CN110324877B

CN110324877B - 基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法

Info

Publication number: CN110324877B
Application number: CN201910322252.9A
Authority: CN
Inventors: 张洪光; 李奕云; 金冠宇; 刘元安; 谢刚; 冉静; 张丽彪
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: CN110324877A

Abstract

本发明公布了一种基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法。主要解决高动态场景下较差的网络性能问题。所述的方法包括：对无线传感网进行网络模型建立，通过将伺服骨干网和路径规划策略相结合，提出一种异构的网络模型，将网络中的节点划分为普通移动节点，中继节点和移动基站。再通过使用合理的路由策略，将数据包从源节点高效的传递到基站。本发明提出中继的路径规划策略和路由策略，保证中继可以有效的增强路由性能。当移动节点路由缓存失效时，启用空闲机器人进行中继传输。中继机器人和移动接收器之间通过广播建立伺服骨干网。路由到中继机器人的数据包通过骨干网进一步传输到基站。

Description

基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，特别涉及基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法。

背景技术

随着科技的发展与进步，移动传感网络(Mobile Sensor Network，MSN)已经成为一个热门的研究领域。移动传感网络在危险环境探测、野外救援、野生动物监控、战场通信等场合都有应用。在这些场景中，参与野外救援的机器人或者野生动物上的传感器都处于运动之中，网络链路变化频繁。处于移动状态下的节点将导致两点间的距离超出最大通信距离，因此链路断路。此外，在这些动态变化的复杂环境中，由于障碍物的阻隔也将导致网络性能受到严重影响。链路质量下降将会导致网络丢包严重、吞吐量下降、时延上升，网络性能受到严重影响。

由于节点的移动性，传统的路由协议已经不适合MSN网络。但一些针对MSN网络提出的协议在移动场景下具有较好的性能(例如，AODV，ROCOMAR，LBR，CORMAN，OLSR，ExOR)。机会路由方案可以用于解决移动性问题。机会路由方案是一种分布式的路由方案，转发数据包的节点仅考虑当前邻居表的情况。首先将要发送的数据包广播出去，周围可以和当前节点通信的节点将监听到数据包。在这些节点中，通过一些衡量指标(例如剩余能量、RSSI、跳数)来选择一个最优的节点进行数据转发。这种方案由于具有较好的实时性可以适应节点移动性。基于小规模重传方案也应用到网络链路变化的场景中，例如当前节点将数据转发到下一跳时，由于信道条件的变化将造成网络拥塞、信道争用。这可能导致数据包难以通过选定的信道发送到下一跳。这种场景下，当前节点将发送一个中继请求，将数据转发到两个节点之间的节点用于数据转发，这种方法可以提高数据包有效传输率。此外，一些研究专门引入专门用于通信的中继机器人。机器人处于受控状态，接收到中继请求以后，将受控移动到指定的位置充当中继，转发数据包。引入专门用于中继的机器人使得一跳链路链路变为两跳，链路质量加强，这种方法可以有效提高网络吞吐量。

发明内容

本发明实例提供基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法。该方法通过引入机器人中继以及优化路由算法，可以显著提升网络吞吐量。该方法的核心是在中继机器人和移动基站之间建立伺服骨干网。中继机器人接收到数据包以后，可以通过伺服骨干网继续路由数据包，直到基站。这样，可以实现数据包的快速传输，有效提升网络吞吐量。在运行期间存在三种节点，普通数据采集节点、中继机器人节点、移动基站节点。其中，普通数据采集节点在特定场景中处于不断运动中，需要将采集到的数据发送到移动接收器。中继机器人节点可以自主导航，并以受控的方式移动到特定的位置充当中继，进行数据路由，接收器在网络中随机移动。

为了达到上述目的，本发明实例提供了基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法。伺服骨干网应用于中继机器人和移动基站间的数据传输，路径规划策略应用于中继机器人移动，方法包括：

根据无线传感网络进行模型建立，将通信系统能耗模型及移动模型应用到无线传感器网络模型之中，将无线传感器网络模型用四个参数表示：E＝{S,R,E_i,M}。其中S＝{1，2，，，N}代表N个不同的源节点；R＝{1，2，，，K}代表K个不同的中继节点；E_i代表每个节点的能量消耗；M代表移动模型。

具体的，无线通信系统能量消耗主要由节点发送能量E_t和接收能量E_r组成。典型的能耗模型如下：

其中，d代表两个节点之间的距离。

E_elec表示用于发送和接收单个位的电路所消耗的能量。此外，ε_fs和ε_mp分别是自由空间通信和多径通信中的传输电路的系数。

对于每一个传感器节点，总能量消耗如下：

其中P_tx和P_rx分别表示节点发送和接收的总比特。可以假设发送和接收功率是固定的，因此功耗与相邻节点之间的传输距离无关。因此，我们可以采用如下公式计算能耗：

E_node≈e(p_tx+p_rx)

(4)

其中，e是表示发送和接收电路的比特能量消耗因子。

源节点通过基于Vikor多标准决策的路由策略从生成的邻居表中选择最佳邻居作为网关下一跳，源节点周期性的将数据包发送到移动基站。

具体的，节点通过周期性的发送广播信息建立节点间的路由表，本发明涉及到的路由策略为组间通信，不考虑组内通信。A组的节点S_A发送一个广播，假设B组的节点S_B接收到该类型广播，且S_B距离基站的距离小于S_A距离基站的距离。那么S_B是S_A的一个有效邻居，将S_B插入S_A对应的邻居表中。

形成邻居表后会根据Vikor策略选择最佳邻居，本发明中的多标准包含：a.两节点之间的距离；b.两点见的链路质量；c.两点间的传输成本；d.下一跳的剩余能量；e.两点离基站的距离。并设置准则C_j的权系数为

ω_j＝[ω_1j,ω_2j,ω_3j,ω_4j,ω_5j](ω_ij≥0)

(5)

然后确定每一准则的理想值和负理想值：

再确定每个邻居的S_j和R_j的值：

最后计算利益比率Q_i：

Q_i＝v(S_i-S^*)/d(S^-,S^*)+(1-v)(R_i-R^*)/d(R^-,R^*)

(9)

需要说明的是，各个节点缓存有移动基站的位置，当节点发送数据时，首先判断移动基站是否处于通信范围内，如果在一跳邻域以内，则将移动基站作为下一跳网关，直接将数据包发送到基站。如果移动基站不在一跳邻域以内，则通过节点自身维护的邻居表进行数据路由。如果当前时刻，邻居表为空。发送广播请求，将数据包发送到距离自己最近的机器人中继，机器人中继接收到数据包以后，继续路由，最终将数据包通过多跳的方式发送到移动基站。邻居表表示为：

P{P_i|i＝S_i}

(10)

其中

为当前节点选择某邻居作为下一跳的概率。

如果当前时刻，邻居表为空。发送广播请求，将数据包发送到距离自己最近的机器人中继，机器人中继接收到数据包以后，继续路由，最终将数据包通过多跳的方式发送到移动基站。此时，邻居表表示为：

P{P_i|i＝M_i}

(11)

中继机器人根据路径规划策略移动位置，帮助无邻居的节点路由数据包。

具体的，机器人节点周期性的发送数据包到接收器。当节点群体靠近移动基站时，节点发送数据包到移动基站无需中继机器人的参与。此时，中继机器人将自主移动到群体中心与机器人节点连线的反向端，距离节点群体中心的距离不超过节点最大通信范围，以便提供更大范围的中继服务。当节点群体远离移动基站时，节点发送数据包到移动基站需要中继机器人的参与。此时，中继机器人将自主移动到位于群体中心和移动基站的连线上，距离节点群体中心的距离不超过节点最大通信范围，保证可以接收到节点群体发送的数据包。中继机器人的状态集合为：

M_action＝{Stay,Move_in,Move_out}

(12)

其中，Move_in代表中继机器人将自主移动到位于群体中心和移动基站的连线上，Move_out代表继机器人将自主移动到群体中心与机器人节点连线的反向端，Stay代表中继机器人将保持原有的移动模型。

中继机器人与基站之间搭建伺服骨干网，当和机器人相关联的群体中，有节点采集到数据并且上报到机器人时，机器人通过形成的伺服骨干网将数据发送到移动基站。

具体的，中继机器人和移动基站间的路由的建立采用分布式架构，各个节点之间没有影响，完全独立。设计针对机器人节点邻居群体的哈希表，哈希表中，键表式当前进行路由发现的机器人节点。采用链表的形式将当前机器人节点的邻居串接起来。对于任意一个邻居，定义与之关联的结构体，结构体中，设置权重参数，用来表明当前邻居的转发比率。首先，各个机器人发送建立路由的广播。监听到广播的邻居机器人进入回调。在回调中，计算当前节点和移动基站的距离，作为权重。然后，将广播发送的机器人作为键，监听到广播的机器人作为值插入到机器人对应的哈希表中。伺服骨干网基本上能保证高效的数据包传输成功率，数据包传输成功率定义如下：

中继机器人根据路由策略将数据路由到基站，机器人中继接收到数据包以后，将启动路由过程，把数据包路由出去。

具体的，机器人中继路由数据包时，在自身维护的哈希表中查找是否存在到达移动基站的链路。如果存在，将数据包直接路由到移动基站，完成数据路由。如果不存在，从周围邻居中选择一个权重值最小的中继机器人进行数据转发。权重最小代表该节点到移动基站的位置最近。采用中继机器人路由可以有效提高网络吞吐量，网络吞吐量的定义如下：

g＝n*z/t

(14)

源节点根据评估策略更新各自的邻居表概率集合：

表示的是邻居与源节点之间的链路质量W_ik以及邻居与源节点的距离D_ik按一定权重计算出的转发成功率系数，本发明中将

定义如下：

伺服骨干网周期性更新，中继机器人周期性的发送广播包以完成邻居表的更新操作。

具体的，当判断节点已经存在于哈希表中，则重新计算权重值，完成更新。如果节点不存在于哈希表中，则插入新的邻居节点，同时设置邻居节点的权重。对每次邻居发现的所有节点放入集合中进行缓存。上一轮邻居表中存在的节点，如果不存在当前机器人中继缓存的集合中，则清除这些节点。

为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种高吞吐量的中继选择装置，应用于无线传感器网络中的节点，所述装置包括：

发送单元：源节点产生数据包，将数据路由到下一跳网关。下一跳网关可以是中继机器人、其他普通节点、移动基站。

中继单元：在本系统中，用于进行辅助传输。当源节点不能直接路由到基站时，需要中继单元转发数据包。

接收单元：移动基站用于接收数据包

评估单元：在本系统中，用来作为节点邻居概率表的更新。评估当前状态邻居的位置及链路质量更新邻居表。

路径规划单元：用于中继机器人的移动路径规划，通过控制中继机器人的移动，使机器人出现在最有利数据包传输的位置。

哈希表单元：用于生成伺服骨干网的哈希表，通过哈希表控制中继节点发往移动基站的数据包路由。

本发明中，不失一般性的，假设中继节点到目的节点的数据链路信道衰落模型为瑞利衰落。瞬时信噪比的密度函数定义如下：

上式中，

代表中继节点到目的节点的平均信噪比。根据瞬时信噪比的标准定义，i链路信噪比大于j链路信噪比的概率定义如下：

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为本发明实例提供的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法的流程示意图；

图2为本发明实例提供的伺服骨干网络建立流程图；

图3为本发明实例提供的路径规划策略流程图；

图4为本发明实例提供的数据包路由策略流程图。

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。

依据附图，对本发明的技术方案具体说明。

所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，包括以下步骤：

S101，对无线传感网络进行模型建立，将通信系统能耗模型及移动模型应用到无线传感器网络模型之中，将无线传感器网络模型用四个参数表示E＝{S,R,E_i,M}。其中S＝{1，2，，，N}代表N个不同的源节点；R＝{1，2，，，K}代表K个不同的中继节点；E_i代表每个节点的能量消耗；M代表移动模型。

S102，源节点通过基于Vikor多标准决策的路由策略从生成的邻居表中选择最佳邻居，源节点周期性的将数据包发送到移动基站。

需要说明的是，各个节点缓存有移动基站的位置，当节点发送数据时，首先判断移动基站是否处于通信范围内，如果在一跳邻域以内，则将移动基站作为下一跳网关，直接将数据包发送到基站。如果移动基站不在一跳邻域以内，则通过节点自身维护的邻居表进行数据路由，并通过Vikor多标准决策从邻居表中选出最佳邻居。如果当前时刻，邻居表为空。发送广播请求，将数据包发送到距离自己最近的机器人中继，机器人中继接收到数据包以后，继续路由，最终将数据包通过多跳的方式发送到移动基站。

S103，中继机器人根据路径规划策略移动位置，帮助无邻居的节点路由数据包。

具体的，机器人节点周期性的发送数据包到接收器。当节点群体靠近移动基站时，节点发送数据包到移动基站无需中继机器人的参与。此时，中继机器人将自主移动到群体中心与机器人节点连线的反向端，距离节点群体中心的距离不超过节点最大通信范围，以便提供更大范围的中继服务。当节点群体远离移动基站时，节点发送数据包到移动基站需要中继机器人的参与。此时，中继机器人将自主移动到位于群体中心和移动基站的连线上，距离节点群体中心的距离不超过节点最大通信范围，保证可以接收到节点群体发送的数据包，具体见图3。

S104，中继机器人与基站之间搭建伺服骨干网，当和机器人相关联的群体中，有节点采集到数据并且上报到机器人时，机器人通过形成的伺服骨干网将数据发送到移动基站，具体见图2。

S105，中继机器人根据路由策略将数据路由到基站，机器人中继接收到数据包以后，将启动路由过程，把数据包路由出去。

具体的，机器人中继路由数据包时，在自身维护的哈希表中查找是否存在到达移动基站的链路。如果存在，将数据包直接路由到移动基站，完成数据路由。如果不存在，从周围邻居中选择一个权重值最小的中继机器人进行数据转发。权重最小代表该节点到移动基站的位置最近。

S106，源节点根据评估策略更新各自的邻居表概率集合，在数据采集过程中，无论是普通节点，中继机器人还是基站都是移动的，因此固定的邻居表不切实际，本发明考虑了传输的可靠性根据链路质量及距离不断评估更新邻居表。

S107，伺服骨干网周期性更新，中继机器人周期性的发送广播包以完成邻居表的更新操作。

本发明假设网络是异构的，包含普通数据采集节点以及专门用于中继的机器人节点和基站。其中，普通数据采集节点在特定场景中处于不断运动中，需要将采集到的数据发送到移动接收器。中继机器人节点可以自主导航，并以受控的方式移动到特定的位置充当中继，进行数据路由。本发明考虑多机器人群体移动场景下，如何保证数据的有效传输，提高网络吞吐量。考虑实际情况，做如下假设：

(1)基站通信范围可以覆盖整个区域；

(2)机器人节点和普通移动节点可以知道自身位置信息。

三种节点在网络中的运动方式描述如下。

(1)网络中普通数据采集节点装有移动模型，在固定区域内以以实体或者群体的方式随机移动；

(2)机器人装有GPS导航器，以受控的方式移动，机器人中继跟随负责的群体进行移动，当网络中存在空闲机器人时，机器人在区域内随机游走；

(3)基站装有实体随机移动模型，在网络中随机移动。

Claims

1.基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据无线传感网络进行模型建立，将通信系统能耗模型及移动模型应用到无线传感器网络模型之中，将无线传感器网络模型用四个参数表示E＝{S,R,E_i,M}，其中S＝{1,2,....,N}代表N个不同的源节点；R＝{1,2,....,K}代表K个不同的中继节点；E_i代表每个节点的能量消耗；M代表移动模型；

第二步，源节点通过基于Vikor多标准决策生成路由策略，从邻居表中选择最佳邻居，邻居表表示为：

P{P_ii＝S_i} (1)

其中

为当前节点选择某邻居作为下一跳的概率，Q_i为当前节点选择某邻居可获得的利益比率，S_i为第i个节点，n为节点数目；

需要说明的是，如果当前时刻，邻居表为空，发送广播请求，将数据包发送到距离自己最近的机器人中继，机器人中继接收到数据包以后，继续路由，最终将数据包通过多跳的方式发送到移动基站，此时，邻居表表示为：

P{P_ii＝M_i} (2)

其中，M_i为第i个机器人中继；

第三步，中继机器人根据路径规划策略移动位置，保证可以接收到节点群体发送的数据包,中继机器人的状态集合为：

M_action＝{Stay,Move_in,Move_out} (3)

其中，Move_in代表中继机器人将自主移动到位于群体中心和移动基站的连线最佳位置，Move_out代表继机器人将自主移动到群体中心与机器人节点连线的反向端最佳位置，Stay代表中继机器人将保持原有的移动模型；

第四步，中继机器人与基站之间搭建伺服骨干网，中继机器人和移动基站间的路由的建立采用分布式架构，各个节点之间没有影响，完全独立,提出了针对中继机器人节点邻居群体的哈希表，哈希表中，键表示当前进行路由发现的机器人节点，采用链表的形式将当前机器人节点的邻居串接起来；

第五步，中继机器人根据路由策略将数据路由到基站，机器人中继接收到数据包以后，将启动路由过程，把数据包路由出去；

第六步，源节点根据评估策略更新各自的邻居表概率集合：

其中P_i(t)和P_i(t+1)分别表示当前时刻t和下一时刻的邻居表概率集合，

定义如下：

第七步，伺服骨干网周期性更新，中继机器人周期性的发送广播包以完成邻居表的更新操作，当判断节点已经存在于哈希表中，则重新计算权重值，完成更新，如果节点不存在于哈希表中，则插入新的邻居节点，同时设置邻居节点的权重，对每次邻居发现的所有节点放入集合中进行缓存，上一轮邻居表中存在的节点，如果不存在当前机器人中继缓存的集合中，则清除这些节点。

2.根据权利要求1所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于，源节点通过基于Vikor多标准决策生成路由策略从生成的邻居表中选择最佳邻居，源节点周期性的将数据包发送到移动基站，具体的是，源节点先通过广播生成邻居表，再通过Vikor多标准决策从邻居表中选择出最佳邻居进行路由，若此时邻居表为空，则通过中继路由，各个节点根据缓存的基站位置决定将数据包一跳传输到基站或者通过邻居表路由到基站。

3.根据权利要求1所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于中继机器人的路径规划策略，由于源节点和基站都是不断移动的，源节点可能不存在通往基站的下一跳网关，此时采用中继机器人根据路径规划策略移动位置充当源节点通往基站的中继节点，当节点群体远离移动基站时，节点发送数据包到移动基站需要中继机器人的参与，此时，中继机器人将自主移动到位于群体中心和移动基站的连线上的最佳位置，距离节点群体中心的距离不超过节点最大通信范围。

4.根据权利要求1所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于，中继机器人与基站之间搭建伺服骨干网，具体的是，本发明设计了针对中继机器人节点邻居群体的哈希表，保证中继机器人获得的数据包高效的传输到移动基站，对于任意一个邻居，定义与之关联的结构体，结构体中，设置权重参数，用来表明当前邻居的转发比率，首先，各个机器人发送建立路由的广播，监听到广播的邻居机器人进入回调，在回调中，计算当前节点和移动基站的距离，作为权重，然后，将广播发送的机器人作为键，监听到广播的机器人作为值插入到机器人对应的哈希表中，伺服骨干网基本上能保证高效的数据包传输成功率，数据包传输成功率定义如下：

其中n为成功传输到基站的数据包数量，n_i为第i个节点发送的数据包数量，N为节点数量。

5.根据权利要求1所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于，中继机器人根据路由策略将数据路由到基站，具体的是，机器人中继路由数据包时，在自身维护的哈希表中查找是否存在到达移动基站的链路，如果存在，将数据包直接路由到移动基站，完成数据路由，否则将在哈希表中找到权重ω最小的节点做下一跳网关，权重ω定义如下：

其中S_i为第i个节点，D_i为第i个节点到基站的距离，M_i为第i个机器人中继，a和b为系数，且a远大于b，这是为了优先选择更适合作为中继节点的中继机器人作为下一跳网关；

采用中继机器人路由可以有效提高网络吞吐量，网络吞吐量的定义如下：

g＝n*z/t (8)

其中t为时间间隔，n为时间t内成功传输到基站的数据包数量，z为数据包的比特大小。

6.根据权利要求1所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于，源节点根据评估策略更新各自的邻居表概率集合，考虑节点的移动性，邻居的位置是不断变化的，且位置的变化通常是随机的不可预测的，因此提出了评估策略更新节点的邻居表概率集合，保证源节点的每次数据传输都是高效可靠的。

7.根据权利要求1所述的基于伺服骨干网与Vikor多标准决策的中继机器人路由方法，其特征在于，伺服骨干网周期性更新，具体的是，中继机器人周期性的发送广播包以完成邻居表的更新操作，当判断节点已经存在于哈希表中，则重新计算权重值，完成更新，如果节点不存在于哈希表中，则插入新的邻居节点，同时设置邻居节点的权重，对每次邻居发现的所有节点放入集合中进行缓存，上一轮邻居表中存在的节点，如果不存在当前机器人中继缓存的集合中，则清除这些节点。