时空图的子图。其中，子图要满足以下要求：在规定时间范围T内，图中任意一个节点对至少存在一条有向路径；并保证整个时空图整体通信成功率最大，即数据在该时间段的容迟网络中传递数据的成功率最大；

步骤四、根据时空图对容迟网络中的辅助节点进行部署，使得容迟网络在规定时间内通信传输成功率最高。

2.根据权利要求1所述的一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，其特征在于，所述步骤一中工作状态信息包括节点在各时间段内不同节点之间的通信关系及通信成功率(可以通过预估技术得到)。包括将所述规定时间范围T划分成连续时间段集合，T＝{0,1,…,t}，其中整数t代表时间片段；V_user表示网络节点集合，数目为整数n个，V_throwboxes为辅助节点的集合，数目为整数m个；同一时间片段内任意两个节点间的通信连接对应的通信成功率可以通过预估方式的得到。

3.根据权利要求1所述的一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，其特征在于，所述步骤二中建立起在规定时间范围T内该网络的时空图方法包括：首先，令G^t＝(V^t，E^t)表示某时间段t内容迟网络的通信关系图。其中，边表示和在时间段t内所有边的集合，其中i、j为整数，V^t代表时间片t内所有无线节点的集合；通过这种方式，最终得到规定时间范围T内，容迟网络通信关系图集合{G^t|t＝0，1，...，T}；然后，将集合{G^t|t＝0，1，...，T}转换为时空图表示一个时空图，包含了节点的时间和通信状态信息；同时，添加两个虚拟节点分别表示整个时间范围的开始和结束时刻的状态；

步骤三、对步骤二获得的时空图进行处理，获得时空图的子图

其中，子图要满足以下要求：在规定时间范围T内，图中任意两个节点间至少存在一条有向路径；并保证整个时空图整体通信成功率最大，即数据在该时间段的容迟网络中传递数据的成功率最大；

步骤四、根据时空图对容迟网络中的辅助节点进行部署，使得容迟网络在规定时间内通信成功率最高；

具体设置过程为：将给定数量的辅助节点(k个)部署在中相应辅助节点对应的位置上。

4.根据权利要求1所述的一种在容迟网络中有效确定辅助节点部署位置的方法，其特征在于，所述步骤三中对时空图的处理的过程包括：

1)，首先，令子图等于时空图

2)，设定计数器i＝1，然后根据给定的辅助节点限定数量k，进行如下操作；

3)，如果i>m-k，转步骤6)，否则转步骤4)；

4)，依次计算子图中每个辅助节点对的通信成功率的贡献值(即将该辅助节点从中删除前后的可靠性之差)；

5)，将贡献值最小的辅助节点从中删除，i增加1，转步骤3；

6)，返回子时空图