CN111970200B - 一种基于效用值的概率路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于效用值的概率路由方法，包括以下步骤：S1、机会网络中的各个节点分别收集并记录与机会网络中其它节点的相遇信息，构建网络模型；S2、根据节点的相遇持续时间及相遇节点剩余缓存情况构建效用值度量模型，并根据效用值计算消息投递概率；S3、根据相遇节点到达目的节点的概率，本节点到达目的节点的概率，与阈值进行比较，采用不同的转发策略；S4、当机会网络中的某个消息被成功投递到目的节点后，利用ACK确认机制算法，删除成功投递的消息。本发明通过对节点间的相遇历史信息以及相遇节点剩余缓存情况进行研究，构建效用值度量模型，并采用了ACK消息删除机制算法以减少无用的冗余副本数量，提高了算法的整体性能。

Description

一种基于效用值的概率路由方法
技术领域
本发明涉及机会网络技术领域，尤其涉及一种基于效用值的概率路由方法。
背景技术
机会网络不要求网络的全连通，更能满足实际的自组网需求。机会网络多在具有挑战的环境下使用，不同于传统的无线网络需要基站等设施辅助，比如山区里由于环境限制，基础设施不方面搭建，可以利用手机等设备建立网络收集信息。在机会网络中，由于网络节点的移动、无线通信干扰、节点自身资源(如缓存、电池能量等)限制等原因，导致网络拓扑多变、数据速率不对称，网络时常出现分割，进而使得通常的端到端通信无法完成或通信性能难以满足应用的需求。
由于机会网络呈现出网络拓扑多变的特征，网络中节点之间的连接极不稳定。因此，选择合适的中继节点使消息有更高的概率传递到目的节点是路由算法中考虑的重要问题。例如，在学校中，上课时间学生都在教室，由学生携带的移动设备组成的节点之间的相遇持续时间会比较长，老师和学生互动导致他们之间经常交流，如果他们经常接触，并且交流的时间比较长，那么他们之间能互相交换有效信息的概率就比较大。应用在机会网络中是同样的道理。另一个方面由于受到缓存大小的限制，中继节点因缓存不足会替换出消息，并不能使消息转发到下一个适当的中继节点。因此，选择接触时间长并且剩余缓存空间大的中继节点将有利于消息的传递。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于效用值的概率路由方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于效用值的概率路由方法，在机会网络中，通过基于效用值的概率路由方法控制节点间消息的分发，通过节点间连接信息以及相遇节点剩余缓存情况定义效用值，该方法包括以下步骤：
S1、网络预热，机会网络中的各个节点分别收集并记录与机会网络中其它节点的相遇信息，构建网络模型；
S2、定义节点的效用值，根据节点的相遇持续时间及相遇节点剩余缓存情况构建效用值度量模型，并根据效用值计算消息投递概率，作为下一个中继节点选择的依据；
S3、消息转发阶段，根据消息投递概率采用不同的消息转发策略：判断相遇节点到达目的节点的消息投递概率是否大于本节点到达目的节点的消息投递概率，若否，则不转发；若是，则继续判断相遇节点到达目的节点的消息投递概率是否大于设定的阈值；若是，则本节点将消息全部转发给相遇节点并在本节点上删除此消息；若否，则将部分消息副本转发给相遇节点；
S4、当机会网络中的某个消息被成功投递到目的节点后，利用ACK确认机制算法，通知机会网络中的节点删除已经被成功投递到目的节点的消息。
进一步地，本发明的步骤S1中的网络模型，用于收集节点间的历史相遇持续时间，将相遇持续时间加入到效用值的计算中。
进一步地，本发明的步骤S2中效用值的计算方法为：
节点vi的效用值Putility是指节点vi与节点vj的历史相遇持续时间与节点vj剩余缓存大小按权值分配后的和，其计算公式为：
Figure BDA0002652878350000021
其中，Te表示在一个时间间隔T内，两节点相遇持续时间总和，Mocc表示相遇节点已使用的缓存大小，Minit表示相遇节点初始缓存大小，α是调整参数，α越大表明相遇持续时间对效用值的影响越大，α越小表明相遇节点剩余缓存对效用值的影响越大，取值范围[0，1]。
进一步地，本发明的步骤S2中消息投递概率的计算方法为：
P(a,b)＝P(a,b)old+(1-P(a,b)old)×Putility
其中，P(a,b)表示更新后的节点va到节点vb的传输概率，P(a,b)old表示更新前的节点va到节点vb的传输概率。Putility表示节点va的效用值。效用值Putility越大，节点va与节点vb相遇的概率越大，即节点相遇持续时间越长，vb剩余缓存越大，越有利于消息传递；
若节点va与节点vb没有接触的时间超过一定阈值，表示它们之间能够成功传输消息的机会降低，相遇概率相应的也会降低，衰退公式如下：
P(a,b)＝P(a,b)old×γK
其中，γ表示衰减参数，k表示从最后一次相遇到目前为止经历的时间块的个数；
若节点va遇到节点vb的频率超过一定阈值，并且节点vb遇到节点vc的频率超过一定阈值，表示节点vc能作为节点va的一个中继节点；传递公式为：
P(a,c)＝P(a,c)old+[1-P(a,c)old]×P(a,b)×P(b,c)×β
其中，P(a,c)表示更新后的节点va到节点vc的传输概率，P(b,c)表示节点vb到节点vc的传输概率，P(a,c)old表示更新前的节点va到节点vc的传递概率。β是一个度量参数，取值范围为[0，1]。
进一步地，本发明的步骤S3中消息投递概率的阈值用于控制消息数量，若阈值<0.9，转发消息时会浪费网络资源，降低投递成功率；若阈值取值>0.9，导致节点转发的消息副本过多。
进一步地，本发明的步骤S3中消息转发时，若相遇节点到达目的节点的消息投递概率不大于设定的阈值，则将1/2的消息副本转发给相遇节点。
进一步地，本发明的步骤S4中ACK确认机制算法删除消息的方法为：
每个节点维护一个确认消息的列表即ackedMessage表，用来存放已成功传输消息的ID；当两个节点相遇并且形成一个连通区域时，交换彼此的ACK消息列表，并将自身ACK消息列表中没有的消息ID而相遇节点ACK消息列表中所持有的消息ID加入到自身的ACK消息列表中，然后分别删除自身缓存中已经被记录于ACK消息列表中的消息。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于效用值的概率路由方法，通过对节点间的相遇历史信息以及相遇节点剩余缓存情况进行研究，构建效用值度量模型。在转发阶段，通过相遇节点转发概率，本节点转发概率以及阈值之间作比较，采用不同的转发策略。若相遇节点转发概率大于本节点并且大于阈值，节点在转发消息后删除此消息；若相遇节点转发概率大于本节点并且小于阈值，转发1/2的消息副本，通过增加消息副本的数量提高算法的整体性能。同时，基于效用值的概率路由算法采用了ACK消息删除机制算法以减少无用的冗余副本数量，提高了算法的整体性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的基于效用值的概率路由算法的算法流程图；
图2是本发明实施例的基于效用值的概率路由算法的转发策略过程图；
图3是本发明实施例的ACK消息删除机制算法过程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于效用值的概率路由方法，在机会网络中，通过基于效用值的概率路由方法控制节点间消息的分发，通过节点间连接信息以及相遇节点剩余缓存情况定义效用值，该方法包括以下步骤：
S1、网络预热，机会网络中的各个节点分别收集并记录与机会网络中其它节点的相遇信息，构建网络模型；
S2、定义节点的效用值，根据节点的相遇持续时间及相遇节点剩余缓存情况构建效用值度量模型，并根据效用值计算消息投递概率，作为下一个中继节点选择的依据；
S3、消息转发阶段，根据消息投递概率采用不同的消息转发策略：判断相遇节点到达目的节点的消息投递概率是否大于本节点到达目的节点的消息投递概率，若否，则不转发；若是，则继续判断相遇节点到达目的节点的消息投递概率是否大于设定的阈值；若是，则本节点将消息全部转发给相遇节点并在本节点上删除此消息；若否，则将部分消息副本转发给相遇节点；
S4、当机会网络中的某个消息被成功投递到目的节点后，利用ACK确认机制算法，通知机会网络中的节点删除已经被成功投递到目的节点的消息。
步骤S1中的网络模型，用于收集节点间的历史相遇持续时间，将相遇持续时间加入到效用值的计算中。
当携带消息m的节点vi与节点vj相遇时，首先交换彼此的ACK消息列表，并将自身ACK消息列表中没有的消息ID而相遇节点ACK消息列表中所持有的消息ID加入到自身的ACK消息列表中，然后分别删除自身缓存中已经被记录于ACK消息列表中的消息。
步骤S2中效用值的计算方法为：
节点vi的效用值Putility是指节点vi与节点vj的历史相遇持续时间与节点vj剩余缓存大小按权值分配后的和，其计算公式为：
Figure BDA0002652878350000051
其中，Te表示在一个时间间隔T内，两节点相遇持续时间总和，Mocc表示相遇节点已使用的缓存大小，Minit表示相遇节点初始缓存大小，α是调整参数，α越大表明相遇持续时间对效用值的影响越大，α越小表明相遇节点剩余缓存对效用值的影响越大，取值范围[0，1]。
消息投递概率的计算方法为：
P(a,b)＝P(a,b)old+(1-P(a,b)old)×Putility
其中，P(a,b)表示更新后的节点va到节点vb的传输概率，P(a,b)old表示更新前的节点va到节点vb的传输概率。Putility表示节点va的效用值。效用值Putility越大，节点va与节点vb相遇的概率越大，即节点相遇持续时间越长，vb剩余缓存越大，越有利于消息传递；
若节点va与节点vb没有接触的时间超过一定阈值，表示它们之间能够成功传输消息的机会降低，相遇概率相应的也会降低，衰退公式如下：
P(a,b)＝P(a,b)old×γK
其中，γ表示衰减参数，k表示从最后一次相遇到目前为止经历的时间块的个数；
若节点va遇到节点vb的频率超过一定阈值，并且节点vb遇到节点vc的频率超过一定阈值，表示节点vc能作为节点va的一个中继节点；传递公式为：
P(a,c)＝P(a,c)old+[1-P(a,c)old]×P(a,b)×P(b,c)×β
其中，P(a,c)表示更新后的节点va到节点vc的传输概率，P(b,c)表示节点vb到节点vc的传输概率，P(a,c)old表示更新前的节点va到节点vc的传递概率。β是一个度量参数，取值范围为[0，1]。
步骤S4中ACK确认机制算法删除消息的方法为：
每个节点维护一个确认消息的列表即ackedMessage表，用来存放已成功传输消息的ID；当两个节点相遇并且形成一个连通区域时，交换彼此的ACK消息列表，并将自身ACK消息列表中没有的消息ID而相遇节点ACK消息列表中所持有的消息ID加入到自身的ACK消息列表中，然后分别删除自身缓存中已经被记录于ACK消息列表中的消息。
综上，本发明公开了一种基于效用值的概率路由算法，通过对节点间的相遇历史信息以及相遇节点剩余缓存情况进行研究，构建效用值度量模型。在转发阶段，通过相遇节点转发概率，本节点转发概率以及阈值之间作比较，采用不同的转发策略。若相遇节点转发概率大于本节点并且大于阈值，节点在转发消息后删除此消息；若相遇节点转发概率大于本节点并且小于阈值，转发1/2的消息副本，通过增加消息副本的数量提高算法的整体性能。同时，基于效用值的概率路由算法采用了ACK消息删除机制算法以减少无用的冗余副本数量。与经典的Epidemic、Prophet和Binary Spray And Wait算法相比，该算法在投递成功率，网络开销和平均跳数上的总体性能最优。
在节点数为126，消息生存时间为300s，缓存大小分别设置为2M、5M、10M、15M、25M的场景下，本发明的方法与传统的Epidemic、Prophet和Binary Spray And Wait算法相比，在投递率方面比BSW算法平均提高了4.11％，比Prophet算法平均提高了28.82％，比Epidemic算法平均提高了25.31％。网络开销方面比Prophet算法平均降低了85.97％，比Epidemic算法平均降低了87.31％。平均延迟方面比Epidemic算法平均降低了21.12％。平均跳数方面比Prophet算法平均降低了21.88％，比Epidemic算法平均降低了33.22％。因此，本发明方法在投递率、平均时延、网络开销上的总体性能最优。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于效用值的概率路由方法，其特征在于，在机会网络中，通过基于效用值的概率路由方法控制节点间消息的分发，通过节点间连接信息以及相遇节点剩余缓存情况定义效用值，该方法包括以下步骤：
S1、网络预热，机会网络中的各个节点分别收集并记录与机会网络中其它节点的相遇信息，构建网络模型；
S2、定义节点的效用值，根据节点的相遇持续时间及相遇节点剩余缓存情况构建效用值度量模型，并根据效用值计算消息投递概率，作为下一个中继节点选择的依据；
步骤S2中效用值的计算方法为：
节点vi的效用值Putility是指节点vi与节点vj的历史相遇持续时间与节点vj剩余缓存大小按权值分配后的和，其计算公式为：
Figure FDA0003369435460000011
其中，Te表示在一个时间间隔T内，两节点相遇持续时间总和，Mocc表示相遇节点已使用的缓存大小，Minit表示相遇节点初始缓存大小，α是调整参数，α越大表明相遇持续时间对效用值的影响越大，α越小表明相遇节点剩余缓存对效用值的影响越大，取值范围[0，1]；
步骤S2中消息投递概率的计算方法为：
P(a,b)＝P(a,b)old+(1-P(a,b)old)×Putility
其中，P(a,b)表示更新后的节点va到节点vb的传输概率，P(a,b)old表示更新前的节点va到节点vb的传输概率；Putility表示节点va的效用值；效用值Putility越大，节点va与节点vb相遇的概率越大，即节点相遇持续时间越长，vb剩余缓存越大，越有利于消息传递；
若节点va与节点vb没有接触的时间超过一定阈值，表示它们之间能够成功传输消息的机会降低，相遇概率相应的也会降低，衰退公式如下：
P(a,b)＝P(a,b)old×γK
其中，γ表示衰减参数，k表示从最后一次相遇到目前为止经历的时间块的个数；
若节点va遇到节点vb的频率超过一定阈值，并且节点vb遇到节点vc的频率超过一定阈值，表示节点vc能作为节点va的一个中继节点；传递公式为：
P(a,c)＝P(a,c)old+[1-P(a,c)old]×P(a,b)×P(b,c)×β
其中，P(a,c)表示更新后的节点va到节点vc的传输概率，P(b,c)表示节点vb到节点vc的传输概率，P(a,c)old表示更新前的节点va到节点vc的传递概率；β是一个度量参数，取值范围为[0，1]；
S3、消息转发阶段，根据消息投递概率采用不同的消息转发策略：判断相遇节点到达目的节点的消息投递概率是否大于本节点到达目的节点的消息投递概率，若否，则不转发；若是，则继续判断相遇节点到达目的节点的消息投递概率是否大于设定的阈值；若是，则本节点将消息全部转发给相遇节点并在本节点上删除此消息；若否，则将部分消息副本转发给相遇节点；
S4、当机会网络中的某个消息被成功投递到目的节点后，利用ACK确认机制算法，通知机会网络中的节点删除已经被成功投递到目的节点的消息。
2.根据权利要求1所述的基于效用值的概率路由方法，其特征在于，步骤S1中的网络模型，用于收集节点间的历史相遇持续时间，将相遇持续时间加入到效用值的计算中。
3.根据权利要求1所述的基于效用值的概率路由方法，其特征在于，步骤S3中消息投递概率的阈值用于控制消息数量，若阈值<0.9，转发消息时会浪费网络资源，降低投递成功率；若阈值取值>0.9，导致节点转发的消息副本过多。
4.根据权利要求1所述的基于效用值的概率路由方法，其特征在于，步骤S3中消息转发时，若相遇节点到达目的节点的消息投递概率不大于设定的阈值，则将1/2的消息副本转发给相遇节点。
5.根据权利要求1所述的基于效用值的概率路由方法，其特征在于，步骤S4中ACK确认机制算法删除消息的方法为：
每个节点维护一个确认消息的列表即ackedMessage表，用来存放已成功传输消息的ID；当两个节点相遇并且形成一个连通区域时，交换彼此的ACK消息列表，并将自身ACK消息列表中没有的消息ID而相遇节点ACK消息列表中所持有的消息ID加入到自身的ACK消息列表中，然后分别删除自身缓存中已经被记录于ACK消息列表中的消息。
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Legal Events

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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20201120

Assignee: Hubei Yanchu Heyi Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: CENTRAL CHINA NORMAL University

Contract record no.: X2023980042875

Denomination of invention: A Probability Routing Method Based on Utility Value

Granted publication date: 20220201

License type: Common License

Record date: 20231007

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