CN111050375A - 一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，包括如下步骤：步骤一、构建生成树：构建一棵以源节点为根、以集合R中节点为分支节点的广播分发树，使得待广播的消息数据从源节点出发，沿着广播分发树的各个分支节点进行中继转发后，被传输到达网络中的每一个节点；步骤二、规划传输资源：在结合节点中继转发顺序的基础上，为集合R中的节点分配传输资源，以最大化复用传输资源；步骤三、数据广播分发：将集合R中节点以及为其所分配的传输资源通告给网络中的相应节点，收到的节点根据通告内容进行相应的转发。本发明有效解决多跳自组织网络中传统方法存在大量冗余传输、分发时延过大的问题，为一种高实时传输的数据广播分发方法。

Description

一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法
技术领域
本发明属于无线自组织网络通信技术领域，具体涉及一种在无线自组织网络中实现高实时数据广播分发的方法。
背景技术
广播是无线自组织网络通信中常见的一种通信需求，例如重要信息的通告、指令的下达、呼叫用户寻找等。广播通信的目标是将源节点发送的消息数据传输给网络中的所有其它节点。无线自组织网络是一种可快速部署、灵活组建的网络，其网络拓扑受节点位置变化、通信环境影响等可能会不断有所改变，并且节点与节点之间的通信关系呈多跳网状连接关系。在无线自组织网络中，广播通信问题存在着较大的挑战，如何在多跳网状拓扑连接条件下，使得广播数据到达全网每一个节点的中继转发传输所需要的资源最少是问题的核心。除此之外，在对通信具有较高时效性要求的应用场合，广播通信还同时提出了数据传输时延方面的要求，这使得设计相关的高实时数据广播分发方法成为网络通信的一项关键核心技术。目前，常用的广播通信数据分发方法包括洪泛、多点中继、利用冗余信息的广播算法等。
洪泛(Flooding)是实现广播最简单、最直接的方法。当节点收到一个广播消息时，如果判断为非重复接收的消息，则节点简单地将该消息向它的所有邻居节点进行广播中继转发。因此，洪泛方式下，网络中每一个节点都将参与广播转发，这就使得消息的发送存在大量的冗余，在自组织网络中造成大量的传输资源开销。同时，由于无线广播信道容易发生多点占用冲突，因此大量节点同时参与广播发送甚至可能诱发产生信道访问的恶性冲突和碰撞。研究表明，无线自组织网络中，洪泛可能带来广播风暴问题(Broadcast StormProblem)，使得网络陷入瘫痪。
多点中继(Multi-Point Relay)广播传输技术在无线自组织网络OLSR(OptimizedLink State Routing)路由中被采用。该技术方法的基本思想是，在广播洪泛的过程中每个网络节点从其邻居中挑选部分节点作为广播消息的中继转发节点，通过这些节点的中继转发，可覆盖到达全部的2跳邻居节点。研究表明，多点中继的中继转发节点选取是一个NP(Non-deterministic Polynomial)完全问题，只能通过近似算法求解最优选择节点。
利用冗余信息的广播算法主要面向共享信道随机访问的网络所设计，为了避免因大量节点同步转发造成信道竞争碰撞，广播消息的转发需要延迟等待一个随机时间，在这个时间内，节点可能接收到周围邻居节点发送的同一广播消息。节点对这些收到的重复消息进行计数，如果重复接收次数超过某一阈值，则节点放弃对该广播消息的转发。阈值参数的取值对广播分发性能有着重要影响，其合理的取值与节点所处的邻居拓扑关系密切相关。
上述这些广播分发方法都不适合于对通信有着高实时性要求的应用，无法在确定的时间上限内将数据广播分发到网络中的每一个网络节点。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，针对无线自组织网络中数据广播分发的需求，解决了传统洪泛、多点中继等广播分发方式存在大量冗余传输、分发时延过大的不足。该方法具备无线传输资源的优化利用能力，结合无线传输中继转发的特点，根据网络拓扑信息通过算法选择尽可能少的节点执行广播中继转发，并合理规划中继转发所需的传输资源，以实现有时效性目标的多跳数据广播分发目的，为无线自组织网络提供了一种高效、高实时的数据广播分发方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，包括如下步骤：
步骤一、构建生成树：
构建一棵以源节点为根、以集合R中节点为分支节点的广播分发树，使得待广播的消息数据从源节点出发，沿着广播分发树的各个分支节点进行中继转发后，被传输到达网络中的每一个节点；
步骤二、规划传输资源：
在结合节点中继转发顺序的基础上，为集合R中的节点分配传输资源，以最大化复用传输资源；
步骤三、数据广播分发：
将集合R中节点以及为其所分配的传输资源通告给网络中的相应节点，收到的节点根据通告内容进行相应的转发。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明针对无线自组织网络的广播通信需求，公开了一种高实时传输的数据广播分发方法，解决多跳自组织网络中传统洪泛、多点中继等方法存在大量冗余传输、分发时延过大的问题，为无线自组织网络提供了一种高效传输、优化无线传输资源利用的数据广播分发技术。具体优点如下：
1、本发明设计了一种算法，利用网络拓扑信息构建了节点向全网进行数据广播分发的生成树。通过以源节点为根的生成树的构建，找到网络中必要且尽可能少的节点参与进行中继转发，减少广播冗余；同时优化中继转发节点的传输先后顺序，促使更多的节点在更短时间内收到广播数据，减少广播时延。
2、本发明优化了广播分发生成树上中继转发节点的传输资源分配，充分实现生成树上多个节点对无线传输资源的复用，不仅减少广播分发的资源消耗，而且还减少中继转发的传输等待时间，缩短整个广播分发过程所需要的时间，提高实时性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为高实时数据广播分发网络拓扑图示例一；
图2为高实时数据广播分发网络拓扑图示例二；
图3为示例二网络中算法构建的广播分发树。
具体实施方式
为了在无线自组织网络中实现高实时的数据广播分发，本发明采取的技术方案如下：
假设网络中节点通过拓扑学习，获得了网络中各个节点之间完整的拓扑连接关系。为了描述方便，我们以无向图G＝(V,E)来表示网络的拓扑连接关系，其中V为网络中节点集合，E为网络中节点之间连接集合。对于网络中存在一跳连接的两个节点u和v，e(u,v)表示节点u、v之间的连接，有e(u,v)∈E。以N(u)表示节点u的一跳邻居节点集合，N2(u)表示节点u的两跳邻居节点集合，|A|表示集合A中元素的个数。
为了实现数据传输从源节点s出发向网络中其余全部节点的广播分发，本发明提出的方法分为三个操作阶段：构建生成树、规划传输资源、数据广播分发。
(1)构建生成树
生成树的构建以访问区域边界扩展方式从源节点开始逐次向其它节点扩展搜索进行构建，即在针对一个连通图的搜索过程中，搜索操作将始终一直通过已访问和未访问顶点之间的边界向外扩展，直至图中所有顶点都已被访问过时结束。边界扩展的依据是，在当前所有已访问的边界顶点中，找到一个最佳的顶点向未访问顶点进行扩展，要求扩展后边界增长更长，即边界所包含的顶点更多。
生成树构建的算法步骤如下：
步骤S101：将网络拓扑图G中每个节点采用白色进行着色，设定集合R为空，即R＝φ。以W表示图G中白色节点集，此时有W＝V。
步骤S102：将源节点s着色为黑色，并将s添加到集合R中。以B表示图G中黑色节点集，此时有B＝{s}。
步骤S103：创建一个空队列Queue，将节点s的全部一跳邻居节点v∈N(s)添加到队列中去。同时，将添加到队列中的全部节点着色为黑色，并记录这些加入队列的节点v的父节点为节点s，即parent(v)＝s，以及记录节点v的生命值为life(v)＝1。以Q表示队列中节点的集合。
步骤S104：依次遍历队列Queue中的所有节点，访问其中每一个节点u∈Q的所有一跳邻居节点。以fu表示节点u一跳邻居节点中白色节点的数量，即fu＝|N(u)∩W|，寻找节点u’，使得
Figure BDA0002265316670000051
如果有多个节点都拥有相同的最大值fu’，则选择其中生命值life(u)最大的为节点u’；进一步，如果多个节点都拥有相同的最大生命值，则选择其中节点ID最小的为节点u’。
步骤S105：将找到的节点u’顺序添加到集合R中去。同时，从队列Queue中删去节点u’，更新当前队列中其余节点的生命值为life(u)＝life(u)+1，并将节点u’的白色一跳邻居节点v添加到队列中去。完成添加后，将节点u’的白色邻居节点着色为黑色，并记录这些节点v的父节点为节点u’，即parent(v)＝u’，以及记录节点v的生命值为life(v)＝1。
步骤S106：重复步骤S104～S105，直至网络拓扑图G中全部节点都变成黑色。
通过上述算法步骤，生成树构建将得到一棵以源节点为根、以集合R中节点为分支节点的广播分发树。广播消息数据的分发从源节点s出发，沿着这棵树进行中继转发，将可以保证数据被传输到达网络中全部每一个节点。
(2)规划传输资源
数据广播分发需要通过网络中多个节点的中继转发才能使得数据传输到达网络中的每一个节点，合理分配规划中继转发节点的传输资源占用将对提高数据广播分发的实时性有着重要作用。在生成树构建算法中，集合R中保存的那些节点除源节点s外，为算法优选出的最适合作为中继转发的节点。传输资源规划算法将为集合R中的节点合理分配占用传输资源，优化资源利用并使得广播分发具有良好的实时性。
集合R中顺序记录了网络中中继转发节点的先后传输顺序。设集合R中共有n＝|R|个节点，在不作资源优化的条件下，需要顺序占用n个传输资源。考虑每个传输资源所需的接入等待时间为T，则整个广播分发过程需要n×T的时间。无线通信中，由于电磁波信号传播的距离有限，超过两跳传输距离的节点可以重用同一信道资源。基于该特性，传输资源规划算法设计在结合节点中继转发顺序的基础上，最大化复用传输资源，减少对传输资源的等待时间，从而缩短广播分发过程所需要的时间。
以vi(i＝1,2,3,…,n)顺序表示集合R中的各个节点，其中v1也是源节点s。传输资源规划算法的步骤如下：
步骤S201：为集合R中的节点v1和v2分别分配第1个和第2个传输资源，设置参数i＝3。以Res(vi)表示为节点vi分配的资源，这里有Res(v1)＝1和Res(v2)＝2。
步骤S202：顺序读取集合R中保存的第i个节点vi，根据生成树构建算法中关于父节点的记录，判断parent(vi)是集合R中的第k个节点。根据生成树构建算法的步骤过程不难理解，这里有1≤k＜i。
步骤S203：根据网络拓扑图G中节点的连接关系，在R的子集Rs节点集合{vj|j＝k+1,k+2,…,i-1}中顺序依次检查判断节点vj是否是节点vi的一跳或是两跳邻居节点。如果找到第一个与vi是非一跳和两跳邻居的节点vj’，即有
Figure BDA0002265316670000071
则为节点vi分配与vj’相同的传输资源，有Res(vi)＝Res(vj’)；如果未找到任何节点与vi是非一跳和两跳邻居，则为节点vi分配资源Res(vi)＝max{Res(vx),1≤x＜i}+1。
步骤S204：设置参数i＝i+1，重复步骤S202～S203，直至i＞n时结束算法。
(3)数据广播分发
完成生成树构建和传输资源规划算法操作后，进入数据广播分发阶段的操作。该阶段需要根据此前两个算法操作获得的结果，向相关参与广播分发的节点通告算法的结果，并要求这些节点按照结果执行中继转发操作。
数据广播分发的操作步骤如下：
步骤S301：根据前面阶段生成树构建算法选取产生的节点集合R，以及传输资源规划算法为集合R中各个节点分配的传输资源Res(vi)(vi∈R)，将参与源节点s数据广播分发的集合R中节点以及为其所分配使用的传输资源通告给网络中的相应节点。
步骤S302：源节点s在指定的资源分配内发送广播数据，收到的节点根据自己是否是针对源节点s广播分发的中继转发节点，判断是否要作转发操作。如果是，节点在指定的资源分配内对数据进行转发；否则，不需要转发。
下面结合两种网络拓扑示例，对本发明方法作详细描述。
两种无线自组织网络拓扑连接图示分别如图1(示例一)和图2(示例二)所示，其中链接虚线表示节点一跳发送可以到达的邻居节点，数字表示节点的ID。示例一中共9个节点形成了一个多跳网状连接的网络，示例二给出了一种拓扑连接关系更加复杂的无线自组织网络图示，共有14个节点。以此两种拓扑图示为例具体说明本发明的高实时数据广播分发过程，但本发明的方法并不局限于在此两种网络拓扑下使用。
(1)示例一网络的实施
在示例一中，设节点1为广播发送的源节点，这里问题解决的目标是要求通过网络中尽可能少的其它节点参与进行中继转发，使得源节点的广播数据最快传输到达网络中的每一个节点。本发明给出的方法通过构建生成树、规划传输资源、数据广播分发三个阶段的操作，解决了上述目标问题中相关的如何选取网络中的节点作为中继转发节点、中继转发节点如何分配资源用于传输以及数据广播如何实施网络分发的技术问题。
在构建生成树阶段的操作中，根据算法步骤S101～S106的操作执行，生成树构建过程中的相关结果数据如表1所示。可以看到，最终算法选取产生的节点集合R＝{1,2,6,5}。也就是说，节点1数据的广播分发只需要网络中的节点1、2、6、5这4个节点参与发送或是中继转发，就可以使得数据传输到达网络中的其余全部8个节点。
表1：示例一网络生成树构建算法各步骤执行相关结果数据
Figure BDA0002265316670000081
Figure BDA0002265316670000091
接下来开始规划传输资源，针对集合R＝{1,2,6,5}中各个节点，利用算法为每一个节点合理分配所需的传输资源。根据算法步骤S201～S204的操作执行，集合R中各个节点分配的传输资源结果如表2所示。
表2：示例一网络传输资源规划算法执行结果数据
序号 节点v<sub>i</sub> 节点分配的资源Res(v<sub>i</sub>)
1 1 1
2 2 2
3 6 3
4 5 4
在数据广播分发阶段的操作中，针对集合R中所指定的参与源节点1数据广播分发的那些节点，即节点1、2、6、5，将相应广播分发参与要求通告给这几个节点，同时通告的还有这几个节点对应分配使用的传输资源1、2、3、4。完成通告后，源节点1可以开始在网络中进行数据广播分发，收到源节点1数据的节点中，只有节点2、6、5需要执行转发操作。
(2)示例二网络的实施
在示例二中，仍然设节点1为广播发送的源节点，根据算法步骤S101～S106的操作执行，生成树构建选取产生的节点集合R＝{1,7,9,12,2,3,4}，相应的广播分发树为图3所示结果。
在规划传输资源阶段的操作中，根据算法步骤S201～S204的操作执行，算法为集合R中各个节点分配的传输资源结果如表3所示。从表3中结果我们看到，中继转发节点2和4分配了与节点12和3相同的传输资源，相比不作资源优化的条件下广播分发需要|R|×T＝7T的时间，通过算法优化后广播分发只需要5T的时间，因此缩短了广播分发的传输时间，提高了广播数据通信的实时性。
表3：示例二网络传输资源规划算法执行结果数据
序号 节点v<sub>i</sub> 节点分配的资源Res(v<sub>i</sub>)
1 1 1
2 7 2
3 9 3
4 12 4
5 2 4
6 3 5
7 4 5
进入数据广播分发阶段，通告节点1、7、9、12、2、3、4参与源节点1数据的广播分发以及对应分配使用的传输资源。网络中只需要节点7、9、12、2、3、4在收到节点1的广播数据后执行转发操作即可。

Claims (6)

1.一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、构建生成树：
构建一棵以源节点为根、以集合R中节点为分支节点的广播分发树，使得待广播的消息数据从源节点出发，沿着广播分发树的各个分支节点进行中继转发后，被传输到达网络中的每一个节点；
步骤二、规划传输资源：
在结合节点中继转发顺序的基础上，为集合R中的节点分配传输资源，以最大化复用传输资源；
步骤三、数据广播分发：
将集合R中节点以及为其所分配的传输资源通告给网络中的相应节点，收到的节点根据通告内容进行相应的转发。
2.根据权利要求1所述的一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，其特征在于：步骤一所述集合R中节点的选取产生方法包括如下步骤：
步骤S101：将网络拓扑图G中每个节点采用白色进行着色，令R＝φ，以W表示图G中白色节点集；
步骤S102：将源节点s着色为黑色，并将s添加到集合R中，以B表示图G中黑色节点集，此时有B＝{s}；
步骤S103：创建一个空队列Queue，将节点s的全部一跳邻居节点v∈N(s)添加到队列中去；同时，将添加到队列中的全部节点着色为黑色，并记录这些加入队列的节点v的父节点为节点s，parent(v)＝s，以及记录节点v的生命值为life(v)＝1；以Q表示队列中节点的集合；
步骤S104：依次遍历队列Queue中的所有节点，访问其中每一个节点u∈Q的所有一跳邻居节点，以fu表示节点u一跳邻居节点中白色节点的数量，fu＝|N(u)∩W|，寻找节点u’，使得
Figure FDA0002265316660000021
步骤S105：将找到的节点u’顺序添加到集合R中，同时，从队列Queue中删去节点u’，更新当前队列中其余节点的生命值为life(u)＝life(u)+1，并将节点u’的白色一跳邻居节点v添加到队列Queue中；完成添加后，将节点u’的白色邻居节点着色为黑色，并记录这些节点v的父节点为节点u’，parent(v)＝u’，以及记录节点v的生命值为life(v)＝1；
步骤S106：重复步骤S104～S105，直至网络拓扑图G中全部节点都变成黑色。
3.根据权利要求2所述的一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，其特征在于：所述步骤S104中，如果有多个节点都拥有相同的最大值fu’，则选择其中生命值life(u)最大的为节点u’。
4.根据权利要求3所述的一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，其特征在于：所述步骤S104中，如果多个节点都拥有相同的最大生命值，则选择其中节点ID最小的为节点u’。
5.根据权利要求2所述的一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，其特征在于：步骤二所述为集合R中的各节点vi分配传输资源的方法包括如下步骤：
步骤S201：为集合R中的节点v1和v2分别分配第1个和第2个传输资源，设置参数i＝3，以Res(vi)表示为节点分配的资源，其中，Res(v1)＝1、Res(v2)＝2；
步骤S202：顺序读取集合R中保存的第i个节点vi，判断parent(vi)是集合R中的第k个节点，其中1≤k＜i；
步骤S203：在R的子集Rs节点集合{vj|j＝k+1,k+2,…,i-1}中顺序依次判断节点vj是否是节点vi的一跳或是两跳邻居节点：如果找到第一个与vi是非一跳和两跳邻居的节点vj’，则令Res(vi)＝Res(vj’)；如果未找到任何节点与vi是非一跳和两跳邻居，则令Res(vi)＝max{Res(vx),1≤x＜i}+1；
步骤S204：设置参数i＝i+1，重复步骤S202～S203，直至i＞n时结束。
6.根据权利要求5所述的一种无线自组织网络高实时数据广播分发方法，其特征在于：步骤三所述数据广播分发的步骤包括：
步骤S301：将参与源节点s数据广播分发的集合R中各节点vi以及Res(vi)通告给网络中的相应节点；
步骤S302：源节点s在指定的资源分配内发送广播数据，收到广播数据的节点根据自己是否是中继转发节点判断是否要作转发操作：如果否，则不转发；如果是，则在指定的分配资源内对数据进行转发。
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