CN105992248A - 一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法。当两个节点成功建立无线链路后，首先判断对方是否是同组节点，如果是同组节点则运行缓存共享机制；两个节点分别对各自缓存的消息做出调度次序决策；两个节点按照调度次序交换缓存的消息，消息交换完毕后，两个节点再次计算各自缓存的每一个消息的效用值，按照效用值的不同，节点做出不同的管理决策。本发明使用新的缓存共享、管理与调度机制，有利于节点缓存最大化利用，改善了网络在节点能耗、缓存利用效率等方面性能。

Description

一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法。

背景技术

Ad Hoc网络是由多个自带无线收发装置的移动节点组成的自治网络动态构成的，是一种具有高度动态拓扑结构、节点任意移动且直接通过无线链路进行通信的自组织网络。这种网络不同于传统有线网络，其高度自治且不需任何基础设施而独立运行，节点通信比较依靠由于运动而产生的“相遇机会”。Ad Hoc网络的最初应用与战术网络有关，用来改善战场通信以及生存能力，随着无线通信和终端技术的不断发展，其在民用环境下也得到了发展。

除上述特点之外，Ad Hoc网络中每个节点的通信范围都是有限的，当源节点与目的节点间的通信因外界因素而中断时，“存储-运动-转发”的消息中继方法能够提高消息的投递率。由于Ad Hoc网络“机会通信”的特点和独特的“存储-运动-转发”通信机制，节点在运动过程中不断与其他节点相遇并且相互交换各自缓存内消息，其所存储的消息随着时间推移不断增加，剩余缓存不断减少。一旦缓存不足，新的消息将无法得到妥当的处理，严重阻碍节点的成功通信。这种情况下，节点如何管理缓存内已有消息、如何管理新进消息与已有消息是有效提高系统性能的关键。

在节点呈组运动的情况下，现有的缓存共享、管理与调度机制主要有以下几种：

1)网络中节点相互独立，每次通信过程中节点都交换各自缓存内消息。这种方法使得节点缓存消耗速度较快；对节点缓存大小要求较高的同时，同组节点间可能存在大量相同的消息，造成资源的极大浪费。

2)挑选节点组中某一个节点作为“簇头”，用于集中存储消息。在通信过程中，消息经由其他同组节点向别组节点转发。这种方法要求簇头节点具有较大的缓存、较强劲的功能，但对同组其他节点要求相对较低。同时，消息传递过程较为繁琐且效率不高，会造成不必要的能量损失，降低了通信质量。一旦簇头出现故障或损坏，对整个节点组影响极大，甚至导致节点组难以与外界通信。

3)在网络中设置一些固定的站点，用于收集并分发消息。站点位置固定不变，在 数据处理能力、能量、缓存等方面都能满足网络通信需求，且同样具有一定的通信范围。同时，各个站点之间能够自由通信，节点在经过站点时将缓存内消息统一存储至站点，并接收来自站点的消息。通过站点的集中存储和分发，提高了消息传递的效率，但这种方法既提高了网络搭建成本和维护费用，又要求网络节点运动范围相对固定，适用范围受到了一定的限制。除此之外，一旦站点遇到故障或损坏，通信网络将受到极大影响甚至陷入瘫痪。

针对基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度机制问题，现有的研究成果还不能满足用户在不具备网络基础设施或者基础设施较为落后情况下的基本通信需求。

发明内容

本发明提出一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其使用新的缓存共享、管理与调度机制，有利于节点缓存最大化利用，改善了节点通信的能耗、缓存利用效率等。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法：

当两个节点进入对方通信范围、成功建立无线链路后，判断对方是否是同组节点；如果是同组节点，则节点将缓存消息的参数属性信息发送给对方节点，对方节点收到后保存至列表，并找出双方需要优先调度的消息进行交换，此时，同组节点之间只交换需要优先调度的消息，不交换除需要优先调度的消息之外的剩余消息；如果不是同组节点，则两个节点分别对各自缓存的消息做出调度次序决策，然后按照调度次序交换缓存内消息；

较佳地，消息交换完毕后，两个节点再次计算各自缓存的每一个消息的效用值，按照效用值的不同，节点做出不同的管理决策。

较佳地，节点分组时，网络为每个节点和节点组分配唯一的ID标识，每个节点保留所有同组节点的ID标识。

较佳地，同组节点在每次相遇时，均交换消息的参数属性信息，从而实时更新列表。

较佳地，不同组节点之间的消息调度次序为：节点先找出缓存内需要优先调度的消息，确定优先调度的消息之后，节点根据每个剩余消息的效用值大小决定其调度次序，效用值大的优先调度。

较佳地，满足下列情况的消息需要优先调度：

当前节点与该消息的目的节点相遇时；或者

某个同组节点与该消息的目的节点相遇后，向当前节点要求发送该消息时；或者当前节点遇到与该消息目的节点同组的节点时。

较佳地，所述消息效用值的计算公式为：

$u=(\mathrm{\α}\·\frac{t_{\mathrm{life}}-t_{\mathrm{left}}}{t_{\mathrm{life}}}+\mathrm{\β}\·\frac{m-m_{\mathrm{new}}}{m+m_{\mathrm{new}}})\·(\mathrm{\λ}\·p)$

公式中，u表示效用值，t_left、t_life、m_new、m、p分别表示消息剩余寿命、消息寿命、新进消息大小、节点缓存内所有消息总大小、消息的优先级；α、β、λ为权重因子，分别表示节点权衡效用值时对需要调度的消息的剩余寿命、大小以及优先级的偏向程度。

较佳地，当节点本地剩余缓存不足且有新消息进入时，各节点按每一消息效用值大小做出消息丢弃次序决策，效用值低的优先丢弃。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)本发明提出节点组内缓存共享机制，节点组对每个消息仅存一份副本，不但提高了节点的缓存利用效率，而且避免了不必要的缓存浪费；(2)本发明基于节点组运动所提出，消息在存储、管理以及调度过程中无需任何预先架设的网络基础设施，对网络搭设成本、节点能力要求较低，成本较为低廉；(3)本发明适用于节点呈组运动的Ad hoc网络中，可适用于军事战场通信、户外组网、城市交通、紧急救援等环境下，适用范围较广。

附图说明

图1为本发明实例网络模型中两个同组节点相遇过程示意图；

图2为本发明实例节点存储同组节点消息的参数属性信息列表示意图；

图3为本发明实例网络模型中两个节点组相遇过程示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

节点分组机制

Ad Hoc网络运行之初，将网络中的全部节点按组编队，节点以组为单位进行运动。节点分组时，网络为每个节点和节点组分配唯一的ID标识，每个节点保留所有同组节点的ID标识。节点分组后，同组节点始终保持相对集中，相互之间的运动趋势基本一致，即相互之间具有基本一致的运动方向和运动速度；而不同组节点之间的运动方向和大小一般不相同。在以组为单位运动过程中，每个节点既有可能与同组节点相遇，也有可能与不同组节点相遇，但因同组节点之间的运动趋势基本一致，同组节点之间相遇的机会与不同组节点相比就显得比较频繁，这就使得同组节点间较不同组节点间有更多的通信机会。

缓存共享机制

因同组节点相遇较为频繁，为避免同组节点间存储同样的消息而造成缓存资源浪费，本发明提出了同组节点缓存共享机制。缓存共享的内涵为：

1、同组节点相遇时，无特殊情况一般不交换各自缓存内的消息，只获取对方缓存内消息的参数属性信息，保存至列表并在每次相遇后更新本地列表。

同组节点相遇时，只读取对方节点缓存消息的参数属性信息并保存至列表，而不读取对方的消息，即无需互相交换消息。消息的参数属性包括：消息ID标识、寿命、剩余寿命、目的节点ID及消息大小等信息。此后，该节点再次与同组节点相遇时，则再次交换消息的参数属性信息，从而实时更新列表。这样，运动一段时间后，每一节点基本能够掌握本组全部节点所存储的消息参数属性信息，依次作为信息交换过程中的消息缓存管理与调度依据。

2、节点在与不同组节点相遇后的通信过程中，视同组节点缓存为自身缓存的“额外扩展”。此时，节点接收消息时，节点不再接收同组节点已存储的消息，且优先接收以本组节点为目的节点的消息，其次按照调度次序接收消息；节点发送消息时，优先发送目的节点与对方节点同组的消息，其次按照调度次序发送消息。

图1为两个同组节点相遇过程示意图，如图2所示，两个同组节点A1和A2在运动过程中彼此进入了对方通信范围后先建立通信链路，在发现对方节点是同组节点后，节点A1和A2之间相互交换各自缓存内消息的参数属性信息，并将参数属性信息存入各自所保留的列表，列表如图3所示。图3为两个节点组相遇过程示意图，如图3所示，当两个节点组在运动过程中有其中两个不同组的节点A1和B1进入了对方通信范围时，节点A1和B1各自决策各自缓存内消息的调度次序，并按调度次序交换消息。

前述Ad Hoc网络中节点组内的缓存共享实际是指网络节点组内通过共享各自缓存内消息的参数属性信息，以节点组为消息存储基本单元的一种新的缓存利用方法。这种方法有利于节点缓存最大化利用，有利于避免不必要的能量消耗，有利于提高节点资源利用率，有利于提升系统总体性能。

节点缓存调度机制

本发明为充分利用有限的通信时间、最大化通信效率提出了本地消息节点缓存调度机制，在节点之间交换消息之前节点首先对缓存的消息进行调度次序的排序。本实施例中，各消息的调度次序为：

1、节点先找出缓存内需要优先调度的消息，需要优先调度的消息包括以下几种消息：

a)当前节点与该消息的目的节点相遇时；

b)某个同组节点与该消息的目的节点相遇后，向当前节点要求发送该消息时；

c)当前节点遇到与该消息目的节点同组的节点时。

2、确定优先调度的消息之后，节点根据每个剩余消息的效用值大小决定其他消息的调度次序，效用值高的优先调度。

图3为两个节点组相遇过程示意图，如图3所示，当两个节点组在运动过程中有其中两个不同组的节点A1和B1进入了对方通信范围时，节点A1和B1各自决策各自缓存内消息的调度次序，调度次序为：

首先，两个不同组节点分别找出自己需要优先调度的消息；

其次，对各自缓存中除需要优先调度的消息以外的其他剩余消息，节点按照消息效用值的不同做出不同的调度决策,效用值高的则优先调度。

所述需要优先调度的消息主要包含以下几种消息：

a)当前节点与其缓存消息的目的节点相遇时，优先调度该消息，例如：节点A1是节点B1缓存消息的目的节点，或者节点B1是节点A1缓存消息的目的节点；

b)与当前节点同组的某个节点与当前节点缓存消息的目的节点相遇后，向当前节点要求发送该消息时，优先调度该消息，例如，节点A2缓存内有以节点B1为目的节点的消息，当节点A1和节点B1进入了对方通信范围时，优先调度该消息；特别地，节点读取本地存储的同组节点缓存消息信息列表获知节点A2缓存内有以B1为目的节点的消息，此时A1首先向A2发出消息请求，主动帮助A2转发消息，A2收到请求后将A2B1优先级提高，并以最快速度发给A1再由A1转发至B1；

c)当前节点遇到与其缓存消息的目的节点同组的某个节点时，优先调度该消息，例如，节点A1缓存内有以节点B1为目的节点的消息，当节点A1和节点B2进入了对方通信范围时，优先调度该消息。

所述消息效用值的计算公式为：

$u=(\mathrm{\α}\·\frac{t_{\mathrm{life}}-t_{\mathrm{left}}}{t_{\mathrm{life}}}+\mathrm{\β}\·\frac{m-m_{\mathrm{new}}}{m+m_{\mathrm{new}}})\·(\mathrm{\λ}\·p)$

公式中，u表示效用值，t_left、t_life、m_new、m、p分别表示消息剩余寿命、消息寿命、新进消息大小、节点缓存内所有消息总大小、消息的优先级；α、β、λ是权重因子，分别表示节点权衡效用值时对需要调度的消息的剩余寿命、大小以及优先级的偏向程度。

调度次序具体可以如图3所示，以“源节点-目的节点”表示某个消息，节点A1和节点B1调度次序分别为“A1B1-A1B2-A2B1-A2B2-一般消息”、“B1A1-B1A2-B2A1-B2A2-一般消息”。

在图3中，某一节点会主动承担中继的行为，当节点A2在与不同组节点B1通信过程中同时进入某一同组节点A1通信范围之内，且A2和B1相距较大而无法通信时，若A2中具有以B1为目的节点的消息，则节点A1主动充当“中继节点”角色，向A2索要该消息，A2收到索要请求后以较高优先级传递给节点A1，最后由节点A1将消息递交至节点B1。

节点缓存管理机制

随着节点接收的消息越来越多，当各个节点成功接收到交换的消息后，需要对其缓存内原有消息和新进消息进行有效管理，最大化缓存利用效率。为更好地利用有限的缓存资源，本发明提出节点缓存管理机制。节点缓存管理机制的内涵为：当节点本地剩余缓存不足且有新消息进入时，丢弃足够多现有消息以腾出足够缓存空间用于存储新接收的消息，其中，各节点按每一消息效用值大小做出消息丢弃次序决策，效用值低的优先丢弃。

Claims (8)

1.一种基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，

当两个节点建立无线链路后，判断对方是否是同组节点；如果是同组节点，则节点将缓存消息的参数属性信息发送给对方节点，对方节点收到后保存至列表，并找出双方需要优先调度的消息进行交换；如果不是同组节点，则两个节点分别对各自缓存的消息做出调度次序决策，然后按照调度次序交换缓存内消息。

2.如权利要求1所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，消息交换完毕后，两个节点再次计算各自缓存的每一个消息的效用值，按照效用值的不同，节点做出不同的管理决策。

3.如权利要求1所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，节点分组时，网络为每个节点和节点组分配唯一的ID标识，每个节点保留所有同组节点的ID标识。

4.如权利要求1所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，同组节点在每次相遇时，均交换消息的参数属性信息，从而实时更新列表。

5.如权利要求1所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，不同组节点缓存消息的调度次序为：首先找出缓存内需要优先调度的消息；然后，为缓存内剩余消息估计效用值并以降序排序作为调度次序。

6.如权利要求5所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，消息在以下情况下为需要优先调度的消息：

当前节点与该消息的目的节点相遇时；或者

某个同组节点与该消息的目的节点相遇后，向当前节点要求发送该消息时；或者

当前节点遇到与该消息目的节点同组的节点时。

7.如权利要求2或者5所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，所述消息效用值的计算公式为：

$u=(\mathrm{\α}\·\frac{t_{\mathrm{life}}-t_{\mathrm{left}}}{t_{\mathrm{life}}}+\mathrm{\β}\·\frac{m-m_{\mathrm{new}}}{m+m_{\mathrm{new}}})\·(\mathrm{\λ}\·p)$

公式中，u表示效用值，t_left、t_life、m_new、m、p分别表示消息剩余寿命、消息寿命、新进消息大小、节点缓存内所有消息总大小、消息的优先级；α、β、λ为权重因子，分别表示节点权衡效用值时对需要调度的消息的剩余寿命、大小以及优先级的偏向程度。

8.如权利要求2所述基于节点组运动的Ad Hoc网络缓存共享、管理与调度方法，其特征在于，当节点本地剩余缓存不足且有新消息进入时，各节点按消息效用值大小做出消息丢弃次序决策，效用值低的优先丢弃。