CN106102116A - 机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，属于通信网络技术领域。该方法包括以下步骤：S1：计算节点的剩余能量及归一化剩余能量，节点的邻居变化率及归一化邻居变化率；S2：设置邻居节点间的阈值调节因子：包括计算节点的邻居相似度，计算阈值控制因子，并比较节点的能量与阈值调节因子；S3：节点执行“携带‑转发”操作：包括判断相遇节点是否为目的节点，若为目的节点，执行请求应答消息，若非目的节点，判断是否携带源节点消息数据，若携带源节点消息数据，相遇节点发送应答消息，若未携带源节点消息数据，将自身信息发送给源节点，源节点执行决策及判断。

Description

机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，涉及一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法。

背景技术

“通信”和“网络”不断地改变着人们的生活，通信设备不再只是PC和手机，越来越多的生活设施具有无线通信的功能，如谷歌公司于2012年4月发布的Google Galss具有和智能手机一样的功能，英特尔与苹果公司正在联手开发的一种蓝牙支持的iOS手iWatch；人们可通过越来越多的方式接入无线网络中，如苹果公司于2014年正式发布的Car Play车载系统，将iOS设备与汽车仪表盘系统无缝结合，人们可通过汽车的控制面板实现拨号通话、语音短信、音乐播放、地图导航等多项基础功能。传统PC、手机的广泛普及和新兴无线智能通信设备的大量涌出推动了无线网络的迅速发展。无线局域网，无线自组织网络，无线传感器网络，卫星网络等以无线多跳的方式实现移动通信设备之间的互联，成为无线网络的研究热点。

适用于移动自组织网络的路由方法，如AODV(Ad Hoc Ondemand DistanceVector)、DSR(Dynamic Source Routing)等，均是在网络全连通的前提下，寻找一条由源节点通向目的节点的完整路径，在任意一对节点间建立端到端的通信链路。当网络连通性这个前提条件无法满足的情况下，此类方法必然失效。

在机会网络中，节点的移动一方面会造成节点稀疏、拓扑变化、网络不均匀等影响，另一方面也会带来相遇机会。两个节点进入对方的传输范围且能够相互感知，从而建立起通信链路，按照一定的转发机制传输数据，实现通信。移动模型描述节点的位置、速度、方向等特性的变化，是对节点行为及网络环境的抽象。移动模型能否准确地模拟真实场景，决定了移动模型在理论研究中能否有效适用于协议性能的分析和算法评价。

因此，研究并实现如何在机会网络中寻找一种合适的数据包转发方法成为了研究的难点，具有重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，该方法考虑了节点生存时间的节点剩余能量和代表节点相遇能力的节点邻居变化率作为节点传输性能的指标，选择传输性能更优的节点作为中继节点，承担较多的数据传输任务；以相遇节点的历史邻居相似度来调节转发条件，避免待传输的数据包在传输性能差异不大、且具有相似移动特性的节点间来回传输，减少消耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算节点剩余能量及节点邻居变化率：包括计算节点的剩余能量及归一化剩余能量，节点的邻居变化率及归一化邻居变化率；

S2：设置邻居节点间的阈值调节因子：包括计算节点的邻居相似度，计算阈值控制因子，并比较节点的能量与阈值调节因子；

S3：节点执行“携带-转发”操作：包括判断相遇节点是否为目的节点，若为目的节点，执行请求应答消息，若非目的节点，判断是否携带源节点消息数据，若携带源节点消息数据，相遇节点发送应答消息，若未携带源节点消息数据，将自身信息发送给源节点，源节点执行决策及判断。

进一步，在步骤S1中，假设一对相遇节点i与j，节点i的传输性能定义为p_i，

p_i＝ω·μ_E+(1-ω)μ_Ν

其中，μ_E和μ_Ν分别表示节点i的剩余能量和邻居变化率的归一化值，ω∈(0,1)是预设的权重参数；

节点的剩余能量和邻居变化率属于不同的两个范畴，对其做归一化处理使用归一化方法如下：

其中x_i，x_k∈X，X＝{x₁,x₂,...,x_N}表示需要归一化的属性X的各项值，y_k为x_k的归一化值；

针对单个节点i，当与另一个节点j相遇时，节点i的归一化剩余能量为

其中，E_i为节点i的剩余能量百分比，E_j为节点j的剩余能量百分比；

若节点i与节点j相遇，节点i的邻居变化率归一化计算方法如下式，

其中，N_i为节点i的邻居变化率，N_j为节点j的邻居变化率，当N_i＝0且N_j＝0时，令μ_N＝1/2。

进一步，在步骤S2中，将邻居相似度作为调节因子，定义式D_i,j为节点i相对于节点j的阈值控制因子，定义式为：

其中，H_i和H_j分别表示相遇时刻，节点i和节点j的历史邻居变化表，显然，0≤D_i,j≤1；

在消息转发过程中，携带消息包的节点i与未缓存该消息包的节点j相遇，若满足p_j＞p_i+p_th·D_i，j，则节点i将该数据包副本转发给节点j，否则将继续携带该消息等待与目标节点或其他中继节点相遇，其中p_i和p_j分别为节点i和j的传输性能值，Pth为预设阈值，Di,j为节点i相对于节点j的阈值控制因子；

若两个相遇节点具有多个共同的邻居节点，认为它们在最近的时间间隔内具有相似的移动特性，此时邻居相似度高，阈值相应提高，即提高了该两个相遇节点间的转发条件，从而减少消息数据包在具有相似邻居且传输性能相差不大的节点间来回传输的不必要性。

进一步，在步骤S3中，当源节点或其他携带消息m副本的节点A，与节点B相遇，交换概要向量(SV，Summary Vector)，SV主要包含了消息m的信息，当节点B接收到来自节点A的概要向量SV_A时，分以下情况：

1)若节点B就是消息m的目的节点，节点B向节点A发送请求消息，请求节点A发送消息m的数据包，节点A收到请求消息后，向节点B同时回复应答消息和消息m的数据包，当传输完成且收到节点B的确认消息后，节点A抛弃剩余的消息m副本，消息m从源节点到目的节点的传输已经实现，整个生命周期结束；

2)若节点B不是消息m的目的节点，但节点B已经携带了消息m的数据，节点B向节点A发送应答消息，告知节点A无需再转发消息m的数据包；

3)若节点B不是消息m的目的节点，也没有消息m的任何缓存信息，则将自身的信息，包括剩余能量E_B、邻居变化率NB、历史邻居列表HB，随应答消息发送给节点A，节点A通过计算P_A和D_A,B，判断是否满足P_B＞P_A+P_th·D_A,B，再做出转发决策，若满足，则转发消息m的副本给节点B，数量为其中，L_A是节点A原本携带消息包的数量，节点A自身保留个数为L_A'＝L_A-L_B的消息m副本；

若消息m始终没有到达目的节点，当某个中继节点所携带的副本数量为1时，依然首先考虑相遇节点是否为目标节点、是否已经有消息m的副本，然后按照上述步骤，计算转发条件，若满足，将仅有的1个副本转发给该相遇节点。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于节点传输性能的自适应转发方法，考虑了节点生存时间的节点剩余能量和代表节点相遇能力的节点邻居变化率作为节点传输性能的指标，选择传输性能更优的节点作为中继节点，承担较多的数据传输任务；以相遇节点的历史邻居相似度来调节转发条件，避免待传输的数据包在传输性能差异不大、且具有相似移动特性的节点间来回传输，减少消耗。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为源节点不在目的节点传输范围内转发示意图；

图3为“携带-转发”示意图；

图4为节点一直未到达目的节点转发示意图；

图5为节点源节点成功将数据包传送至目的节点示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的基于节点传输性能的自适应转发方法包括如下步骤：计算节点剩余能量及节点邻居变化率，设置邻居节点间的阈值调节因子，节点执行“携带-转发”操作。所述计算节点剩余能量及节点邻居变化率包括计算节点的剩余能量及归一化剩余能量，节点的邻居变化率及归一化邻居变化率；所述设置邻居节点间的阈值调节因子包括计算节点的邻居相似度，计算阈值控制因子，并比较节点的能量与阈值调节因子；所述节点执行“携带-转发”操作包括判断相遇节点是否为目的节点，若为目的节点，执行请求应答消息，若非目的节点，判断是否携带源节点消息数据，若携带源节点消息数据，相遇节点发送应答消息，若未携带源节点消息数据，将自身信息发送给源节点，源节点执行决策及判断。

图1为本发明所述方法的流程图，如图所示：源节点创建L个数据包副本，准备转发给相遇的节点，由于节点R₂的传输性能较差，故源节点S不会向节点R₂转发数据包副本，而节点R₁，R₃，R₄的传输性能优于源节点S，于是，源节点S分别向这三个节点转发个数为L₁，L₃，L₄的数据包副本，然后各个节点继续移动。

步骤一：计算节点的剩余能量及归一化剩余能量，针对单个节点i，当与另一个节点j相遇时，节点i的归一化剩余能量为节点i的邻居变化率归一化计算方法如下式，

式中，E_i——节点i的剩余能量百分比，

E_j——节点j的剩余能量百分比，

N_i——节点i的邻居变化率，

N_j——节点j的邻居变化率，当N_i＝0且N_j＝0时，令μ_N＝1/2。

步骤二：设置阈值调节因子，将邻居相似度作为调节因子，定义式D_i，j为节点i相对于节点j的阈值控制因子，定义式为：

其中，H_i和H_j分别表示相遇时刻，节点i和节点j的历史邻居变化表，显然，0≤D_i,j≤1。

步骤三：当源节点或其他携带消息m副本的节点A，与节点B相遇，交换概要向量(SV，Summary Vector)，SV主要包含了消息m的信息，当节点B接收到来自节点A的概要向量SV_A时，分以下情况：

1)若节点B就是消息m的目的节点，节点B向节点A发送请求消息，请求节点A发送消息m的数据包，节点A收到请求消息后，向节点B同时回复应答消息和消息m的数据包，当传输完成且收到节点B的确认消息后，节点A抛弃剩余的消息m副本，消息m从源节点到目的节点的传输已经实现，整个生命周期结束；

2)若节点B不是消息m的目的节点，但节点B已经携带了消息m的数据，节点B向节点A发送应答消息，告知节点A无需再转发消息m的数据包；

3)若节点B不是消息m的目的节点，也没有消息m的任何缓存信息，则将自身的信息，包括剩余能量E_B、邻居变化率NB、历史邻居列表HB，随应答消息发送给节点A，节点A通过计算P_A和D_A,B，判断是否满足P_B＞P_A+P_th·D_A,B，再做出转发决策，若满足，则转发消息m的副本给节点B，数量为其中，L_A是节点A原本携带消息包的数量，节点A自身保留个数为L_A'＝L_A-L_B的消息m副本。

步骤四：若消息m始终没有到达目的节点，当某个中继节点所携带的副本数量为1时，依然首先考虑相遇节点是否为目标节点、是否已经有消息m的副本，然后按照上述步骤，计算转发条件，若满足，将仅有的1个副本转发给该相遇节点。

图2为源节点不在目的节点传输范围内转发示意图，如图所示：源节点创建L个数据包副本，准备转发给相遇的节点，由基于节点传输性能的自适应转发方法，节点R₂的传输性能较差，故源节点S不会向节点R₂转发数据包副本，而节点R₁，R₃，R₄的传输性能优于源节点S，于是，源节点S分别向这三个节点转发个数为L₁，L₃，L₄的数据包副本，然后各个节点继续移动。

图3为“携带-转发”示意图，如图所示：携带有数据包的源节点或其他中继节点未能与目的节点相遇，经过不断地选择、转发，最终源节点S仅保留一个数据包，同时网络中存在L个节点分别携带一个数据包副本。

图4为节点一直未到达目的节点转发示意图，如图所示：源节点和携带着数据包副本的中继节点按照自适应转发方法，选择传输性能优于自身、且未有保存该数据包副本的其他节点，进行转发，数据包不断的转向传输性能更高的节点。

图5为节点源节点成功将数据包传送至目的节点，如图所示：所有携带数据包副本的节点(包括源节点和L个中继节点)，其中，节点R₆最终将数据包成功传输至目的节点D。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：计算节点剩余能量及节点邻居变化率：包括计算节点的剩余能量及归一化剩余能量，节点的邻居变化率及归一化邻居变化率；

S2：设置邻居节点间的阈值调节因子：包括计算节点的邻居相似度，计算阈值控制因子，并比较节点的能量与阈值调节因子；

S3：节点执行“携带-转发”操作：包括判断相遇节点是否为目的节点，若为目的节点，执行请求应答消息，若非目的节点，判断是否携带源节点消息数据，若携带源节点消息数据，相遇节点发送应答消息，若未携带源节点消息数据，将自身信息发送给源节点，源节点执行决策及判断。

2.根据权利要求1所述的一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，其特征在于：在步骤S1中，假设一对相遇节点i与j，节点i的传输性能定义为p_i，

p_i＝ω·μ_E+(1-ω)μ_N

其中，μ_E和μ_N分别表示节点i的剩余能量和邻居变化率的归一化值，ω∈(0,1)是预设的权重参数；

节点的剩余能量和邻居变化率属于不同的两个范畴，对其做归一化处理使用归一化方法如下：

其中x_i,x_k∈X，X＝{x₁,x₂,...,x_N}表示需要归一化的属性X的各项值，y_k为x_k的归一化值；

针对单个节点i，当与另一个节点j相遇时，节点i的归一化剩余能量为

其中，E_i为节点i的剩余能量百分比，E_j为节点j的剩余能量百分比；

若节点i与节点j相遇，节点i的邻居变化率归一化计算方法如下式，

其中，N_i为节点i的邻居变化率，N_j为节点j的邻居变化率，当N_i＝0且N_j＝0时，令μ_N＝1/2。

3.根据权利要求2所述的一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，其特征在于：在步骤S2中，将邻居相似度作为调节因子，定义式D_i,j为节点i相对于节点j的阈值控制因子，定义式为：

其中，H_i和H_j分别表示相遇时刻，节点i和节点j的历史邻居变化表，显然，0≤D_i,j≤1；

在消息转发过程中，携带消息包的节点i与未缓存该消息包的节点j相遇，若满足p_j＞p_i+p_th·D_i,j，则节点i将该数据包副本转发给节点j，否则将继续携带该消息等待与目标节点或其他中继节点相遇，其中p_i和p_j分别为节点i和j的传输性能值，Pth为预设阈值，Di,j为节点i相对于节点j的阈值控制因子；

若两个相遇节点具有多个共同的邻居节点，认为它们在最近的时间间隔内具有相似的移动特性，此时邻居相似度高，阈值相应提高，即提高了该两个相遇节点间的转发条件，从而减少消息数据包在具有相似邻居且传输性能相差不大的节点间来回传输的不必要性。

4.根据权利要求3所述的一种机会网络中基于节点传输性能的自适应转发方法，其特征在于：在步骤S3中，当源节点或其他携带消息m副本的节点A，与节点B相遇，交换概要向量(SV，Summary Vector)，SV主要包含了消息m的信息，当节点B接收到来自节点A的概要向量SV_A时，分以下情况：

1)若节点B就是消息m的目的节点，节点B向节点A发送请求消息，请求节点A发送消息m的数据包，节点A收到请求消息后，向节点B同时回复应答消息和消息m的数据包，当传输完成且收到节点B的确认消息后，节点A抛弃剩余的消息m副本，消息m从源节点到目的节点的传输已经实现，整个生命周期结束；

2)若节点B不是消息m的目的节点，但节点B已经携带了消息m的数据，节点B向节点A发送应答消息，告知节点A无需再转发消息m的数据包；

3)若节点B不是消息m的目的节点，也没有消息m的任何缓存信息，则将自身的信息，包括剩余能量E_B、邻居变化率NB、历史邻居列表HB，随应答消息发送给节点A，节点A通过计算P_A和D_A,B，判断是否满足P_B＞P_A+P_th·D_A,B，再做出转发决策，若满足，则转发消息m的副本给节点B，数量为其中，L_A是节点A原本携带消息包的数量，节点A自身保留个数为L_A'＝L_A-L_B的消息m副本；

若消息m始终没有到达目的节点，当某个中继节点所携带的副本数量为1时，依然首先考虑相遇节点是否为目标节点、是否已经有消息m的副本，然后按照上述步骤，计算转发条件，若满足，将仅有的1个副本转发给该相遇节点。