CN110418308A - 一种基于概率统计的多副本船联网路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明属于船联网路由协议优化领域，涉及的是一种基于概率统计的多副本船联网路由协议，用于不存在直达通信链路的船舶之间进行数据传输。主要步骤是在源节点产生待传数据，设置其副本总数与生存时间，当源节点与待定中继节点相遇时，计算传输概率，更新各自的相遇信息表，比较源节点与目的节点间、待定中继节点与目的节点间的传输概率值的大小，以决定是否发送数据，若发送，则源节点需先根据传输概率的比值计算发送数据的副本个数，接收端根据该副本个数可继续进行转发，同时接收端更新生存时间，生存时间为0的数据不再进行转发。本发明可以适应海洋网络通信环境，提出的路由算法可以有效减少数据冗余，提高传输可靠性。

Description

一种基于概率统计的多副本船联网路由协议

技术领域

本发明属于船联网路由协议优化领域，涉及的是一种基于概率统计的多副本船联网路由 协议，用于不存在直达通信链路的船舶之间进行数据传输。

背景技术

近几年，随着信息技术的快速发展，物联网技术也随之诞生。IOV(Internet OfVessels， 船联网)技术作为物联网在海洋方向的一个重要应用，是一个具有一定探索性的新兴概念， 也是智能交通行业应用的重要方向之一。

相对于目前陆上通信的发展状况，海上通信系统的发展较为缓慢。船舶驶离海岸较远时， 会出现联系不到陆上固定BS(Base Station，基站)的问题，同时由于海洋地理环境的制约， 不适宜建设固定的基础设施，因此，远洋船舶使用海事卫星作为数据传输的方式之一。海事 卫星通信系统具有高速、稳定、全天候为海陆空提供网络服务的特点。INMARSAT (International Maritime Satellite Organization，国际移动卫星组织)使用海事卫星来为海陆空 用户提供数据传输服务并获取报酬，使用海事卫星对海洋环境中的一些紧急信息进行实时传 输是十分必要的，增加了远洋船舶航行的安全性，减少不必要的财产损失。

对于由商船、渔船、交通船等船舶组成的志愿船来说，船舶本身负责多种海洋环境数据 的采集与观测，携带有大量的非实时数据信息(如气象、水文等数据)，这些宝贵的资料对海 洋科学研究、海上交通运输安全，国防军事建设等具有非常重要的意义。志愿船携带的海洋 观测数据具有海量性的特点，若使用海事卫星进行数据传输，会带来巨额的传输成本问题， 同时，传输海量的非实时数据也会对卫星资源造成浪费，占用其他实时信息的传输资源，故 采取传统的海事卫星对非紧急、非实时数据进行传输的方法显然是不可取的。

MANET(Mobile Ad Hoc Network，移动自组网)是一种不依赖于基础通信设施、通过节 点之间移动的相遇机会即可进行数据传输的组网模式。该种组网方式具有Ad-Hoc网络的特 点，同时由于依托海洋环境，以志愿船舶作为移动节点，与传统意义上的无线自组网相比， 又有其特殊的性质。通过“存储-携带-转发”的路由模式对志愿船舶所携带的非紧急数据(如海 洋观测数据)进行传输，在船联网领域具有广阔的前景。良好的路由协议是建立移动自组网 的首要条件，同时也是主要的研究热点和难点，针对海洋环境中无线带宽资源有限、网络短 暂分裂几率高的特点，传统的路由协议已经不再适用于拓扑结构高度变化的自组网。在不耗 费过多传输成本的前提下，将志愿船舶所携带的数量庞大的海洋观测数据更高效、更准确的 传输到岸基或其他志愿船，对传输所需要的路由协议提出了更加严格的要求。

因此，寻求一种高效的路由传输协议，实现对具有高密度、海量性特点的海洋观测数据 的可靠传输，对海洋数值预报、海上交通运输安全、应急处置，国防军事建设等均具有非常 重要的意义。

根据美国东北大学研究人员所作的关于手机用户移动模式的研究发现，人类的活动实际 上都遵循着一定的规律，根据个体历史的行为轨迹，可以推测其未来的行为轨迹，并且这种 推测的准确性可以达到93％，人类的主观意志驱使着船舶的航行，故可以以船舶的历史相遇 概率为依据，对数据消息的下一跳目的地作出最优判断。本发明提出了一种基于概率统计的 多副本船联网路由协议，以满足志愿船舶在海洋场景下进行数据传输的要求，实现数据的可 靠传输。

发明内容

鉴于目前用于船舶通信领域的路由协议均具有各自的局限性，如进行通信的两节点间必 须存在直达的通信链路，传输成功率低，传输延迟大，路由开销大，无法对海量的非紧急海 洋观测数据进行成本较低、较为可靠的传输，本发明提出了一种基于概率统计的多副本船联 网路由协议，该协议适用于进行通信的两节点之间不存在直达通信链路的情景。

本发明的技术方案如下：

一种基于概率统计的多副本船联网路由协议，提出了传输概率P_ab(a、b为不同节点)的计 算公式，通过传输概率的大小比较来决定是否对数据转发，同时引入了多副本的概念，提高 数据交付的可靠性，提出转发副本个数的动态计算公式和TTL(Time To Live，生存时间)的计 算方法，从而控制网络拥塞，该算法主要包括以下步骤：

1)源节点a产生发送的数据：

(1)在源节点a处产生待发送的数据，存储在发送缓存中；

(2)设置待发送数据的副本总数L及数据生存时间TTL

设置待发送数据的副本总数为L，其数值为在相同传输距离下，节点a发送成功的平均 副本个数；设置每个数据副本的TTL值，

其中，源节点的通信范围为N，目的节点与源节点的距离为R，R可由船舶的AIS(Automatic Identification System，海上目标自动识别系统)系统获得，通信范围内(即一跳内)数据成功 交付所需的平均TTL为λ；

(3)等待节点相遇；

2)源节点a通过中继节点b发送数据：

(1)计算节点a与节点b间的传输概率P_ab并更新自身历史相遇信息表；

根据传输概率公式计算P_ab，节点a更新自身历史相遇信息表：

P_ab＝P_ab(old)+[1-P_ab(old)]·P_init

其中，P_(ab)old为节点a与节点b的历史传输概率，传输初始常数P_init∈[0，1]；

(2)源节点a接收中继节点b与节点d间的传输概率P_bd；

(3)比较节点a与节点d间的传输概率P_ad与节点b与节点d间的传输概率P_bd；

对源节点a与中继节点b的传输概率进行比较，若P_ad<P_bd，节点a选择节点b对数据进 行转发，节点b拥有的可再依托其他节点转发的副本个数最大值设定为L_ab；否则若P_ad>＝P_bd， 则结束本算法，不使用节点b进行转发；其中，副本个数最大值L_ab为：

(4)计算源节点的剩余副本数L_a

L_a＝L_a(old)-L_ab

其中，L_a(old)为发送节点a将数据发送给节点b之前的数据副本数，其初始值为数据副本总 数L；

(5)判断L_a是否小于等于0，发送数据

若L_a≤0，发送数据，其副本个数为L_a(old)，清空发送缓存；否则，发送数据，其副本个 数为L_ab；

3)中继节点b接收数据：

(1)两节点相遇，建立连接；

(2)计算节点b与节点a间的传输概率P_ba并相应更新自身历史相遇信息表；

(3)节点b将P_bd发送给节点a，用于传输概率的大小比较；

(4)判断是否接收到节点a的数据

若是，则进行步骤(5)，否则，结束本算法；

(5)判断数据副本的目的节点是否为自身

若是，则说明数据已经成功交付，结束本算法，否则，进行步骤(6)；

(6)更新TTL值

对数据副本的TTL值减1；

(7)判断当前TTL值是否为0

若TTL＝0，结束本算法，否则，将数据复制到发送缓存，等待与新节点相遇，转发数据；

4)两节点通信结束，继续寻找新节点：

对数据的发送完毕后，两节点断开通信连接，继续航行寻找新的节点进行中继传输。

附图说明

图1为一种基于概率统计的多副本船联网路由协议的船联网场景示意图；

图2为一种基于概率统计的多副本船联网路由协议产生数据流程图；

图3为一种基于概率统计的多副本船联网路由协议发送数据流程图；

图4为一种基于概率统计的多副本船联网路由协议接收数据流程图；

具体实施方式

以下结合图例，对本发明进行详细说明。

海洋环境中不适宜建设固定的基础设施，因此无法通过岸边基站进行数据的传递，如图 1所示：

(1)使用海事卫星对紧急数据进行实时传输

志愿船舶A携带有需要紧急进行传输的数据与非紧急数据，使用海事卫星对急需传输的 紧急数据进行快速传输。海事卫星接收到志愿船舶A的紧急数据信息后，将其转发给岸边基 站或远洋船舶。海事卫星通信系统具有高速、稳定、全天候为海陆空提供网络服务的特点， 但使用该服务需要向国际移动卫星组织支付一定的报酬，不适合对大量的非紧急数据进行传 输。

(2)利用船舶之间的相遇机会对海量非紧急数据进行可靠传输

船舶作为海上重要的观测手段之一,发挥着与卫星、漂流浮标等同等重要的作用。对于 由商船、渔船、交通船等船舶组成的志愿船来说，该类船本身负责多种海洋环境数据的采集 与观测，携带有大量的非紧急数据信息(如气象、水文等数据)，由于这些海洋观测数据具有 海量性的特点，若使用海事卫星进行数据传输，会带来巨额的传输成本问题，造成卫星资源 的浪费，占用其他实时信息的传输资源，因此利用船舶的相遇机会进行数据传输，如图所示， 假设志愿船A为数据源节点，志愿船D为数据目的节点，A与C之间不存在直达的通信路径， 但A与B，B与D之间存在直达路径，故A可将数据先转发给志愿船B，B再将数据转发给 D，船舶之间使用基于概率统计的多副本船联网路由协议。

变量定义及参数解释：

定义1:节点传输概率(P_xy)：P_ad表示节点a与节点d之间的传输概率，该概率在节点的 历史相遇信息表中进行维护，大小与历史相遇信息表中的旧的传输概率P_(ad)old、概率初始化 常数P_init有关，即：

P_ad＝P_ad(old)+[1-P_ad(old)]·P_init

其中，P_init∈[0，1]，P_ad越大，即节点a与节点d相遇可能性越大，数据成功交付的可能性 越高；

定义2：拟发送副本数(L_xy)：采取多副本的策略在一定程度上提高数据的成功交付率， L_ab表示节点a拟向节点b发送的数据副本数，该值受节点传输概率以及副本总数的影响，即：

其中，P_ad为节点a与节点d的传输概率，P_bd为节点b与节点d的传输概率，L为初始数据副 本总数。

定义3：数据生存时间(TTL)：为清除冗余数据，释放网络资源，提出数据生存时间的 计算方法，每当数据被发送一次，在接收端TTL的值就会相应减1，当TTL减为0时，不再转发该数据，该值的初始大小受目的节点与源节点间距离的影响，即：

其中，设源节点的通信范围为N，目的节点与源节点的距离为R，N可由船舶AIS系统获得， 通信范围内(即一跳内)数据成功交付所需的平均TTL为λ。

定义4：剩余副本数(L_X):L_a表示发送节点a向接收节点b发送L_ab个副本后的剩余副本个数，即：

L_a＝L_a(old)-L_ab

其中，L_a(old)为发送节点a将数据发送给节点b之前的数据副本数，其初始值为L。

下面结合具体的案例对一种基于概率统计的多副本船联网路由协议进行解释，本发明的 具体步骤如下：

假设现有志愿船舶a，b，d，其中，志愿船舶a作为数据的源节点，志愿船舶d作为数据 的目的节点，a与d之间不存在直达的通信路径，各个船舶节点均维护一个本节点与其他节 点的历史相遇信息表，表中包含传输概率P_xy(x为本节点，y为相遇节点)信息。

对于源节点a，如图2所示：

步骤①：产生待发送数据M，M的源节点为a，目的节点为d；

步骤②：设置M的副本总数为L，其数值为在相同传输距离下，节点a发送成功的平均 副本个数；根据定义3为数据M设置TTL值；

步骤③：等待与新节点相遇；

在某时刻，源节点a与节点b相遇，如图3所示：

步骤①：根据定义1，计算P_ab，更新自身的历史相遇信息表；

步骤②：接收节点b发来的P_bd；

步骤③：依据历史相遇信息表中的信息，将P_ad与P_bd作大小比较，若P_ad＜P_bd，则说明根据历史相遇规律，节点b在理论上更容易与目的节点d相遇，故节点b可作为数据M的中 继节点，应对其进行数据发送，此时，节点a即为数据M的发送节点，节点b即为数据M的 接收节点，根据定义2，计算拟发送给节点b的数据副本数L_ab，执行步骤④，否则，节点a 放弃对节点b发送数据M，结束本算法，节点a继续移动寻找新的相遇节点；

步骤④：根据定义4，计算节点a发送后的剩余副本数L_a；

步骤⑤：判断L_a是否小于等于0，若是，则说明节点a中现有的副本总数不大于节点a 拟向节点b发送的副本个数，节点a向节点b发送数据，其个数为L_a(old)，发送后节点a中已无该数据副本，故清空发送缓存，否则，节点a向节点b发送数据，其副本个数为L_ab；

对于接收节点b，如图4所示：

步骤①：建立通信连接；

步骤②：根据定义1计算P_ba，更新自身的历史相遇信息表；

步骤③：将P_bd发送给节点a；

步骤④：判断自身是否接收数据M，若是，说明节点a已将数据发送给节点b，即P_ad＜P_bd，执行步骤⑤，否则，结束本算法；

步骤⑤：判断数据M的目的节点是否为自身，若是，表示数据成功交付，结束此算法， 否则，执行步骤⑥；

步骤⑥：将TTL的值减1，表示数据M完成了一跳；

步骤⑦：判断TTL是否为0，若是，不再进行该数据的转发，结束本算法，否则，将数据复制到发送缓存，等待与新节点相遇，转发数据；

对数据的发送完毕后，两节点断开通信连接，继续航行寻找新的节点进行中继传输。

Claims (1)

1.一种基于概率统计的多副本船联网路由协议，其特征在于：在不存在直达通信链路的船舶中，利用相遇的船舶实现对数据的转发，其步骤如下：

1)源节点a产生发送的数据：

(1)在源节点a处产生待发送的数据，存储在发送缓存中；

(2)设置待发送数据的副本总数为L，其数值为在相同传输距离下，节点a发送成功的平均副本个数；设置每个数据副本的生存时间TTL为，

其中，N为源节点的通信范围，R为目的节点与源节点的距离，λ为源节点通信范围内数据成功交付所需的平均TTL；

(3)等待节点相遇；

2)源节点a通过中继节点b发送数据：

(1)计算节点a与节点b间的传输概率P_ab并更新自身历史相遇信息表，其计算公式为：P_ab＝P_ab(old)+[1-P_ab(old)]·P_init其中，P_(ab)old为节点a与节点b的历史传输概率，传输初始常数P_init∈[0，1]；

(2)源节点a接收中继节点b与节点d间的传输概率P_bd；

(3)比较节点a与节点d间的传输概率P_ad与节点b与节点d间的传输概率P_bd，若P_ad<P_bd，节点a选择节点b对数据进行转发，节点b拥有的可再依托其他节点转发的副本个数最大值设定为L_ab；否则若P_ad>＝P_bd，则结束本算法，不使用节点b进行转发；其中，副本个数最大值L_ab为：

(4)计算源节点的剩余副本数L_a

L_a＝L_a(old)-L_ab

其中，L_a(old)为发送节点a将数据发送给节点b之前的数据副本数，其初始值为数据副本总数L；

(5)若L_a≤0，发送数据，其副本个数为L_a(old)，清空发送缓存；否则，发送数据，其副本个数为L_ab；

3)中继节点b接收数据：

(1)两节点相遇，建立连接；

(2)计算节点b与节点a间的传输概率P_ba并更新自身历史相遇信息表；

(3)节点b将P_bd发送给节点a；

(4)判断是否接收到节点a的数据，若是，则进行步骤(5)，否则，结束本算法；

(5)判断数据的目的节点是否为自身，若是，数据成功交付，结束本算法，否则，进行步骤(6)；

(6)对数据副本的TTL值减1；

(7)若TTL＝0，结束本算法，否则，将数据复制到发送缓存，等待与新节点相遇，转发数据；

4)两节点通信结束，继续寻找新节点：

对数据的发送完毕后，两节点断开通信连接，继续航行寻找新的节点进行中继传输。