CN105872986B - 移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法 - Google Patents

移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，本发明根据节点的成功广播率和剩余能量来决定广播转发概率。节点的成功广播率越高，说明节点转发广播分组的可靠性越高，因此给这样的节点赋予较高的转发概率，能减少碰撞，提高可靠性，并能抑制广播风暴。同时本发明中，若节点的剩余能量越多，则节点的转发概率越大，将剩余能量作为决定转发概率的因素，能均衡网络节点能量消耗，延长网络生存时间。

Description

移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播 方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种能够有效抑制广播风暴、提高广播的可靠性、均衡网络中节点的能量、具有较高的到达率和较低时延的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法。
背景技术
移动Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳的临时性自治系统，又称移动多跳网络、移动自组织网络。网络中节点兼具路由和报文转发功能，且地位平等可任意移动，无需设置中心控制节点。当通信的源节点和目的节点不在彼此的通信范围内时，报文需经过多跳才能到达目的地完成通信。
由于移动Ad Hoc网络自身的特性，故与传统网络(如，蜂窝移动通信系统、无线局域网等)中的广播相比，移动Ad Hoc网络更易发生广播风暴及信息碰撞问题。在网络中，当节点进行广播发送分组时，若不采取抑制广播风暴的措施，节点将第一次收到的广播分组都广播出去，可能会在邻节点处发生碰撞，导致邻节点无法接收到信息，影响广播发送或者转发的成功率，即节点的成功广播率，也就是广播的可靠性。而对于各种典型的广播风暴抑制方法和不可靠方法，如基于概率方法、基于邻居信息方法、基于洪泛的可靠广播方法、基于最小生成树方法等，有些方法太复杂，难以得到实际应用，或者是到达率不够高，也就意味着可靠性不够高。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服移动Ad Hoc网络中现有广播技术可靠性差的不足，提供一种能够有效抑制广播风暴、提高广播可靠性、均衡网络中节点的能量消耗的移动AdHoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，包括如下步骤：
(1-1)源节点发送广播分组
将移动Ad Hoc网络中任一节点i作为产生广播分组的源节点，源节点i首先向节点的无线覆盖范围内的所有邻节点发送广播分组，然后节点i更新剩余能量Ei、已发广播分组数Mi，并采用出错重发的机制，等待广播分组传输完毕后，节点i计算并更新其节点成功广播率Ri；
(1-2)节点h收到来自邻节点k发送的广播分组时，按以下步骤工作：
(1-2-1)节点h首先判断该分组是否发生错误，若发生了错误，则直接丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-2)否则，根据分组中的源节点地址和序列号判断是否第一次收到该广播分组；若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，但没有该分组已成功广播的记录，则在节点已成功广播分组的表格中记录下该分组的源节点地址和分组序列号，并将节点h记录的已成功广播分组数Sh增加1，丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-3)若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，也有该分组已成功广播的记录，则直接丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-4)若不是第一次收到该分组，且无该分组已广播的记录，直接丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-5)若节点h是第一次接收该分组，则在当前节点中保存该分组的源节点地址和分组序列号；并计算节点转发概率，节点h以Ph的概率来转发这个广播分组，等待广播分组传输完毕后，节点h计算并更新其节点成功广播率Rh；
(1-3)网络中所有节点反复交替执行步骤(1-1)至(1-2)，直至所有节点停止广播该广播分组。
在移动Ad Hoc网络中，要想实现可靠广播，必须同时解决信息冗余带来的广播风暴问题，以及碰撞带来的不可靠广播问题，同时节点的剩余能量均衡对于网络寿命至关重要。
本发明根据节点的成功广播率和剩余能量来决定广播转发概率，节点的成功广播率越高，说明节点转发出广播分组的可靠性越高，能减少碰撞，提高可靠性，并能抑制广播风暴，同时由于将剩余能量作为决定转发概率的因素，能均衡网络节点能量消耗，提高网络寿命。
作为优选，步骤(1-1)包括如下步骤：
设定Mi为节点i发出广播分组的总数，Si为节点i发出的广播分组被邻节点成功转发的总数，Mi和Si的初始值均为0；
(2-1)节点i发送广播分组后，则保存该分组，更新节点剩余能量Ei，将节点i发出广播分组总数Mi增加1；
(2-2)若Si＝0时，则设置成功广播率Ri＝A；否则保持不变；
(2-3)节点i预设一个广播应答时间Tack，当节点i将广播分组发送后的Tack时间内收到了来自邻节点转发的相同的广播分组，则节点i认为该广播分组发送成功且已被其邻节点正确接收，使Si增加1；
Tack计时到，节点i仍然没有收到来自邻节点转发的相同的广播分组，则节点i重新按步骤(2-1)、(2-2)、(2-3)发送该广播分组，第二次发送完毕后不再设置应答时间Tack，也不再等待邻节点转发相同的广播分组，同时将缓存中的分组去掉。
作为优选，所述计算节点转发概率包括如下步骤：
首先，利用公式计算节点权重函数值Uh，
其中，Eh为节点h的剩余能量；Rh为节点h的成功广播率，且0≤Rh≤1；α为加权系数；
然后，节点h利用权重函数和节点转发概率的关系式
确定节点转发概率Ph，Ph最大值为1。
作为优选，所述节点i更新剩余能量Ei包括以下步骤：
假设节点i初始能量为Ei＝Emax；
若节点i发送一个广播分组，所消耗的能量为Esc＝PsTp，则使Ei减少Esc；
若节点i接收一个广播分组，所消耗的能量为Ere＝PrTp，则使Ei减少Ere；
其中，Emax为节点i的初始能量值；Ps为发射机的发射功率；Pr为接收机的接收功率；Tp为发送或接收一个广播分组所需时间。
作为优选，计算节点成功广播率包括以下步骤：节点i利用公式计算节点成功广播率Ri；Ri的初始值为A，0＜A＜1。
作为优选，节点h以Ph的概率来转发广播分组包括如下步骤：
首先产生一个位于[0，1]之间的随机数RNh；若RNh＞Ph，节点h直接丢弃该广播分组，更新剩余能量；
否则，节点h随机延迟一段时间，然后再转发广播分组。
为了避免几个节点同时发出去的广播分组在同一个邻节点处发生碰撞，提高了广播可靠性。本发明为了减少广播时延，选择的推迟时间只有0，τ，2τ和3τ；其中τ设定为处理并发送一个广播分组所需时间，节点h在这四个时间中随机地选取一个作为转发时延。等待延迟时间到，节点立即发送该广播分组，更新当前节点剩余能量Eh和已发出的广播分组数Mh。
作为优选，网络中的节点全部采用全向天线的模式；网络中的各个节点均处于同一平面上，且各节点地位平等；网络中的各个节点采用分布式的结构；网络中的各个节点均在彼此的通信范围内时，各个节点均采用双向通信链路；网络中的各个节点的发射功率均相同，发射消息所覆盖的范围是半径为R的圆。
作为优选，所述广播分组包括源节点IP地址、广播分组的序列号、发送节点的IP地址和数据区。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明具有较高的到达率。网络中的中继节点接收广播分组后，根据自身以往的成功广播率和当前的剩余能量确定转发概率，使得成功广播率高的节点和剩余能量较多的节点获得较高的转发概率，这样可以尽量提高广播成功率，减少广播信息冗余，减少碰撞，提高到达率。同时，本发明中，源节点发送广播分组后，设置超时重传机制，只要收到一次下一跳中继节点转发的广播分组，表示发送成功，停止超时重传计时器。这样既避免了形成广播应答风暴，又在很大程度上弥补了源节点第一轮发送就丢包所导致的无法广播的问题，进一步提高了广播到达率。另外，本发明中采用了分时转发机制，减少了信息碰撞和信道争抢，也使得接收节点接收分组的可靠性增强。
(2)本发明的网络寿命较长。因为采用了转发分组时考虑了剩余能量均衡，因此可以延长网络寿命。
(3)本发明的算法复杂度很低。每个节点值需要根据自身的情况来决定转发概率，广播分组的格式也不需要改变，计算非常简单；同时，不需要增加别的分组来掌握邻居节点的情况，因此，总体上复杂度非常低。
附图说明
图1是本发明的一种广播流程图；
图2为本发明的源节点发送广播分组的一种流程图；
图3为本发明的中继节点接收与转发广播分组的一种流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，包括如下步骤：
步骤100，节点i为网络中任一产生广播分组的源节点，节点向其无线覆盖范围内的所有邻节点发送广播分组；
步骤101，节点i将广播分组发送出去之后，更新此时节点剩余能量Ei，节点的已发广播分组数Mi加1；等待广播分组传输完毕后，节点i利用公式计算并更新其节点成功广播率Ri；
步骤102，采取出错重发机制，节点i预设一个广播应答时间Tack，当节点i将广播分组发送后的Tack时间内收到了来自邻节点转发的相同的广播分组，则i认为该广播分组发送成功且已被其邻节点正确接收，Si加1。Tack计时到，节点i仍然没有收到来自邻节点转发的相同的广播分组，则i认为该广播分组发送失败或者在接收节点处发生信息碰撞，节点i重新按步骤101、102发送该广播分组，第二次发送完毕后不再设置应答时间Tack，也不再等待邻节点转发相同的广播分组；
步骤200，节点h接收与转发广播分组：节点接收到广播分组后，先判断收到的分组是否出错、是否第一次收到该分组、是否是节点h自己已经发出去的分组、是否为已成功广播的分组，然后根据判断做出相应处理；
步骤201，节点h首先判断该分组是否发生错误，若发生了错误，则直接丢弃该分组，更新剩余能量；
步骤202，若没有发生错误，根据分组中的源节点地址和序列号判断是否第一次收到该广播分组。若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，但没有该分组已成功广播的记录，说明节点h收到了自己发出去的分组，表明已广播过该分组并且广播成功，则在节点已成功广播分组的表格中记录下该分组的源节点地址和分组序列号，并将节点h记录的已成功广播分组数Sh加1，更新剩余能量；
步骤203，若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，也有该分组已成功广播的记录，则不对该分组做其它处理，直接丢弃该分组，更新剩余能量；
步骤204，若不是第一次收到该分组，且无该分组已广播的记录，则说明该分组已经被接收过，但是没有被转发，这次一样不转发，直接丢弃该分组，更新剩余能量；
步骤205，若节点h是第一次接收该分组，则在当前节点中保存该分组的源节点地址和分组序列号，并计算节点转发概率Ph，转发概率Ph确定后，节点h以Ph的概率来转发这个广播分组。首先产生一个[0，1]之间的随机数RNh。若RNh＞Ph，节点h直接丢弃该广播分组；否则节点h发送该广播分组。节点h在确定选择转发该广播分组后，会设置一个等待时延机制，即h推迟一个随机的时间来发送这个广播分组，尽量避免几个节点同时发出去的广播分组在同一个邻节点处发生碰撞，造成发送失败，降低了广播的可靠性。等待转发时延结束，节点立即发送该广播分组，更新当前节点剩余能量Eh和已发出的广播分组数Mh；
步骤300，各节点不断重复100至200各步骤，直至所有节点停止广播该广播分组。
如图2所示，本发明的源节点发送广播分组的广播方法，包括如下步骤：
步骤1，节点i为网络中任一产生广播分组的源节点，节点向其信号传输半径内的所有邻节点发送广播分组，并保存该分组；
步骤2，节点i将广播分组发送出去之后，更新此时节点剩余能量Ei，节点的已发广播分组数Mi加1；
步骤3，等待广播分组传输完毕后，若Si＝0时，则设置成功广播率Ri＝A；否则保持不变；
步骤4，判断该分组是否被广播过，若该分组被广播过，将缓存中的分组去掉，转向步骤7；否则，节点i预设一个广播应答时间Tack；
步骤5，若应答超时，节点i没有收到来自邻节点转发的相同的广播分组，则i认为该广播分组发送失败或者在接收节点处发生信息碰撞，此时i就会重新发送该广播分组，转向步骤2；
步骤6，当节点i将广播分组发送后的Tack时间内收到了来自邻节点转发的相同的广播分组，则i认为该广播分组发送成功且已被其邻节点正确接收，Si加1，Si为节点i发出的广播分组被其他节点成功转发的总数；
步骤7，结束。
如图3所示，本发明的中继节点接收与转发广播分组的广播方法，包括如下步骤：
步骤1，节点h收到来自上一跳邻节点k发送的广播分组；
步骤2，节点h首先判断该分组是否发生错误，若发生了错误，则直接丢弃该分组，更新剩余能量，转向步骤8；
步骤3，若该分组正确，根据分组中的源节点地址和序列号判断是否第一次收到该广播分组。若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，也有该分组已成功广播的记录，则不对该分组做其它处理，直接丢弃该分组，更新剩余能量，转向步骤8；
若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，但没有该分组已成功广播的记录，则在节点已成功广播分组的表格中记录下该分组的序列号，并将节点h记录的已成功广播分组数Sh的值加1，丢弃掉该分组，更新剩余能量，转向步骤8；
步骤4，若不是第一次收到该分组，且无该分组已广播的记录，则说明该分组已经被接收过，但是没有被转发，这次一样不转发，直接丢弃该分组，更新剩余能量，转向步骤8；
步骤5，若节点h是第一次收到该分组，则在当前节点中保存该分组的源节点地址和分组序列号，保存该分组；并计算节点转发概率Pk；根据转发概率确定是否转发该分组，利用随机函数产生一个(0，1)之间的随机数RNh。若RNh＞Ph，则不转发该分组，节点直接丢弃该广播分组，更新剩余能量，转向步骤8；
步骤6，若RNh＜Ph，节点h随机地选择延迟一段时间，可选延迟时间为0、τ、2τ和3τ(其中τ设定为处理并发送一个广播分组所需时间)，等待延迟时间到，节点立即发送该广播分组；
步骤7，h将广播分组转发出去之后，更新当前节点剩余能量Eh和已发出的广播分组数Mh；
步骤8，结束。
本发明以减少网络中广播碰撞、均衡节点能量消耗以及提高节点的成功广播率为目的，本发明采取以下解决措施：(1)发送或者转发广播分组时，由于信道的争抢以及能量的消耗，会影响节点的广播性能，故利用剩余能量和节点的成功广播率来调节节点的转发概率，实现能量均衡和提高成功广播率；(2)中继节点转发广播分组时，可能由于碰撞等原因造成发送失败，故在节点欲发送广播分组时，加入等待时延机制，尽量使得信息到达邻居节点时有一定的时延差，减少广播分组在接收节点处的碰撞，提高了广播的可靠性。(3)源节点在发送广播分组时由于碰撞等原因，可能会发生第一轮发送广播分组就丢包的情况，导致无法广播，为了解决这个问题，加入源节点超时重传机制，以提高源节点发送的可靠性。
有些协议中，例如基于邻居信息发明中，节点发送广播分组时需要维持一个邻居信息表来交互信息，需要消耗一定的能量以及增加了广播分组的长度。本发明取消邻居信息表的存在，不需要利用额外的HELLO包来获取邻居信息，同时也不需要将节点邻居信息添加在广播分组头进行发送。节点完全根据自身的成功广播率和剩余能量直接发送或者转发广播分组，并且成功广播率根据邻居节点是否转发来确定的，因此也不需要应答阶段，减少广播信息冗余，提高网络吞吐量，也节约了节点的存储空间以及计算复杂度。最后，根据节点自身的成功广播率和剩余能量计算转发概率，然后按概率广播，并根据具体情况更新节点剩余能量、节点的已发广播分组数、节点的广播成功率。
根据本实施方式的流程就可以撰写出本发明协议方法的程序代码，代码编译成功之后就可以应用于网络的广播中。为了更好的体现本发明协议方法的性能提高，用网络仿真模拟软件对本发明协议方法进行仿真。
本发明方法主要从三个性能指标进行分析：(1)到达率(Reachablility)：定义为所有目的节点收到数据分组个数与所有目的节点应当收到的数据分组个数的比值。其中所有目的节点应当收到的广播分组个数就是源节点发送的广播分组个数与所有目的节点个数之积。(2)端到端时延平均值(Average end-to-end delay)：源节点发送的广播分组首次到达所有目的节点所消耗的时间的平均值。(3)网络生存时间(Network survival time)：网络从开始运行一直到网络中出现第一个能量耗尽的节点为止所持续的时间。
为了能更好的看出本发明协议方法的优势所在，将本发明的方法BSREB与DEBRB(Distance and Energy-Balance based Reliable Broadcast)和DP两个协议方法进行了对比。其中，DEBRB尽量选取距离较远、覆盖面积广、剩余能量较多的邻居节点作为转发节点，是一种性能较为优良的广播协议方法。DP协议根据周围邻居节点密度的大小来实时调节节点广播的概率大小。
仿真分别在三种不同的情况下进行，分别是网络中节点个数不同的情况、网络中不同节点覆盖半径的情况和源节点发包速度CBR不同的情况。
(1)在节点静止和移动仿真场景下，BSREB的到达率都是明显要高于其他两种算法的到达率。
(2)在节点静止和移动的仿真场景下，BSREB算法的端到端时延平均值最小，而DEREB算法的端到端时延均值最大。
(3)在节点静止和移动仿真场景下，在BSREB算法的网络生存时间长于DP算法的网络生存时间，但是比DEBRB算法的网络生存时间短。
网络仿真结果表明，本发明方法在到达率、端到端时延平均值具有优势，且对节点移动的适应性较好，网络生存时间较长，比较适合于拓扑不断变化的移动网络环境，不失为移动Ad Hoc网络中一种综合性能较好的广播方法。
应理解，本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。

Claims (7)

1.一种移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，包括如下步骤：
(1-1)源节点发送广播分组
将移动Ad Hoc网络中任一节点i作为产生广播分组的源节点，源节点i首先向节点的无线覆盖范围内的所有邻节点发送广播分组，然后节点i更新剩余能量Ei、已发广播分组数Mi，并采用出错重发的机制，等待广播分组传输完毕后，节点i计算并更新其节点成功广播率Ri；
(1-2)节点h收到来自邻节点k发送的广播分组时，按以下步骤工作：
(1-2-1)节点h首先判断该分组是否发生错误，若发生了错误，则直接丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-2)否则，根据分组中的源节点地址和序列号判断是否第一次收到该广播分组；若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，但没有该分组已成功广播的记录，则在节点已成功广播分组的表格中记录下该分组的源节点地址和分组序列号，并将节点h记录的已成功广播分组数Sh增加1，丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-3)若不是第一次收到该分组，且有该分组已广播的记录，也有该分组已成功广播的记录，则直接丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-4)若不是第一次收到该分组，且无该分组已广播的记录，直接丢弃该分组，更新剩余能量；
(1-2-5)若节点h是第一次接收该分组，则在当前节点中保存该分组的源节点地址和分组序列号；并计算节点转发概率，节点h以Ph的概率来转发这个广播分组，等待广播分组传输完毕后，节点h计算并更新其节点成功广播率Rh；
(1-3)网络中所有节点反复交替执行步骤(1-1)至(1-2)，直至所有节点停止广播该广播分组；
所述计算节点转发概率包括如下步骤：
首先，利用公式计算节点权重函数值Uh，
其中，Eh为节点h的剩余能量；Rh为节点h的成功广播率，且0≤Rh≤1；α为加权系数；
然后，节点h利用权重函数和节点转发概率的关系式
确定节点转发概率Ph，Ph最大值为1。
2.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，步骤(1-1)包括如下步骤：
设定Mi为节点i发出广播分组的总数，Si为节点i发出的广播分组被邻节点成功转发的总数，Mi和Si的初始值均为0；
(2-1)节点i发送广播分组后，则保存该分组，更新节点剩余能量Ei，将节点i发出广播分组总数Mi增加1；
(2-2)若Si＝0时，则设置成功广播率Ri＝A；否则保持不变；
(2-3)节点i预设一个广播应答时间Tack，当节点i将广播分组发送后的Tack时间内收到了来自邻节点转发的相同的广播分组，则节点i认为该广播分组发送成功且已被其邻节点正确接收，使Si增加1；
Tack计时到，节点i仍然没有收到来自邻节点转发的相同的广播分组，则节点i重新按步骤(2-1)、(2-2)、(2-3)发送该广播分组，第二次发送完毕后不再设置应答时间Tack，也不再等待邻节点转发相同的广播分组，同时将缓存中的分组去掉。
3.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，所述节点i更新剩余能量Ei包括以下步骤：
假设节点i初始能量为Ei＝Emax；
若节点i发送一个广播分组，所消耗的能量为Esc＝PsTp，则使Ei减少Esc；
若节点i接收一个广播分组，所消耗的能量为Ere＝PrTp，则使Ei减少Ere；
其中，Emax为节点i的初始能量值；Ps为发射机的发射功率；Pr为接收机的接收功率；Tp为发送或接收一个广播分组所需时间。
4.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，计算节点成功广播率包括以下步骤：节点i利用公式计算节点成功广播率Ri；Ri的初始值为A，0＜A＜1。
5.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，节点h以Ph的概率来转发广播分组包括如下步骤：
首先产生一个位于[0，1]之间的随机数RNh；若RNh＞Ph，节点h直接丢弃该广播分组，更新剩余能量；
否则，节点h随机延迟一段时间，然后再转发广播分组。
6.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，网络中的节点全部采用全向天线的模式；网络中的各个节点均处于同一平面上，且各节点地位平等；网络中的各个节点采用分布式的结构；网络中的各个节点均在彼此的通信范围内时，各个节点均采用双向通信链路；网络中的各个节点的发射功率均相同，发射消息所覆盖的范围是半径为R的圆。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的移动Ad Hoc网络中基于节点成功广播率和能量均衡的广播方法，其特征是，广播分组包括源节点IP地址、广播分组的序列号、发送节点的IP地址和数据区。
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