CN107969021A - 一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略 - Google Patents
一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略的方法。对于紧急突发事件，执行器迅速感知和采取措施是至关重要的，此时通信代价和网络寿命的重要性次之。而对于其余事件，通信代价和网络寿命是相对更加重要的因素，快速反应次之。然而大多数情况下，这些需求并不能被同时满足。为解决这一矛盾，我们在本文中提出了一种叫做ACCDS的机制。该机制的主要思想为：源节点根据事件的延迟敏感程度而自适应的调整发出搜索执行器路由(SAR)的数量。对于延迟敏感的事件，发出较多数量的SAR，因而能够在短时间内找到与通知执行器，从而对事件进行快速处理，但通常会产生较大的通信代价。对于延迟不敏感的事件，发出较少数量的SAR，减小通信代价，延长网络寿命。故ACCDS采用区分服务的策略能够较好的满足不同事件的服务质量需求。同时,执行器依据自身移动的位置、速度、事件到达执行器代价的计算结果而触发位置信息扩散路由,以便于事件更加容易找到合适的执行器装置,从整体上减少网络通信代价,提高网络性能。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络性能优化方面相关领域，特别涉及一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略的方法。
背景技术
采用经济合算的方式部署网络是无线传感执行网络(WSANs)的核心问题，网络延迟和通信代价也是考量该无线传感执行网络的重要性能指标。本发明主要关注于对网络延迟和通信代价的研究。
(1)传感器节点与执行器之间的通信问题。此类研究主要关注于如何提供有效的通信方式,从而使网络的通信有效、快速或者高吞吐量，然而却没有考虑延迟的问题。由于执行器拥有比传感器节点高得多的能量与通信能力,因而执行器之间通信可以用传送距离更远,吞吐量更高的通信方式。但出于通信代价的考虑,在WSANs中往往只部署少量的几个执行器，形成几个分区。故Selvaradjou等人提出了如何通过传感器节点建立执行器分区之间有效路由的办法。Long等人将Selvaradjou等人的研究更推进了一步，他们提出了一个名为HTDM的策略，理论分析和实验结果表明，HTDM能够将网络的吞吐量提高数倍，具有很好的意义。
(2)控制执行器的有效移动以提高数据收集效率的研究。在上面所述的研究中,对执行器的移动性关注较小,执行器的主要功能相当于无线传感网络中的基站。He等人提出了一种叫做EMD的策略，在该机制中，源行动者在移动过程中将要传播的数据存储在传感器节点中。如果目的执行器经过存储该数据的节点时，其存储的数据就能够被传送给目的执行器，从而达到数据传播的目的。但是，在这一类的研究中，延迟没有被重点考虑。
(3)对时间消息延迟综合考虑的研究。在这类研究中，能量消耗和传播延迟均被视为重要的性能指标。这与本文研究的目标是一致的。在一些研究中，探测者在探测到事件之前在网络周围随机探测，当事件发生时，执行器可能会距离事件比较远，从而执行器移动到该事件需要较长的时间并且会带来较大的通信代价。Dong等人提出了一种叫做RENDEZVOUS的方法，在保证传感器节点的能量消耗较小的情况下加速探测者探测事件的进程。为实现上述目的，执行器通过强化学习技术被控制在事件周围移动。Chie等人提出辅助追踪路由机制，可以在目标移动的情况下仍然能够有效的建立与移动基站之间的路由。
发明内容
本发明提供了一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略的方法，其目的在于，通过根据事件的延迟敏感程度自适应的调整发出SAR的数量，从而实现对于延迟敏感事件的网络延迟的缩短以及对于非延迟敏感事件通信代价的降低，克服了在以往协议中不同要求不能够被同时满足的问题。
一种无线传感器网络中基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略的方法，依据事件的延迟敏感程度而自适应的调整发出SAR的数量；
对于延迟敏感事件，发出较多数量SAR，因而能够在短时间内找到与通知执行器，从而对迅速反应，对事件采取相应措施，但是要以较大的通信消耗作为代价；对于非延迟敏感事件，发出少量SAR，从而降低网络的通信代价，延长网络寿命；
作为本发明的方法的进一步改进：
优选地，本发明初始路径设置方法采用泛搜索路由选择方法；
优选地，泛搜索路由选择方法由于能量消耗巨大，因而只在本发明方法的初始化阶段采用一次。但执行器和事件的不断移动可能会导致上述路由方法的失效，此时若执行器/事件移动距离较小，本发明采用目标跟踪的方法来建立跟踪路径以保证执行器与事件之间的路由仍然正常工作；
优选地，本发明方法中提出了一种叫做有界路由位置传播方法(BRPDL)，解决了随着事件与执行器移动距离的加长，能量消耗和延迟均加大的问题。BRPDL的具体路由方法如下：执行器将自己的ID、位置以及扩散路由类型等信息形成一个信息包传递给自己所在单元的管理者Gi，Gi先将信息包沿水平向左、向右的方向进行传递，每个接收到该信息包的管理者，将包中所含有的执行器的ID以及位置一并取出并存储在本地。数据包继续向前路由，直到到达网络边界为止。Gi同时将数据包在垂直方向上采用类似的方法路由到网络边界为止。这样，形成了以执行器为交叉点的十字行两条路由路径，这两条路径上所有不同单元的管理者节点均存储有该执行器的ID和位置信息。
优选地，在本发明方法中，当执行器通过计算得到需要进行位置信息扩散时，执行BRPDL方法。执行器计算方法如下：
即：Si＞c2时执行有限位置路由扩散算法。
其中：Si表示Ai位置更新后的总收益，Si,i表示Ai对于事件ei距离上次位置扩散后的收益，y为向Ai报告的事件的个数，为Ai距离上次位置扩散后移动的距离，为事件ei在到达Ai在更新之前所需要的跳数，为ei直线到达Ai所需要的跳数，gi为ei在平均一次更新后发送的数据包的个数，εt与εr分别表示接收与发送一个数据包的能量消耗，M表示GH的个数。
优选地，在本发明方法中，当执行器接收到某时间的消息并发现事件到达自己的路由绕路超过预定的阀值时,执行器便主动发起直接到达该事件的简化II路由,它针对减少通信代价而提出的。它的计算方法如下：
即：Ui,k＞c4时Ai发起一次对事件ei的简化II路由；
其中，ηk为一次简化II路由更新后发送数据包的个数，公式中其余参数的含义参见权利要求3中所述。
优选地，本发明方法中，对于事件到达执行器的路由建立有两种情况：
(1)主动建立与更新方式。本发明采用区分服务的方法，首先根据事件的敏感程度确定出发出SAR的条数，路由线路应该均匀的分布在网络上以取得最佳的搜索效果。SAR路由中信息包括事件的ID、位置以及多个复表，每个复表中包含执行器的ID、位置，事件发生的时刻以及执行器位置更新的时刻。
SAR在路由过程中每经过一个中转节点则询问是否保存有执行器位置信息。如果查询到比自己还新的执行器的存储信息，则从此中转节点起发起向该执行器进行地理路由，遇到一个心的位置信息则由此即就发起一条新的地理路由。原来的SAR继续向前路由，直到路由到网络边界或者到达执行器为止。
当执行器接收到时间的消息后，分为二种情况：一种是需要执行器移动到事件所在的位置进行处理。另一种是不需要执行器移动的事件，这时，执行器就直接向Gθ，1发送消息，Gθ，1将建立到达执行器的路由。
(2)消息路由过程中的自动更新方式。If Gθ，i正在沿已经建立到的路由路径路由event message,且在路由中发现有更新的位置信息·这时需要更改Gθ，i到的路由.
优选地，SAR的数量是依据事件的紧急程度来自适应调整的。由于SAR首先发出探测执行器的路由以保证一定可以找到相关执行器。然后，发起水平或者垂直的SAR。这样保证能够扩散路由于执行器的位置一定相交，从而可能加快找到执行器的速度。对延迟非常敏感的事件，则沿以上SAR不同的方向发起更多的SAR。可见，SAR的数量最少为执行器的数量。而对于对延迟不敏感的事件则只需增加一条水平的SAR可满足应用的需求。对于介于二者之间的中等紧急时间，则为在前面的基础上增加1条垂直的SAR。对高度紧急事件，则再在上面基础上增加1-2条SAR以能够满足应用的需求。
有益效果
本发明首次提出了对于延迟敏感程度不同的事件进行区分服务的方法。据我们所知，以往的研究对所有事件都是采用相同的处理方法，从而导致已经提出的方法不能满足事件的对性能有不同需求的情况。因而本文首次提出区分服务的框架来结局这一矛盾，从根本上提出新的解决方法，具有很重要的意义。
本发明采用自适应的控制方法在通信代价与延迟之间取得权衡优化，较好的满足了应用的需求。在本发明方法中，依据事件对延迟的敏感程度的不同而发出不同数量的SAR的路由。对于紧急事件采用数量多的SAR以减少搜索执行器带来的延迟，对于非延迟敏感事件发出少量SAR以减少能量消耗提高网络寿命。另外,执行器依据自身的位置以及与事件的路由路径情况发起有限的位置扩散路由，不但极大地减少了以往研究中采用泛搜索路由选择带来的严重能量消耗，同时还可以纠正执行器对于事件之前的迂回路径。这样即可以减少事件传送到执行器的时间，也减少了网络能量消耗。因而，本发明方法具有比以往策略更高的性能，适用WSANs的各种事件与应用场景。
通过我们的理论分析以及大量的实验研究表明，本发明方法对于延迟敏感事件的延迟可以缩短月23.21％，对于非延迟敏感事件的通信代价可以降低21.16％。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为WSANs体系结构的模型图；
图2为产生紧急事件1之后WSANs的状态图；
图3为产生紧急事件2之后WSANs的状态图；
图4为WSANs中路由路径调整的结果表示图；
图5中(a)为不同执行器数量的情况下执行器位置确定所需要的跳数的折线图；(b)为在不同的移动速度下，ACCDS机制确定执行器位置所需要的跳数的条形统计图；
图6中(a)为在目标数量不同的情况下，从源节点到执行器所需要跳数的折线图；(b)为在目标移动速度以及执行器移动速度不同的情况下，在本发明所提出的方法中，从源节点到执行器所需要跳数的条形统计图；
图7中(a)为不同机制在不同执行器数量下的能量消耗比较折线图；(b)为本发明所提供方法在不同目标移动速度以及不同执行器移动速度的情况下，所消耗能量的统计条形图；
具体实施方式
下面将结合实例和附图对本发明做进一步的说明。
一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略，如图1所示，为WASNs的网络体系结构图，本发明为在该体系结构图上展开研究；
本发明依据事件的延迟敏感程度而自适应的调整发出SAR的数量；对于延迟敏感事件，发出较多数量SAR，因而能够在短时间内找到与通知执行器，从而对迅速反应，对事件采取相应措施，但是要以较大的通信消耗作为代价；对于非延迟敏感事件，发出少量SAR，从而降低网络的通信代价，延长网络寿命；
图2为紧急事件1出现后WASNs的网络传播状态图。图中可以看出有时虽执行器离紧急事件非常近，但告警消息却要走出一条比最近距离长几倍的路径，即浪费能量又增加延迟，造成一些不必要的损失。
图3为紧急事件2出现后WASNSs的网络传播状态图。同样可以观察到，有消息传递时，路由路径要比最短路径长出数倍的距离，造成能量的无谓消耗以及消息延迟的加长。
图2和图3即展示了因以往策略由于没有提供区分服务的能力.因而导致紧急事件不能得到快速的反应,而非延迟敏感事件也不能区分服务以节省通信代价.导致网络服务质量不好.
图4为对WASNs的路由路径进行调整后的传播状态表示图。在本发明方法中，对于事件到达执行器路由的建立有两种方式：
(1)主动建立与更新方式。本发明采用区分服务的方法，首先根据事件的敏感程度确定出发出SAR的条数，路由线路应该均匀的分布在网络上以取得最佳的搜索效果。SAR路由中信息包括事件的ID、位置以及多个复表，每个复表中包含执行器的ID、位置，事件发生的时刻以及执行器位置更新的时刻。
SAR在路由过程中每经过一个中转节点则询问是否保存有执行器位置信息。如果查询到比自己还新的执行器的存储信息，则从此中转节点起发起向该执行器进行地理路由，遇到一个心的位置信息则由此即就发起一条新的地理路由。原来的SAR继续向前路由，直到路由到网络边界或者到达执行器为止。
当执行器接收到时间的消息后，分为二种情况：一种是需要执行器移动到事件所在的位置进行处理。这时执行器就向移动。另一种是不需要执行器移动的事件，这时，执行器就直接向Gθ，1发送消息，Gθ，1将建立到达执行器的路由。
(2)消息路由过程中的自动更新方式。If Gθ，i正在沿已经建立到的路由路径路由event message,且在路由中发现有更新的位置信息.这时需要更改Gθ，i到的路由.
图5中(a)为不同执行器数量的情况下执行器位置确定所需要的跳数的折线图；从该图中可以得出：在本发明所提出的ACCDs机制中，确定执行器位置所需要的跳数随着执行器数量的增加而增加，而在其余机制中，确定执行器位置的跳数随执行器数量的增加而减少；本发明方法ACCDs机制确定执行器位置所需的跳数始终介于其余两种机制之间；(b)为在不同的移动速度下，ACCDS机制确定执行器位置所需要的跳数的条形统计图；从图总可以看出，本发明方法中，确定执行器位置所需要的跳数随着执行器移动速度的增加而增加，也随着目标移动速度的增加而增加。
图6中(a)为在目标数量不同的情况下，从源节点到执行器所需要跳数的折线图；(b)为在目标移动速度以及执行器移动速度不同的情况下，在本发明所提出的方法中，从源节点到执行器所需要跳数的条形统计图；从这两个图可以看出，源节点到执行器所需要的跳数随着目标移动速度的增加而减少；
图7中(a)为不同机制在不同执行器数量下的能量消耗比较折线图；(b)为本发明所提供方法在不同目标移动速度以及不同执行器移动速度的情况下，所消耗能量的统计条形图；从图中可以看出，本发明所提出方法在不同执行器数量下的能量消耗比其它机制的能量消耗有所降低，并且ACCDs机制的能量消耗随着执行器移动速度的增加而增加。
综上所述，本发明所述方法采用自适应的控制方法在通信代价与延迟之间取得权衡优化，较好的满足了应用的需求。对于延迟敏感以及延迟非敏感事件进行区分服务，使网络性能达到最优化。
Claims (6)
1.一种基于区分服务的事件与执行器间的高效路由策略的方法，其特征在于：采用区分服务的策略满足不同事件的服务质量需求；
对于延迟敏感的事件，紧急反应至关重要，通信代价与网络寿命次之，因为所发明方法在该情形下发出较多数量的SAR，在短时间内找到与通知执行器，从而对事件进行快速处理；
对于延迟不敏感的事件，通信代价和网络寿命相对重要，紧急反应次之，因为在该情况下发出较少数量的SAR，减小通信代价，延长网络寿命。
2.根据权利要求1所述的方法，对于事件到达执行器的路由建立有两种情况：
(1)主动建立与更新方式。本发明采用区分服务的方法，首先根据事件的敏感程度确定出发出SAR的条数，路由线路应该均匀的分布在网络上以取得最佳的搜索效果。SAR路由中信息包括事件的ID、位置以及多个复表，每个复表中包含执行器的ID、位置，事件发生的时刻以及执行器位置更新的时刻。
SAR在路由过程中每经过一个中转节点则询问是否保存有执行器位置信息。如果查询到比自己还新的执行器的存储信息，则从此中转节点起发起向该执行器进行地理路由，遇到一个新的位置信息则由此即就发起一条新的地理路由。原来的SAR继续向前路由，直到路由到网络边界或者到达执行器为止。
当执行器接收到事件的消息后，分为二种情况：一种是需要执行器移动到事件所在的位置进行处理。另一种是不需要执行器移动的事件，这时，执行器就直接向Gθ，1发送消息，Gθ，1将建立到达执行器的路由。
(2)消息路由过程中的自动更新方式。If Gθ，i正在沿已经建立到的路由路径路由时间消息，且在路由中发现有更新的位置信息。这时需要更改Gθ，i到的路由。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，本发明方法所提出机制ACCDs需要对如下参数进行设定：(1)执行器进行位置传播路由的时机；(2)执行器发起简化II路由的时间；(3)时间发起SAR的时间以及SAR数量的取值。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，执行器进行位置传播路由的时机取决于执行器的移动情况。显然，执行器自上次位置扩散后，如果移动的路径越长，则越需要进行位置扩散。相反，如果执行器一直没有移动，则不需要扩散其位置信息，因为传感器节点此时存储的信息就是当前状态的信息。我们采取基于代价的方法，即当执行器进行位置扩散所带来的收益超过其付出的代价时就执行有限位置路由扩散(BRPDL)算法。计算公式为：
即：Si＞c2时执行有限位置路由扩散算法。
其中：Si表示Ai位置更新后的总收益，Si,i表示Ai对于事件ei距离上次位置扩散后的收益，y为向Ai报告的事件的个数，为Ai距离上次位置扩散后移动的距离，为事件ei在到达Ai在更新之前所需要的跳数，为ei直线到达Ai所需要的跳数，gi为ei在平均一次更新后发送的数据包的个数，εt与εr分别表示接收与发送一个数据包的能量消耗，M表示GH的个数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述执行器发起的简化II路由，是本发明方法中针对减少通信代价而提出的。简化II路由发起的时机为：当执行器接收到某时间的消息并发现事件到达自己的路由绕路超过预定的阀值时,执行器便主动发起直接到达该事件的简化II路由,这样,事件就通过简化II路由直接到达执行器。计算公式为：
即：Ui,k＞c4时Ai发起一次对事件ei的简化II路由；
其中，ηk为一次简化II路由更新后发送数据包的个数，公式中其余参数的含义参见权利要求3中所述。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述SAR的发起时机，即指如果时间刚发生时，如果没有建立起到达执行器的路由，则需要发起SAR。而对于已经建立起到达执行器路由的事件，仅在事件对延迟的敏感性上升时，时间才会发起SAR。
所述SAR的数量是依据事件的紧急程度来自适应调整的。由于SAR首先发出探测执行器的路由以保证一定可以找到相关执行器。然后，发起水平或者垂直的SAR。这样保证能够扩散路由于执行器的位置一定相交，从而可能加快找到执行器的速度。对延迟非常敏感的事件，则沿以上SAR不同的方向发起更多的SAR。可见，SAR的数量最少为执行器的数量。而对于对延迟不敏感的事件则只需增加一条水平的SAR可满足应用的需求。对于介于二者之间的中等紧急时间，则为在前面的基础上增加1条垂直的SAR。对高度紧急事件，则再在上面基础上增加1-2条SAR以能够满足应用的需求。
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