CN108990128A - 移动网络中基于移动感知的路由设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了移动网络中基于移动感知的路由设计方法，主要用于解决稀疏移动网络中端到端的数据传输无法同时满足时延约束以及高能效性。本发明的方法实现过程为：将一个时间段的一系列动态网络拓扑构建成一个虚拟的空时拓扑；确定空时拓扑中每条链路的能量消耗；根据时延约束获取空时拓扑的子拓扑，并在该子拓扑中基于修改的最短路算法寻找源、目的节点之间的最低能耗路径；如果端到端的空时路径不存在，则将时延约束放松，重复上述步骤。本发明提出的方法能够权衡端到端的数据传输时延以及能量消耗，可用于D2D网络、无线传感器网络、车联网络等。

Description

移动网络中基于移动感知的路由设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及移动网络中基于移动感知的路由设计方法，解决在稀疏移动网络中端到端的数据传输在满足软时延约束的同时降低能量消耗，可用于D2D网络、无线传感器网络，车联网络。

背景技术

无线网络(包括D2D网络、传感器网络等)在军事、工业、交通、环境监管等方面有着非常广泛的应用。网络中的节点通常是移动的。这一动态特性为无线网络的路由设计带来了一定的挑战，比如网络连通性难以维持、传输时延以及能耗的增加等。特别是对于稀疏的无线网络，其在每一时隙的拓扑结构几乎都是不连通的。因此，有必要在低节点密度的移动无线网络中研究网络的路由设计，即如何在端到端传输的时延约束下，尽可能地降低数据传输的能量消耗。

对于动态的随机移动网络，J.La等作者在文章“Distribution of pathdurations in mobile ad hoc networks and path selection”中分析了端到端路径持续时间的概率分布以及稳定可靠路径的选择。然而稳定可靠的路径选择并没有考虑能耗等开销因素。此外，人类行为90％以上是可预测的而非完全随机，比如实时的公共交通调度、工作人员的上下班统计等。面向移动感知的移动网络， S.Chaudhari等作者在文章“MAEER:mobility aware energy efficient routing protocol for internet of things”中提出了能量高效的路由算法。然则其提出的路由算法要求网络拓扑是时时连通的，难以应用于稀疏的移动网络，也没有考虑端到端的传输时延要求。

发明内容

本发明实施例提供了移动网络中基于移动感知的路由设计方法，以解决现有技术中的问题，能够在稀疏的移动网络中保证端到端数据传输的软时延要求，提高传输的能量有效性。

本发明提供了移动网络中基于移动感知的路由设计方法，包括如下步骤：

步骤1，一个时间段T内的一系列动态网络拓扑为{G^t(V,E^t)|t＝1,2,…,T}，其中，V表示节点集合，E^t表示在t时隙的链路集合，根据该动态网络拓扑构建一个虚拟的空时拓扑其中表示虚拟化的节点集合，ε为空间链路和时间链路的集合；

步骤2，在空时拓扑中，确定数据在空间链路上传输以及时间链路上维持的能量消耗；

步骤3，根据时延约束D获取空时拓扑的子拓扑，并在该子拓扑中利用基于修改的最短路算法寻找源节点s与目的节点d之间最低能耗的空时路径；

步骤4，若源、目的节点之间不存在一条空时路径，则放松时延约束至D+1，重复步骤3。

本发明实施例中的移动网络中基于移动感知的路由设计方法，面向稀疏的移动无线网络，综合考虑端到端数据传输的时延以及能耗。通过构建虚拟的空时拓扑，并基于修改的最短路算法得到时延软约束下端到端的最低能耗空时路径。本发明具有如下优点：1)采用时延软约束，确保源、目的节点之间空时路径的存在性；2)能够在高概率不连通的动态拓扑中得到一条空时路径，即满足端到端数据传输对时延的要求，同时提高传输的能量有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一系列静态拓扑以及对应的空时拓扑示例图，其中节点4至节点1的一条空时路径如虚线箭头所示；

图2为本发明仿真过程中连续多个时隙的网络拓扑变化情况示例图；

图3为本发明路径损耗因子为2时能量消耗与时延的权衡关系仿真图；

图4为本发明路径损耗因子为3时能量消耗与时延的权衡关系仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了移动网络中基于移动感知的路由设计方法，该方法具体步骤为：

步骤1：一个时间段T内生成的一系列动态网络拓扑为 {G^t(V,E^t)|t＝1,2,…,T}，其中，V表示节点集合，E^t表示在t时隙的链路集合，根据该动态网络拓扑构建一个虚拟的空时拓扑其中表示虚拟化的节点集合，ε包含空间链路和时间链路。时间链路表示节点i可以在第t个时隙携带信息而不进行传输；空间链路表示节点i可以在第t个时隙向节点j发送信息，即(i,j)∈E^t。

步骤2：确定数据在空间链路上传输以及时间链路上维持的能量消耗，计算过程如下：节点维持信息的能量消耗为固定值E₀，即时间链路的能耗为E₀；空间链路上的能量消耗由收发节点的能耗组成(远大于E₀)，即接收能耗E_rx和发射能耗E_tx(r)＝e_tx+βr^α，r为收发节点之间的距离，e_tx表示发射节点电路能耗，β为单位距离的天线输出能量，α∈[2,4]表示路径衰减因子。若节点之间不存在链路，定义链路能耗为无穷大。

步骤3：根据时延约束D获取空时拓扑的子拓扑该子拓扑为节点集合为在上的诱导子图。由于节点 i(0),i(1),…,i(T)均表示节点i，故源节点为s(0)，目的节点为d(1),i(2),…,d(D)。利用修改的最短路算法以及空时拓扑中链路权值依次计算s(0)到各目的节点的最低能耗路径以及对应的能耗值，并标号该目的节点，直到d(1),i(2),…,d(D)被标号，其中空时拓扑中的链路权值为步骤2中计算得到的能量消耗。

步骤4：分别记为节点s(0)至目的节点d(t),(t＝1,2,…,D)的最低能耗空时路径以及对应的能量消耗。若令D＝D+1，重复步骤3；若令是中的最小者，则即为源节点s与目的节点d之间满足软时延约束D的最低能耗空时路径，能耗为

参照图1，如果时延约束D较小，可供选择的空时路径就越少甚至不存在。比如在图1(b)中，如果取D为2个时隙，节点4至3的空时路径为4(0)→4(1) →3(2)，而节点4至1则之间则没有路径；如果取D为3个时隙，则节点4至3 会增加一条可选路径，即4(0)→4(1)→4(2)→3(3)，节点4至1之间的一条空时路径为4(0)→4(1)→3(2)→1(3)。由于信息维持以及接收能耗较小，而空间路径上的传输能耗与传输距离成正比，故而节点4至3的空时路径4(0)→4(1)→4(2) →3(3)会具有更低的能量消耗。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

在仿真中，初始时若干节点随机均匀地分布在500×500m²的平面区域内。从当前时隙至下一时隙，每一节点从当前位置以任意方向、从0至50m每单位时隙选择任意速度移动至下一个位置。如果在节点移动过程中遇到边界，则反射至区域内。所有节点的覆盖范围假设为r_max＝160m，用以生成每个时隙的网络拓扑。若两个节点在彼此的覆盖范围之内，二者可以相互通信。给定网络拓扑，随机选择源、目的节点对。其它重要的仿真参数见表1。

表1仿真参数值

参数	仿真值
		节点数n	10-20
时间段T	10个时隙
		信息维持能耗E0	10nJ/bit
接收电路能耗Erx	180nJ/bit
		传输电路能耗etx	80nJ/bit
路径衰减因子α	2(或3)
		天线输出能耗β	100pJ/bit/m2(或m3)
传输的比特数N	256bytes

2.仿真内容和结果

图2(a)、(b)、(c)提供一个例子用以刻画连续若干个时隙下网络拓扑的变化情况。其中节点数目n＝15。可以看出，在稀疏的移动网络中，每一时隙的网络拓扑是高概率不连通的。因此，端到端的路由设计必须联合考虑多个时隙的网络拓扑。该例拓扑图的最大连通分量的直径分别为5和6。因此在以下能耗与时延权衡的仿真中，取时延约束D的值为5-9个时隙，以保证在时延约束内能够尽可能地找到一条空时路径。

将时延约束从5变化至9个时隙，运行所提出的路由算法，得到端到端路径的最低能耗。于是，端到端路径能量消耗与时延的权衡关系如图3、4所示。其中图3、4分别取路径损耗因子α为2和3。在能耗与时延的权衡关系中，节点数目分别取10，15，20用以得到稀疏的网络拓扑。从图中可以看出，随着时延约束的放松，所提路由算法能够产生更为能量有效的空时路径，特别是当节点数目较多时。这是因为节点之间可以选择较优的接触机会(即较短的链路距离)进行传输，在接触机会较差时(即较长的链路距离)维持信息不进行传输以节省能耗。此外，在节点数目为10的网络拓扑，端到端的空时路径在时延约束较为严厉时可能并不存在，致使时延约束进行了放松，在图中表现为第5，6 个时隙的能量消耗相差不大，且能耗甚至低于节点数目为15，20的网络拓扑。从该仿真中可以得出：放松时延约束、增加节点密度能够提高端到端数据传输的能量有效性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.移动网络中基于移动感知的路由设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，一个时间段T内的一系列动态网络拓扑为{G^t(V,E^t)|t＝1,2,…,T}，其中，V表示节点集合，E^t表示在t时隙的链路集合，根据该动态网络拓扑构建一个虚拟的空时拓扑其中表示虚拟化的节点集合，ε为空间链路和时间链路的集合；

步骤2，在空时拓扑中，确定数据在空间链路上传输以及时间链路上维持的能量消耗；

步骤3，根据时延约束D获取空时拓扑的子拓扑，并在该子拓扑中利用修改的最短路算法以及空时拓扑中的链路权值寻找源节点s与目的节点d之间最低能耗的空时路径，其中空时拓扑中的链路权值为步骤2中计算得到的能量消耗；

步骤4，若源、目的节点之间不存在一条空时路径，则放松时延约束至D+1，重复步骤3。

2.根据权利要求1所述的移动网络中基于移动感知的路由设计方法，其特征在于，所述空时拓扑中的空间链路为每个时隙可传输数据的链路，时间链路表示两个时隙之间节点能够维持数据。

3.根据权利要求1所述的移动网络中基于移动感知的路由设计方法，其特征在于，根据时延约束D获取的空时拓扑的子拓扑为节点集合为的诱导子图。

4.根据权利要求1所述的移动网络中基于移动感知的路由设计方法，其特征在于，步骤2中数据在空间链路上传输以及时间链路上维持的能量消耗通过以下方法计算：

节点维持信息的能量消耗为固定值E₀，即时间链路的能耗为E₀；空间链路上的能量消耗由收发节点的能耗组成，即接收能耗E_rx和发射能耗E_tx(r)＝e_tx+βr^α，r为收发节点之间的距离，e_tx表示发射节点电路能耗，β为单位距离的天线输出能量，α∈[2,4]表示路径衰减因子。

5.根据权利要求1所述的路由设计方法，其特征在于在修改的最短路算法中，源节点s(0)至目的节点d(1),i(2),…,d(D)路径中能量消耗最小者即为源节点s与目的节点d之间满足时延约束D的最低能耗空时路径。