CN108848534B - 移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法 - Google Patents

移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，用于MANET网络路由协议优化领域。以时间间隔T周期性地获取所有节点的负载量信息和剩余能量信息，确定中心节点；生成预计延迟时间、请求值和负优先级，并组成请求包；将请求包发送给跟中心节点直连的第一上游节点请求降低负载量；第一上游节点生成随机值，若随机值大于请求值，则第一上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输；否则以冗余路由代替其原路径进行数据的转发，根据请求包中的负向优先级改变原路径的优先级，原路径的优先级以时间间隔T1进行周期性更新。本发明不但可以减少网络的延迟、增加节点的生存时间，而且可以减少中心节点数量并提高整个网络的安全性。

Description

移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法
技术领域
本发明属于移动自组网络(Mobile Ad-hoc NETworks，MANET)路由协议优化领域，涉及在表驱动的路由协议中减小中心节点的负载，减少网络延迟的方法，具体为MANET中自适应降低节点负载的路由方法。
背景技术
MANET无线自组网目前应用于通信的许多领域。因为MANET网络中的节点随时移动，所以MANET网络的拓扑结构具有动态变化的特点。尽管随着技术发展，处理器的计算速度、无线节点的带宽以及存储方面都有了较大的进步，但是整个网络所承载的数据流量也呈爆发式的增长。网络拓扑的变化过程中总存在一些中心节点，这些中心节点通常作为中继节点将处理比一般节点更多任务请求。如果不采用合理规划方法，中心节点需要处理较长的传输队列从而增加整个网络的延迟和丢包，并且中心节点将可能因为能量提前耗尽而停止工作，而且中心节点的存在很有可能成为恶意攻击的目标。由于无线节点的体积、电池容量、成本等条件限制，因此设计降低中心节点负载的方法具有重要的意义。
传统的MANET路由协议包括表驱动和按需驱动协议，按需驱动协议只有当源节点和目的节点需要进行通信的时候才会被触发，而表驱动协议需要周期进行路由信息的交换。
表驱动路由协议中每个节点维护一张根据自身位置所生成的拓扑表，这个表格中包含本节点到网络中其他节点的路由信息。当拓扑结构发生变化时，节点间将进行路由信息的更新从而使得路由表保持最新的状态。常见的表驱动协议有DSDV，OLSR，GSR协议及基于这些协议所衍生的协议都属于此种类型。设计者在设计协议的时候常会保存一些冗余路由来应对突发情况。传统的MANET表驱动路由协议是基于最小跳数的路由，虽然有冗余路由的存在，但避免不了一些节点负载量过大问题。
现有的文献中，已经有了一些如何降低节点负载量的方法：
(1)公开号为CN102546355A的专利，提出了一种路由器的负载均衡方法，将数个实体路由器组成虚拟路由器组，确定一个实体路由器为主控路由器，其余的实体路由器为备份路由器，主控路由器用于响应和转发数据包，备份路由器处于待命状态；设定流量阈值并监控主控路由器的负载流量；此发明将整个拓扑结构进行分割，主路由器在到达阈值的时候才会分配流量，这样限制了节点寻找最佳路由的选择，使得整个网络的总开销变大，通用性不强。
(2)公开号为CN106658605A的专利，提出了基于分布式网络负载感知的路由方法。此发明计算备选路径的路径归一化网络负载，选择网络负载低的路径进行转发数据包。此种方法不能避免在较大的拓扑模型下出现多条路由中交叉节点的负载过高，容易陷入局部最优，并且此方法需要计算出所有可能的路径，计算量较大。
上述方案虽然可以降低开销，但仍存在资源浪费严重、计算量大、通用性不高。
发明内容
为解决该问题，提出了移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法。本发明适用于MANET网络中有冗余路由存在的表驱动路由协议，目的是用较少的资源克服现有技术的不足，根据MANET中基于能效的路由更新方法，提出了MANET中基于能效的路由更新方法，使得整个网络的生存时间变长，延迟和丢包率降低。本发明的MANET中自适应降低节点负载的路由方法，包括以下步骤：
S1、以时间间隔T周期性地获取所有节点的负载量信息和剩余能量信息，确定中心节点；
S2、所述中心节点根据其负载量生成预计延迟时间和请求值，根据该中心节点的剩余能量生成负优先级，将所述请求值和所述负向优先级组成一个请求包；将此请求包发送给跟中心节点直连的第一上游节点请求降低负载量；
S3、第一上游节点生成随机值，若随机值大于请求值，则第一上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输；否则，进入步骤S4；
S4、第一上游节点判断其是否存在不经过中心节点仍能到达目的节点的冗余路由；若不存在，则第一上游节点将请求包发送给其上游的第二上游节点后，执行步骤S5；若存在，则执行步骤S6；
S5、第二上游节点判断其是否存在不经过中心节点仍能到达目的节点的冗余路由；若不存在，则第二上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输，若存在，则执行步骤S6；
S6、以冗余路由代替其原路径进行数据的转发，根据请求包中的负向优先级改变原路径的优先级，原路径的优先级以时间间隔T1进行周期性更新。
进一步的，中心节点的确定方法包括判断节点的负载量是否在负载门限值内，剩余能量是否在能量门限值内；若负载量在负载门限值内或/和剩余能量在能量门限值，则该节点为中心节点。
进一步的，
Figure BDA0001708664700000031
进一步的，所述繁忙值的计算方法包括根据当前的传输队列计算出传输队列中各个节点的任务请求所占比例，即若节点总的传输队列长度为L，从第一上游节点总共接收到的任务请求长度为R_B，则对于第一上游节点的繁忙值计算方式为
Figure BDA0001708664700000032
进一步的，所述能量条件值由能量门限对应，当能量门限为20％～100％时，能量条件值为0，当能量门限为10％～20％时，能量条件值为0.1，当能量门限为5％～10％时，能量条件值为0.2，当能量门限为0～5％时，能量条件值为0.4。
进一步的，所述负向优先级的计算方式包括：
负向优先级＝3+10×能量条件值。
进一步的，步骤S6中根据请求包中的负向优先级改变原路径的优先级，原路径的优先级以时间间隔T1进行周期性更新包括将原路径的优先级减去请求包中的负向优先级，原路径进行周期性的还原，节点将原路由的优先级下降后，每等待时间T1，原路径的优先级增加1，直到恢复原本优先级为止。
本发明的中心节点计算当前消息处理情况和剩余能量，如果时延或剩余能量到达一定的门限，中心节点向上游节点发出降低负载的请求，上游节点根据从中心节点发来的请求包中的请求值概率性的改变其路由路径，引入随机概率公平的改变上游节点的路由路径。
当节点的预计延迟时间达一定的门限值的时候或者节点的能量降低到预定的门限值内启动降低负载的请求。
本发明的有益效果：
本发明适用于MANET网络中有冗余路由存在的表驱动路由协议，根据MANET中基于能效的路由更新方法，提出了MANET中基于能效的路由更新方法，使得整个网络的生存时间变长，延迟和丢包率降低。
本发明可广泛的适用于存在冗余路由的表驱动路由协议，中心节点通过计算发出的请求包中的值可以使得上游一定范围内的节点自适应得改变路由路径。通过引入负向优先级使网络节点自适应的避开高负载的节点，在一定的恢复时间后能继续在最优路由路径中传输；通过本发明提供的方法可以减少网络的延迟，增加节点的生存时间，减少中心节点数量，提高整个网络的安全性。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明的实施例中节点的负载情况和通过本发明的方法改变原本路径图；
图3为使用本发明降低负载的方法和未使用本发明降低负载的方法的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明采用的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法包括：
S1、以时间间隔T周期性地获取所有节点的负载量信息和剩余能量信息，确定中心节点；
S2、所述中心节点根据其负载量生成预计延迟时间和请求值，根据该中心节点的剩余能量生成负优先级，将所述请求值和所述负向优先级组成一个请求包；将此请求包发送给跟中心节点直连的第一上游节点请求降低负载量；
S3、第一上游节点生成随机值，若随机值大于请求值，则第一上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输；否则，进入步骤S4；
S4、第一上游节点判断其是否存在不经过中心节点仍能到达目的节点的冗余路由；若不存在，则第一上游节点将请求包发送给其上游的第二上游节点后，执行步骤S5；若存在，则执行步骤S6；
S5、第二上游节点判断其是否存在不经过中心节点仍能到达目的节点的冗余路由；若不存在，则第二上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输，若存在，则执行步骤S6；
S6、以冗余路由代替其原路径进行数据的转发，根据请求包中的负向优先级改变原路径的优先级，原路径的优先级以时间间隔T1进行周期性更新。
中心节点的确定方法包括判断节点的负载量是否在负载门限值内，剩余能量是否在能量门限值内；若负载量在负载门限值内或/和剩余能量在能量门限值，则该节点为中心节点。
Figure BDA0001708664700000051
所计算出的请求值就是中心节点希望对应的上游节点改变路由的强烈程度，反应在上游节点根据这个请求值的大小概率改变其路由路径。
所述繁忙值的计算方法包括根据当前的传输队列计算出传输队列中各个节点的任务请求所占比例，若节点总的传输队列长度为L，从第一上游节点总共接收到的任务请求长度为R_B，则对于第一上游节点的繁忙值计算方式为
Figure BDA0001708664700000061
负载量是中心节点触发降低负载请求的条件之一，负载量体现在预计延迟时间大长短。预计延迟时间的大小反应在中心节点的两个指标：
a.中心节点的队列缓存器中已使用的容量M；
b.链路的传输速率R b/s。
预计延迟时间t＝M/R，当预计延迟时间t大于等于预定的门限值时启动降低负载的请求。
所述能量条件值由能量门限对应，当能量门限为20％～100％时，能量条件值为0，当能量门限为10％～20％时，能量条件值为0.1，当能量门限为5％～10％时，能量条件值为0.2，当能量门限为0～5％时，能量条件值为0.4。
具体的，当中心节点的能量小于20％的时候触发降低负载请求。而在20％内的能量细分为三种能量状态，如表1下所示，每种能量状态对应一种能量条件值用于后面的计算：
表1能量门限与能量条件值对应关系表
能量状态(state) 能量门限 能量条件值
power_normal(正常) 20％-100％ 0
power_low(低) 10％-20％ 0.1
power_less(较低) 5％-10％ 0.2
power_little(很低) 0-5％ 0.4
所述负向优先级的计算方式包括负向优先级＝3+10×能量条件值。负向优先级主要是为了避免因为降低负载请求而使得上游节点长期不选择最优路径。
作为另一种可选方式，
本发明通过设置两个定时器实现控制请求的频率和原路由优先级的恢复，具体内容如下：
请求定时器：以间隔T周期性的获取所有节点的负载量信息和剩余能量信息，在一段时间内只能发送一次降低负载请求，防止节点频繁发出请求。
更新定时器：每当上游节点降低原路由(原路径)的优先级后，每隔间隔T1原路由的优先级逐步恢复；如果节点的能量较低，该节点发送较高的负向优先级，这样就能使得上游节点较长时间减小此节点的负载。因为节点的负载通常是随机的，如果节点只是因为负载较高而请求降低负载，那么在短时间内上游节点将不会增加中心节点的负载。
为使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的自适应降低中心节点负载的方法进行详细描述：
本发明采用的优选实施例的流程图如图1所示，根据图1所述的自适应降低中心节点负载的方法具体实施步骤如下：
获取当前节点的负载量信息和剩余电量信息，判断剩余电量是否在能量门限值内或/和负载量是否在负载量门限值内，若没有，则等待下一个检测周期T，再进行获取当前节点的负载量信息和剩余电量信息；否则，当前节点生成负载降低请求包，将该请求包发送给上游节点，上游节点产生随机值，若随机值小于等于请求值，若否，则保持原路由路径进行传输，否则，判断是否存在可替换的冗余路由，若存在，根据该冗余路由替换原路径，否则将请求包发送给更上游的节点，再判断是否存在可替换的冗余路由，若存在，则根据该冗余路由替换原路径，若不存在则保持原路径；再替换原路径后，根据时间间隔T1，周期性的减小原路由的优先级，直到恢复原本优先级为止。
如图2中(a)所示，在MANET网络拓扑结构中，中心节点A接收来自第一上游节点B、C、D的负载请求。中心节点A将进行S11-S31步骤：
步骤S11、中心节点A周期获取当前节点的负载量信息和剩余能量信息；
步骤S21、判断条件1：计算出的负载量是否在负载量门限值内，判断条件2：剩余能量是否在能量门限值内；
步骤S31、若上述两个判断条件都不满足则等待下一次检测时执行步骤S11，若上述两个判断条件满足任意一项则该节点启动请求降低负载的进程，执行步骤S41；
步骤S41、中心节点A根据传输队列缓存中每个上游节点的负载量所占比和中心节点A的剩余能量计算出范围为0～1的请求值。中心节点A根据所剩能量计算出负向优先级，中心节点A将请求值和负向优先级组成一个请求包，将请求包发送给对应的第一上游节点，如图2中的(b)所示；
步骤S51、第一上游节点获取请求包中的请求值后从0到1计算出一个随机值。如图2中的(c)所示，第一上游节点C所生成的随机值大于请求值，第一上游节点C继续保持当前的路径进行路由传输。第一上游节点B，D所生成的随机值小于等于请求值，进行步骤S61；
步骤S61、第一上游节点B，D检查路由表中是否存在避开节点A又能到达目的节点的冗余路由，第一上游节点D不存在此冗余路由，执行步骤S71，而第一上游节点B存在可替换的冗余路由，执行步骤S81；
步骤S71、第一上游节点D将带有请求值的负载降低请求发送给D的第二上游节点J，第二上游节点J重新判断是否存在避开中心节点A和第一上游节点D又能到达目的节点的冗余路由，若不存在符合条件的可用的冗余路由，则节点J继续保持当前路径进行路由，而第二上游节点J若存在符合条件的可用冗余路由，执行骤S81；
步骤S81、节点J以符合条件的冗余路由代替当前的路由进行数据的转发。将原始的路由路径的优先级减去请求包中的负向优先级。这些节点的优先级会周期还原。
其中，标号为1、2、3的三条线路分别表示三条路由，以标号为3的线路为例，在中心节点A未发出请求降低负载时，第一上游节点D经过中心节点A达到目的节点I；在第一上游节点D接收到负载请求时，第一上游节点D不存在不经过节点A，仍能到达目的节点I的冗余路由；则节点D向其上游的第二上游节点J转发负载请求，第二上游节点J存在不经过中心节点A却仍能到达目的节点I的冗余路由，即第二上游节点J→节点K→节点F→目的节点I。
因此将该冗余路由(第二上游节点J→节点K→节点F→目的节点I)代替原路径(第一上游节点D→中心节点A→目的节点I)；从而降低了中心节点的负载。
作为另一种可选方式：本实施例的路由概率变化的范围是距离中心节点两跳范围内的节点，即只有与中心节点直连的上游节点才可将数据包转发给更上游的节点，其他节点并不会再次转发数据包。本发明可以根据MANET实际的拓扑规模、复杂程度、冗余路由数量等因素将负载降低请求的目的节点范围进行合理的变化，使得距离中心节点更大范围内的上游节点都可以进行请求包的转发和冗余路由的替换从而更大化的降低中心节点的负载。
从图3中可以看出在MANET中采用本发明使用的路由方法，各个上游节点以泊松分布的事件到达率将任务请求发送给负荷节点(中心节点)；各上游节点等待负荷节点处理任务的平均等待时间随着上游节点的增多而逐渐趋于3ms；相比之下，在使用本发明移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法后，负荷节点根据自身的负荷(或负载)情况发送降低负荷的请求，可以实现降低约30％的平均等待时间。
以上实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以时间间隔T周期性地获取所有节点的负载量信息和剩余能量信息，确定中心节点；
S2、所述中心节点根据其负载量生成预计延迟时间和请求值，根据该中心节点的剩余能量生成负向优先级，将所述请求值和所述负向优先级组成一个请求包；将此请求包发送给跟中心节点直连的第一上游节点请求降低负载量；
S3、第一上游节点生成随机值，若随机值大于请求值，则第一上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输；否则，进入步骤S4；
S4、第一上游节点判断其是否存在不经过中心节点仍能到达目的节点的冗余路由；若不存在，则第一上游节点将请求包发送给其上游的第二上游节点后，执行步骤S5；若存在，则执行步骤S6；
S5、第二上游节点判断其是否存在不经过中心节点仍能到达目的节点的冗余路由；若不存在，则第二上游节点到达目的节点的路由保持其原路径进行传输，若存在，则执行步骤S6；
S6、以冗余路由代替其原路径进行数据的转发，根据请求包中的负向优先级改变原路径的优先级，原路径的优先级以时间间隔T1进行周期性更新。
2.根据权利要求1所述的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，中心节点的确定方法包括判断节点的负载量是否在负载门限值内，剩余能量是否在能量门限值内；若负载量在负载门限值内或/和剩余能量在能量门限值，则该节点为中心节点。
3.根据权利要求1所述的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，所述
Figure FDA0003097158110000011
4.根据权利要求3所述的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，所述繁忙值的计算方法包括根据当前的传输队列计算出传输队列中各个节点的任务请求所占比例，即第一上游节点的繁忙值计算方式为：
Figure FDA0003097158110000021
其中，L表示所有节点总的传输队列长度，R_B表示从第一上游节点总共接收到的任务请求长度。
5.根据权利要求4所述的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，所述能量条件值由能量门限对应，当能量门限为20％～100％时，能量条件值为0，当能量门限为10％～20％时，能量条件值为0.1，当能量门限为5％～10％时，能量条件值为0.2，当能量门限为0～5％时，能量条件值为0.4。
6.根据权利要求5所述的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，所述负向优先级的计算方式包括：负向优先级＝3+10×能量条件值。
7.根据权利要求1所述的移动自组网络中自适应降低节点负载的路由方法，其特征在于，步骤S6中根据请求包中的负向优先级改变原路径的优先级，原路径的优先级以时间间隔T1进行周期性更新包括将原路径的优先级减去请求包中的负向优先级，原路径进行周期性的还原，节点将原路径的优先级下降后，每等待时间间隔T1，原路径的优先级增加1，直到恢复原本优先级为止。
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RM-MAC: A routing-enhanced multi-channel MAC protocol in duty-cycle sensor networks;Ye Liu，Hao Liu， Qing Yang， Shaoen Wu;《2015 IEEE International Conference on Communications (ICC)》;20150910;全文 *
基于多路径的无线传感器网络拥塞控制算法;赵杰，葛艳，李桂青;《信息与电脑(理论版)》;20180215;全文 *

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