CN110139335A - 一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法，这个方法基于GPSR路由算法进行改进，利用网络节点的地理位置信息和可转发容量，选择最合适的下一跳节点，希望分组在转发的过程中既能在地理位置上逐渐接近目的节点，并且每一次转发都能保证网络负载均衡分布到不同节点上，不会因为局部的网络拥塞造成丢包，在保证分组较高的投递成功率的同时降低通信时延。本发明主要由邻居表维护、路由发现和路由修复三部分组成，本发明对GPSR算法的改进主要在邻居表维护和路由发现这两部分。

Description

一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由 方法
技术领域
本发明涉及Ad Hoc网络技术领域，尤其是一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法。
背景技术
随着无线通信和终端技术的不断发展，移动通信领域的发展和普及也十分迅速。各种新的无线通信设备的出现，比如BlueTooth、ZigBee、Wifi等设备，极大地改善了我们的日常生活和工作，成为现代社会中不可替代的技术。但是，诸如Wifi和无线蜂窝网络技术组织的网络，仍然需要通过接入有线骨干网络才能提供所需的服务，这类无线通信实际上仍依赖于一个集中式的中心服务来运行，在实际应用中就是需要大量的基础设施。但是随着通信交流的场景越来越多样和复杂，在某些场景下，这一类的无线通信技术无法提供满足需求的服务。例如，在某些突发情况或者极端环境下，没有时间准备好足够的基础设施，通信节点无法稳定的获得来自有线骨干网络提供的服务；或者是已经部署好的网络由于突发状况连接中断，这时候就会出现隔离的、独立自组织的网络。这些网络具有链接波动频繁、通信时延高、丢包率增高等特点；常见的场景有在军事自组织网络中，由于军事演习一般在偏远、人烟稀少的地区进行，并且对保密性和安全性要求较高，所以军事网络一般是隔离的、自组织的网络；还有在自然灾害突发的极端情况下，因为电力供应和骨干网络服务都可能遭到破坏，网络中的节点可能随时关机退出网络，网络频繁发生中断。
上述这种无基础设施、自组织架构的网络，被称为Ad Hoc网络。Ad Hoc网络从20世纪80年代开始被提出，目前已经得到了很大的发展和应用，近几年还应用到通过无线技术进行通信的移动终端网络中，由于网络节点的移动特性，又称为移动Ad Hoc网络(MobileAd Hoc Network)。这种具有动态变化的拓扑，并且资源受限的网络和传统的基于TCP/IP协议的网络有很大的区别，关于Ad Hoc网络的研究层出不穷，其中Ad Hoc网络路由协议是研究的重点。
Ad Hoc网络关键技术中最核心的部分就是路由协议，一个优秀的路由协议可以保障网络高效稳定的运作。Ad Hoc网络在不同的应用场景下具有不同的性能要求，基于不同的应用环境，各种路由协议层出不穷。
基于消息在网络中转发时的传播方式，Ad Hoc路由可以分为单播路由和多播路由。在单播路由下，消息在任何时刻的转发只有一个发送方和一个接收方，即消息从开始发送到投递成功的整个过程中网络中始终只有一份消息副本；多播路由下，对于一个需要转发的消息，网络中可以有多个发送方向多个接收方传送这个消息，因此在投递的过程中网络可能存在一份或多份这个消息的副本。单播路由占用的网络开销相比多播路由更少，并且也能达到较高的投递率和较低的时延，因此目前比较常用的路由协议采用的是单播转发模式。
根据路由维护和更新的策略，单播路由还可以进一步分为表驱动的先验式路由，按需驱动的响应式路由和混合式路由。使用表驱动路由的节点需要主动维护一个到达其他目的节点的路由表，周期性发送和接收邻居节点的广播来更新路由表条目；按需驱动的路由仅仅在需要转发分组时发送路由请求，并通过其他节点的路由应答来进行决定下一跳转发节点。混合式综合上述两种路由，将网络划分为不同的区域，在不同的范围采用不同的路由算法。典型的表驱动路由算法有OLSR(Optimized-Link-State Routing)和DSDV(Destination-Sequenced-Distance-Vector Routing)等算法；按需驱动路由算法的常用算法有AODV(Ad-Hoc 0n-Demand Distance Vector Routing)和DSR(Dynamic SourceRouting)等算法；混合式路由的典型算法ZRP(Zone Routing Protocol)算法。表驱动的路由算法路由响应速度快，可以有效降低分组投递的时延，但路由表维护的成本较高，占用较多的网络资源；按需驱动的路由算法在转发分组的时候需要等待路由请求的应答，但是网络资源的开销较少，并且能保证路由的时效性；混合式路由结合了前面两种路由算法的优点，但路由结构比较复杂，路由维护的成本和复杂度也相应增加。
根据路由算法所依赖的用于制定路由规则的指标的不同，路由算法还可以更细致地划分为基于地理位置信息的路由，基于社交属性的路由，基于分组内容上下文的路由等各种算法。由于GPS等定位技术已经得到很大的发展和应用，因此在由搭载通信设备的移动终端构成的网络中，网络中的节点可以很方便地通过定位服务来获取地理位置信息。利用获得的地理信息，例如节点的位置坐标，移动速度，现实场景的地图等，节点可以优化路由决策的规则的设计，提高路由算法的性能。典型的基于地理位置信息的路由列举如下，GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由算法，利用节点位置坐标进行路由选择；GPCR(Greedy Perimeter Coordinator Routing)，利用城市街道地图来优化路由算法；GyTAR(Improved Greedy Traffic Aware Routing)路由算法，结合节点的位置坐标和交通强度来改进路由算法。
但是这些算法只讨论了节点的地理位置信息，随着Ad Hoc网络应用场景越来越复杂，并且网络的规模也越来越大，这种纯粹基于地理距离的贪心路由策略很容易造成网络负载的不均衡，进而造成网络拥塞；此外，在节点高速移动的场景下，节点的位置信息时效性降低，会造成贪心策略的准确性降低。所以，研究Ad Hoc网络节点的移动特性和通信负荷的程度，能够更好地适应网络的变化，对提高Ad Hoc路由算法的性能具有很大帮助。
发明内容
发明目的：本发明的目的是，针对上述各中Ad Hoc路由算法存在的优缺点，提出一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法。该方法基于GPSR路由算法作出改进，通过利用网络中节点的移动性和地理位置信息，结合节点当前通信的强度和资源的可利用空间，在保证较高的投递成功率的同时降低平均时延。
发明内容：为实现上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法，包括步骤：
(1)计算邻居节点的预测位置坐标和可用容量
节点周期性地向邻居广播Hello消息，Hello消息中包含节点当前的位置坐标、当前的一跳邻居的数量和节点消息发送队列的可用长度；同时接收来自邻居的Hello消息，更新邻居表中邻居节点的相关信息。
邻居节点的预测位置坐标计算方法为：节点每次收到邻居的Hello消息时，根据前后两次接收到的邻居节点的位置坐标以及两次Hello消息的时间间隔，计算出邻居节点在这段时间里移动的速度和方向，接下来采用DGPSR路由中的位置预测算法来预测邻居节点在某个时刻的位置坐标，具体计算公式描述如下：
其中，(x0，y0)为邻居节点A前一时刻t0的位置坐标，(x1，y1)为邻居节点A后一时刻t1的位置坐标；
当节点需要在t2时刻选择下一跳转发节点时，计算邻居节点A的最新位置(x2，y2)为：
x2＝x1+speedA×(t2-t1)×cosθA
y2＝y1+speedA×(t2-t1)×sinθA
邻居节点A和目的节点的欧式距离为：
其中，(xdst，ydst)为目的节点的位置坐标。
任意一个邻居节点A的可用容量capA为：
capA＝NA/LA
其中，NA为邻居节点A当前的直接邻居数，LA为邻居节点A当前消息队列的可用长度；
(2)为每个邻居节点A计算一个分数：
distA表示预测出的邻居节点当前的位置与目的节点之间的欧式距离，α是一个可以调整的值，通过调整α的值来适应不同应用场景；
(3)路由选择步骤：
(3-1)当节点需要转发或者发送数据包到目的节点D的时候，节点首先向位置服务获得目的节点的位置坐标，查询邻居表和路由表，如果D是当前节点的直接邻居，就直接发送数据包；
(3-2)如果目的节点不是当前节点的直接邻居，则计算邻居节点的预测位置坐标，计算邻居节点和目的节点之间的距离，如果距离小于转发节点到目的节点的距离，就将这个邻居节点加入候选节点集合中；
(3-3)计算候选节点集中每个节点的可用容量值，并进一步计算各节点的分数，选出分数最高的邻居节点作为下一跳转发节点。
进一步的，本发明还包括步骤：
若步骤(3-2)中选出的候选集合是空集，则说明出现了局部最优的情况，会出现路由空洞，需要进入路由修复模式，此时采用GPSR算法中的右手法则来选取下一跳路由节点。
有益效果：本发明针对GPSR路由算法利用网络中节点的位置变化信息来估测移动速度和方向，进而估测节点更新的位置，此外，还利用节点的邻居密度和分组发送队列的可用空间来计算节点的可用容量，在此基础上，我们改进了路由算法的执行流程。我们在开源仿真平台NS3进行了仿真测试，将GPSR算法和我们改进后的GPSR-S算法进行了比较。结果表明，我们的算法在分组投递率上保证了和GPSR一样的稳定的性能，但在时延上相比GPSR算法有较明显的降低。
附图说明
图1是节点通过两次位置坐标计算移动速度和方向的示意图；
图2是本发明的低时延移动Ad Hoc路由算法的主要部分和流程框图；
图3是本发明的路由算法的Hello消息格式结构图；
图4是本发明的路由算法的邻居表条目的各字段构成图；
图5是本发明的路由算法的具体实施流程图；
图6是本发明的路由算法和GPSR算法的投递率对比图；
图7是本发明的路由算法和GPSR算法的平均时延对比图；
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细解释。
本发明的技术方案是：基于经典的GPSR路由算法，根据节点位置坐标的变化，估算节点移动的速度和方向，进而预测节点在某个时候所在的位置。此外，利用节点当前的直接邻居数和分组发送队列的可用空间来计算节点的可用容量。根据这两方面的指标，在节点需要路由选择下一跳转发节点的时候，计算直接邻居的分值，选择分值最高的邻居作为转发数据包。本路由算法的计算主要分为两个部分：邻居节点位置坐标的预测和邻居节点可转发容量计算。算法的流程设计如附图2所示，GPSR路由算法主要分为两个阶段，一是在需要转发分组的时候进行路由发现，二是当出现路由空洞的时候进行路由恢复。GPSR路由算法选择下一跳转发节点的依据在当前邻居节点中，选择在地理位置上最接近目的节点的邻居节点来转发分组。本发明改进了路由发现的流程，在出现路由空洞时，仍然采用GPSR算法的路由恢复流程。下面介绍对路由发现流程改进的细节，本发明通过两个路由指标来更好地选择分组转发的下一跳节点，分别是邻居节点的预测位置坐标和可转发容量：
1)邻居节点位置坐标的预测：由于每个节点周期性地向其邻居节点广播Hello消息，Hello消息的格式图如图3所示，Hello消息中包含了节点当前的位置坐标，根据不同时刻接收到的邻居节点的位置坐标以及两次Hello消息的时间间隔，可以近似地计算出节点在这段时间里移动的速度和方向，具体如图1所示，假设某个邻居节点A在t0时刻的位置坐标是(x0，y0)，在t1时刻的坐标是(x1，y1)，那么这个邻居节点的移动速度和移动方向可以由以下公式计算得到：
其中，节点A移动的方向用于地理坐标系的x轴正方向所夹的夹角来表示。假设节点需要在t2时刻选择下一跳转发节点，那么邻居节点A此时的位置(x2，y2)可以根据以下公式计算进行简单的预测：
x2＝x1+speedA×(t2-t1)×cosθA
y2＝y1+speedA×(t2-t1)×sinθA
这个邻居节点最近位置预测将在每次路由选择下一跳转发节点时调用，计算所有邻居节点的当前的位置坐标。邻居节点速度的更新在每次收到新的Hello消息时进行，节点会在缓存的邻居表中的每个条目里维护移动速度大小和移动速度方向的字段。
预测得到的坐标(x2，y2)可以继续用来计算邻居节点A当前和目的节点之间的欧式距离：
2)邻居节点可转发容量计算：为了计算邻居节点的可用容量，我们选择用节点当前的邻居数和消息发送队列的可用空间来描述。节点当前邻居数体现了节点当前的交通强度，如果一个节点的一跳邻居很多，那么这个节点也会有更大的概率要承担更多的数据包的转发。由于节点在转发数据包时是通过消息发送队列来维护数据包的按序转发的，并且当网络拥塞发生时，节点也是通过有选择地丢弃队列中的某些数据包或者新到来的数据包来降低节点的网络负荷，因此消息队列的可用空间最直接地体现某个节点可转发容量。假设节点A当前的邻居数为NA，消息队列的可用长度为LA(LA可以通过节点队列的最大长度和已用长度之差来获得)，那么节点的可转发容量可以这样得到：
capA＝NA/LA
根据这个可使用容量，还有之前得到的距离distA，将这两个数加权求和，邻居节点A可以得到一个分数：
由于distA的值可能比capA大很多，distA的倒数的值可能很小，当两者的数值级别差异较大时，在计算scoreA时某个因素的作用可能很小，所以我们可以先对两个值做以下归一化处理，把和capA都先映射到的[0，1]范围内，再计算分数。
关于和capA的归一化，可以根据这两个数值的实际大小的数量级，线性地缩放到[0，1]的范围内，常见的方法是min-max标准化，又称为离差标准化，假设节点A的邻居节点的集合为N，ni为集合中的每一个邻居节点，那么可以分别计算出对应于各个节点的和capi，分别比较这两个值，可以在所有节点的值的合集中找到最大值和最小值，即capmin和capmax，使用下面的公式进行变换，就可以得到每个节点归一化后的和capi *：
利用归一化后的和capi *，计算出每个邻居节点的分数，再根据计算出的分数，选择得分最高的节点作为下一跳转发节点。分数计算公式中的α是一个可以调整的值，选取不同的值可以调整改进的算法在不同场景下的性能。
具体的，Hello消息中包含除了当前位置坐标外，还有直接邻居数和发送队列可用容量这两个字段，Hello消息的报文头部格式的设计如附图3所示，节点将自身的IP地址包含在报文头部中，即IpAddr字段；使用两个长度为64比特的数值来表示节点的位置坐标，即附图3中的dXcoord和dYcoord这两个字段，32比特的数值nNeigh表示节点当前邻居节点的个数，另一个32比特的数nLength表示节点当前可用的发送队列的空间的长度。此外，节点维护的邻居表的结构也要增加节点的移动速度、移动方向、直接邻居数和发送队列可用容量这四个字段，如附图4所示。节点每次接收到一个来自邻居的Hello消息，都要更新邻居表中的相应条目，将Hello消息中的位置坐标(dXCoord，dYCoord)以及邻居节点周围的邻居数nNeigh和消息队列可用长度nLength更新到邻居表中，然后根据之前记录的位置坐标还有时间戳的信息，计算邻居节点的移动速度dVelocity和移动方向dAngle(用角度表示)，最后更新邻居表中的时间戳nTime，时间戳用一个32比特数来记录。
接下来介绍下一跳转发路由选择的流程，流程的框图如图5所示。
1)节点周期性地向其他节点广播Hello消息，Hello消息中包含节点当前的位置坐标、当前的一跳邻居的数量和节点消息发送队列的可用长度；
2)节点接收邻居节点发送的Hello消息，更新邻居表中邻居节点的相关信息，并根据历史记录估算邻居节点的移动速度和方向；
3)当节点需要转发或者发送数据包到目的节点D的时候，节点首先向位置服务获得目的节点的位置坐标，查询邻居表和路由表，如果D是当前节点的直接邻居，就直接发送数据包；
4)如果目的节点不是当前节点的直接邻居，根据邻居节点的历史位置信息和速度，预测邻居节点当前的地理位置，计算邻居节点和目的节点之间的距离，如果距离小于转发节点到目的节点的距离，就将这个邻居节点加入候选节点集合中；
5)计算候选节点集中每个节点的可用容量值，再根据之前计算的距离，求出候选集合中每个集合的分数，计算完成后选出分数最高的邻居节点作为下一跳转发节点；
6)如果在第4)步中选出的候选集合是空集，说明出现了局部最优的情况，这时候就会出现路由空洞，需要进入路由修复模式，本文采用的是和GPSR算法一样的右手法则来选取下一跳路由节点。
我们在开源仿真平台NS3进行了仿真测试，将GPSR算法和我们改进后的GPSR-S算法进行了比较，图6是本发明的路由算法和GPSR算法的投递率对比图，图7是本发明的路由算法和GPSR算法的平均时延对比图。结果表明，我们的算法在分组投递率上保证了和GPSR一样的稳定的性能，但在时延上相比GPSR算法有较明显的降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法，其特征在于，包括步骤：
(1)计算邻居节点的预测位置坐标和可用容量
节点周期性地向邻居广播Hello消息，Hello消息中包含节点当前的位置坐标、当前的一跳邻居的数量和节点消息发送队列的可用长度；同时接收来自邻居的Hello消息，更新邻居表中邻居的相关信息；节点每次收到邻居的Hello消息时，根据前后两次接收到的邻居节点的位置坐标以及两次Hello消息的时间间隔，计算出邻居节点在这段时间里移动的速度和方向，并更新到邻居表中，进而预测邻居节点在某个时刻的位置坐标；
任意一个邻居节点A的可用容量capA为：
capA＝NA/LA
其中，NA为邻居节点A当前的直接邻居数，LA为邻居节点A当前消息队列的可用长度；
(2)为每个邻居节点A计算一个分数：
distA表示预测出的邻居节点当前的位置与目的节点之间的欧式距离，α是一个可以调整的值，用于调整本方法在不同场景下的性能；
(3)路由选择步骤：
(3-1)当节点需要转发或者发送数据包到目的节点D的时候，节点首先向位置服务获得目的节点的位置坐标，查询邻居表和路由表，如果D是当前节点的直接邻居，就直接发送数据包；
(3-2)如果目的节点不是当前节点的直接邻居，则计算邻居节点的预测位置坐标，计算邻居节点和目的节点之间的距离，如果距离小于转发节点到目的节点的距离，就将这个邻居节点加入候选节点集合中；
(3-3)计算候选节点集中每个节点的可用容量值，并进一步计算各节点的分数，选出分数最高的邻居节点作为下一跳转发节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法，其特征在于：
若步骤(3-2)中选出的候选集合是空集，则说明出现了局部最优的情况，会出现路由空洞，需要进入路由修复模式，此时采用右手法则来选取下一跳路由节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于节点位置信息和可用容量的移动Ad Hoc网络路由方法，其特征在于：所述邻居节点的预测位置坐标的计算采用的是DGPSR中的位置预测算法，其中，节点的移动速度和方向通过以下公式估算：
其中，(x0，y0)为邻居节点A前一时刻t0的位置坐标，(x1，y1)为邻居节点A后一时刻t1的位置坐标
当节点需要在t2时刻选择下一跳转发节点时，计算邻居节点A的最新位置(x2，y2)为：
x2＝x1+speedA×(t2-t1)×cosθA
y2＝y1+speedA×(t2-t1)×sinθA
邻居节点A和目的节点的欧式距离为：
其中，(xdst，ydst)为目的节点的位置坐标。
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