CN114286382A - 基于先验知识库的容断可重构路由策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自组网路由技术领域，提供基于先验知识库的容断可重构路由策略，其包括对网络中每个节点周期维护位置信息库，并利用位置信息库构建先验知识库，利用先验知识库做出对下一条传输链路选择的最优决策的过程；还包括容断策略的执行过程、可重构策略的执行过程。本发明基于先验知识库的容断可重构路由策略，以任务为导向，基于节点信息知识库，动态调度相关节点进行网络资源测量和分析，实现按需链路重构和路由选择；在路由选择时有效避开拥塞节点或区域，使网络负载更均衡地分布到合适的周边节点，实现消息交付率及传输延迟的优化，做到实时选择最佳传输路径，保证路由的快速切换和自愈能力。

Description

基于先验知识库的容断可重构路由策略

技术领域

本发明涉及自组网路由技术领域，具体为基于先验知识库的容断可重构路由策略。

背景技术

无基础设施的网络结构通常称为自组织网络(Ad hocNetwork)，多个移动节点组成多跳无线网络，每个节点都具备路由器的功能，网络的组织是临时的、按需的、自动的。无线移动自组织网络具有多跳网、网络拓扑动态变化、分布式控制、对等性、临时性、自组织性、链路带宽受限、信道单向性、能量受限、安全性受限等特点。

基于该网络特点，自组网路由技术，不仅仅需要考虑路由的跳数，还需要综合考虑信道的信噪比、时延、丢包率、设备负载和电量等技术指标。

目前对自组网路由技术的研究主要包括以下几种：

1)流行性路由协议

用于时断时续网络的路由协议，称为流行性路由。这种协议依赖于流行性算法理论，当两个节点相遇时，它们交换各自的报文列表。交换之后，每个节点就知道另外一个节点是否拥有它没有的消息。如果没有，该节点就向那个节点请求消息。这就意味着，只要缓冲区有空间，消息就会在节点相遇时，在网络彼此交换信息。

2)基于历史消息的路由

这种方法是一种坡度路由的方法，等级越高的节点在基站附件活动越频繁，同时和基站的通信的机会越多，但其中存在“慢启动”问题。特别是在大规模网络环境中，与源节点有通信机会的中继可能都离目标节点比较远，很可能没有和目标节点通信的机会，因此不可能有很高的成功率使其被选为中继。这样，源节点或其他中继在转发给下一跳时很难做出正确的判断，需要根据消息转发历史记录来做出智能的决策。

3)可控移动路由

采用了一系列称为信息渡轮(或短期渡轮)的特殊移动节点，在节点调度区提供通信服务。通过引入节点移动的非随机性概念，并利用这种非随机性以协助转发数据。研究取决于渡轮和节点初始前向运动的两种MF变化。该设计利用移动性提高了数据的传输性能、降低了节点的能量消耗，并在多种不同的网络环境下验证了其性能优越性。

4)基于编码的路由

基本思想是对转发的数据包应用网络编码进行编码产生新的数据包和相应的编码向量，编码向量与数据包一起传输，当收到足够数量的数据包以后，目的节点就能解码，恢复出原数据包。基于网络编码的路由能以很小的开销向网络中的节点以较高的概率发送消息，特别适用于受限网络环境。

虽然国内外针对相关应用场景和关键技术展开了大量的研究、仿真和分析，取得了一定软件算法的积累，但仍存在不少问题。主要体现在：

首先，相关研究基本停留于理论分析阶段，未考虑实际的工程应用约束，在实际组网中难以进行工程化实现；

其次，自组网通信环境相对恶劣，链路通断及恢复具有突发性和随机性，使用远程通信或者已知的节点移动性，会导致节点有限电池的迅速消耗和较低的数据传输率以及较大的延迟。

发明内容

本发明的目的在于提供基于先验知识库的容断可重构路由策略，以解决上述背景技术中提出的问题。

基于先验知识库的容断可重构路由策略，其包括：

步骤一、所述步骤一包括对网络中每个节点周期维护位置信息库，并利用位置信息库构建先验知识库，利用先验知识库做出对下一条传输链路选择的最优决策的过程；

步骤二、所述步骤二包括容断策略的执行过程；所述容断策略包括统计指定时间段内各个节点的消息发送情况，获取网络负载的分布状况，并根据网络负载的分布状况选择出口消息队列空闲比大的节点作为路由下一跳节点；

步骤三、所述步骤三包括可重构策略的执行过程；所述可重构策略包括根据服务质量(QoS)进行路由可重构，每个节点实时根据服务质量(QoS)数据传输的需求，为数据报文的下一跳计算最优路径。

进一步，所述步骤一中，先验知识库的构建过程包括：网络中设置主节点和从节点，位置信息库记录网络中任一节点的地理位置信息、运行速度、节点的运行轨迹；所述从节点周期性上报自身的地理位置信息，主节点除周期性向所有从节点下发自身的位置信息外，还将它搜集的其他从节点信息共享到网络内的所有从节点。

进一步，所述步骤一的具体过程包括：

对位置信息库各个参数进行定义：

定义节点O_i→O_j间的链路传输时延为Dt_i→j，节点O_i→O_j间的多跳路径为R_i→j，由此可计算节点O_i→O_j间链路传输的总时延为

式中Q_i、P_i分别为数据包在节点O_i上转发的排队时延和数据处理时延；

针对某选定的节点O_i，将Q_i、P_i视为定值C_i，故可将上式进一步简化为

定义节点O_i→O_j间的链路连接时间为：

式中，a＝v_i cosθ_i-v_j cosθ_j；b＝x_i-x_j；

c＝v_i sinθ_i-v_j sinθ_j；d＝y_i-y_j；v_i和v_j分别为节点O_i和O_j的平均速度；θ_i和θ_j则为移动方向；(x_i，y_i)、(x_j，y_j)分别为节点O_i和O_j对应的位置坐标；

定义节点O_i→O_j间的路径耗费参数为

其中ζ,ε为调节系数，用于调节两时间参数在链路中的相对重要程度；在下一条传输链路的选择上，利用先验知识库的信息，选择路径耗费较小的路径进行优化路由选择。

进一步，所述步骤二的具体过程包括：

S1：针对网络中各个节点设置出口消息队列，各个节点的所有消息均通过该消息队列进行处理和发送；

S2：初始化相同的出口消息队列长度，并使用全局变量计数器统计当前队列被占用的长度；

S2：每当有消息加入队列中则计数器加一，反之有消息出队列被处理则计数器减一；

S3：定义节点的出口消息队列空闲比R：

式中：U表示队列的占用长度；L为队列的总长度；

设定拥塞门限为t，以规定的空闲队列的最小长度，其值根据网络承载流量进行配置；如果R<t，意味着该链路存在数据积压，此时转入S4；

S4：选择情况A、情况B、情况C中的一种执行；

情况A：如果链路无中断，应则按照以下步骤处理：节点将待发送数据放入临时存储器中，当临时存储数据量达到一定阈值时，节点收发优先级获得提升，开启地理位置上报流程，更新相控阵天线波束指向，从而使得数据可以继续发送；此种情况不需要重新寻找新路由路径；

情况B：如果最优路径链路中断，该情况属于链路故障，则节点删除已有的最优路由路径，按照路由表次优路径进行发送数据，同时发起路由恢复过程，寻找新的最优路径；

情况C：如果最优路径和次优路径均链路中断，该情况属于链路故障，此时需要动态选择一跳出口队列空闲比最大的链路进行转发。

进一步，所述S4中，具体选择过程如下：

S41：查看当前节点与所有邻接节点的拓扑状态；

S42：计算当前节点到所有邻接节点的出口队列空闲比R_i，确定其中最大者R_next＝max{R_i}；

S43：如果该链路无中断，则参照情况A进行处理，否则继续寻找；

S44：如果所有的链路均链路中断，则节点将数据存储在永久存储器中，等待建立新的链路后再次发送。

进一步，所述步骤三的具体过程包括：

P1：构建网络QoS路由模型：给定网络G＝<V、E、P>,V是节点集，E是边(节点之间链路)集，P是路径集；选择最优路径的依据是，对源节点s∈V及目的节点t∈V,选择一条从s到t的路径p∈P,使得满足最优QoS指标；

P2：QoS因子选择：选择信道质量参数cqi、跳数参数hop、辅助，其中，

P21：信号质量参数cqi处理流程如下：

如果cqi＜CQI_MIN，则θ_cqi＝0；

如果CQI_MIN≤cqi＜CQI_MAX，则

如果cqi≥CQI_MAX，则θ_cqi＝1；

P22：跳数参数hop处理流程如下：

如果hop＜Hop_Threshold，则

其中Hop_Threshold＞1；

如果hop≥Hop_Threshold，则θ_hop＝0；

P23：辅助QoS因子的选择流程如下：

P231：根据节点负载、链路容量、时延制定辅助参数，并根据不同参数的重要性确定参数因子的所占比例；

P232：基于线性归一的思想，通过对不同辅助QoS因子赋值不同权值，利用归一转化函数将多种辅助QoS因子归结为计算路由的路径权值；转化函数如下：

其中，

为预先设置辅助QoS度量因子的比例权值，QoS_i为各个辅助QoS因子值，上式满足：

P24：根据QoS度量指标，进行路径选择决策；具体为：QoS值越大，则对应路径越优，对应路径选择的优先级越高；

QoS度量指标的计算公式如下：

QoS＝α×θ_cqi+β×θ_hop+δ×θ_other。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一、本发明提供了在自组网环境中的可靠路由选择和快速动态切换方法，该方法基于先验知识库的容断可重构路由策略，以任务为导向，基于节点信息知识库，动态调度相关节点进行网络资源测量和分析，实现按需链路重构和路由选择。

第二、先验知识库策略针对自组网网络中节点的运动轨迹和拓扑连接变化的可预知性，可利用网络部分的先验知识来选择消息的转发路径，提高路由协议的性能，从而对网络状态变化提升自适应能力。

第三、通过基于节点出口消息队列空闲比的容断策略，可以有效估计网络中各个节点的拥塞状态，从而在路由选择时有效避开拥塞节点或区域，使网络负载更均衡地分布到合适的周边节点，实现消息交付率及传输延迟的优化。

第四、提供基于QoS的可重构路由策略，根据网络可用资源进行路由动态调整，服务质量(QoS)是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、时延、时延抖动、丢失率、吞吐量、耗费等性能指标，从而做到实时选择最佳传输路径，保证路由的快速切换和自愈能力。

附图说明

图1为本发明的基于先验知识库的容断可重构路由策略的流程图。

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。

请参阅图1，基于先验知识库的容断可重构路由策略，其包括：步骤一、所述步骤一包括对网络中每个节点周期维护位置信息库，并利用位置信息库构建先验知识库，利用先验知识库做出对下一条传输链路选择的最优决策的过程；步骤二、所述步骤二包括容断策略的执行过程；所述容断策略包括统计指定时间段内各个节点的消息发送情况，获取网络负载的分布状况，并根据网络负载的分布状况选择出口消息队列空闲比大的节点作为路由下一跳节点；步骤三、所述步骤三包括可重构策略的执行过程；所述可重构策略包括根据服务质量(QoS)进行路由可重构，每个节点实时根据服务质量(QoS)数据传输的需求，为数据报文的下一跳计算最优路径。

步骤一中，采用先验知识库策略。

在运行过程中，网络中每个节点周期维护位置信息库，该库主要记录了网络中任一节点的地理位置信息、运行速度等，计算节点的运行轨迹。所有从节点周期上报自身的地理位置信息，主节点除周期的向所有从节点下发自身的位置信息外，还将它搜集的其他从节点信息通知到网络内的所有从节点。

利用位置信息库，对位置信息各个参数进行定义。定义节点O_i→O_j间的链路传输时延为Dt_i→j，节点O_i→O_j间的多跳路径为R_i→j，由此可计算节点O_i→O_j间链路传输的总时延为

式中Q_i、P_i分别为数据包在节点O_i上转发的排队时延和数据处理时延。

针对某选定的节点O_i，可将Q_i、P_i视为定值C_i，故可将上式进一步简化为

定义节点O_i→O_j间的链路连接时间为：

式中，a＝v_i cosθ_i-v_j cosθ_j；b＝x_i-x_j；

c＝v_i sinθ_i-v_j sinθ_j；d＝y_i-y_j；v_i和v_j分别为节点O_i和O_j的平均速度；θ_i和θ_j则为移动方向；(x_i，y_i)、(x_j，y_j)分别为节点O_i和O_j对应的位置坐标。

定义节点O_i→O_j间的路径耗费参数为

其中ζ,ε为调节系数，可根据情况调节两时间参数在链路中的相对重要程度。

在下一条传输链路的选择上，利用位置信息库的先验知识，选择路径耗费较小的路径进行优化路由选择，可以有效地降低数据转发的排队时延和数据处理时延，同时保证节点之间连接的高效性。

步骤二中，采用容断策略。

容断策略，通过统计一段时间内各个节点的消息发送情况，获取网络负载的分布状况，选择出口消息队列空闲比大的节点作为路由下一跳节点，因为空闲比越大的节点资源消耗的可能性越小，发送拥塞或者中断的可能性越低。

网络中各个节点维持一个出口消息队列，所有消息均通过该消息队列进行处理和发送。初始化相同的出口消息队列长度，并使用全局变量计数器统计当前队列被占用的长度。每当有消息放入队列中则计数器加一，反之有消息出队列被处理则计数器减一。对于一条正常收发消息的链路，队列长度会不断回归为0；当有链路拥塞或者链路中断时，队列长度会不断累加，直至超过一定阈值。

定义节点的出口消息队列空闲比R：

式中：U表示队列的占用长度；L为队列的总长度。

定义拥塞门限为t，以规定的空闲队列的最小长度，其值根据网络承载流量进行配置。如果R<t，意味着该链路存在数据积压。此时需要分以下三种情况处理。

情况A：链路无中断；

该情况符合容断链路特性，应则按照以下步骤处理：节点将待发送数据放入临时存储器中，当临时存储数据量达到一定阈值时，节点收发优先级获得提升，开启地理位置上报流程，更新相控阵天线波束指向，从而使得数据可以继续发送。此种情况不需要重新寻找新路由路径。

情况B：最优路径链路中断；

该情况属于链路故障，则节点删除已有的最优路由路径，按照路由表次优路径进行发送数据，同时发起路由恢复过程，寻找新的最优路径。

情况C：最优路径和次优路径均链路中断；

该情况属于链路故障，此时需要动态选择一跳出口队列空闲比最大的链路进行转发。

具体选择过程如下：

查看当前节点与所有邻接节点的拓扑状态；

计算当前节点到所有邻接节点的出口队列空闲比R_i，确定其中最大者R_next＝max{R_i}；

如果该链路无中断，则参照情况A进行处理，否则继续寻找。

如果所有的链路均链路中断，则节点将数据存储在永久存储器中，等待建立新的链路后再次发送。

步骤三，采用可重构策略；

本发明根据服务质量(QoS)进行路由可重构，每个节点都实时根据QoS数据传输的需求，为数据报文的下一跳计算最优路径。

构建网络QoS路由模型表示为：给定网络G＝<V、E、P>,V是节点集，E是边(节点之间链路)集，P是路径集。选择最优路径的依据是，对源节点s∈V及目的节点t∈V,选择一条从s到t的路径p∈P,使得满足最优QoS指标。

本发明进行QoS因子选择时，采用选择重要QoS因子和辅助QoS因子相结合的方式。

针对重要QoS因子的选择，综合考虑路径的信道信号质量和路径跳数两个因子为重要QoS因子。对于通信链路，信道信号质量越低，业务传送率越低；跳数越多，时延越长，通信无法正常进行。因此在满足业务需求时，保证信道质量同时缩短路径跳数可以扩大网络的吞吐量，提高网络性能和整体效率。因此，进行QoS参数选择时，重点选择信道质量参数cqi和跳数参数hop。

信号质量参数cqi处理流程如下：

如果cqi＜CQI_MIN，则θ_cqi＝0；

如果CQI_MIN≤cqi＜CQI_MAX，则

如果cqi≥CQI_MAX，则θ_cqi＝1。

跳数参数hop处理流程如下：

如果hop＜Hop_Threshold，则

其中Hop_Threshold＞1；

如果hop≥Hop_Threshold，则θ_hop＝0。

针对辅助QoS因子的选择，可根据实际应用制定辅助参数，如节点负载、链路容量、时延等，并根据不同参数的重要性调整参数因子的所占比例。基于线性归一的思想，通过对不同辅助QoS因子赋值不同权值，利用归一转化函数将多种辅助QoS因子归结为计算路由的路径权值。转化函数如下：

其中，

为预先设置辅助QoS度量因子的比例权值，QoS_i为各个辅助QoS因子值，上式满足：

QoS值越大，则对应路径越优；

本发明QoS度量指标如下：

qos＝α×θ_cqi+β×θ_hop+δ×θ_other。

此外，路由更新的频率和消息的大小能适应地调整，以在路由开销和准确性上作出合理折中。通过判定状态信息值的改变是否超过预定门限值，只有超过时间才进行路由更新，尽量维持现存路由，从而减少计算开销和性能抖动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.基于先验知识库的容断可重构路由策略，其特征在于，其包括：

步骤一、所述步骤一包括对网络中每个节点周期维护位置信息库，并利用位置信息库构建先验知识库，利用先验知识库做出对下一条传输链路选择的最优决策的过程；

步骤二、所述步骤二包括容断策略的执行过程；所述容断策略包括统计指定时间段内各个节点的消息发送情况，获取网络负载的分布状况，并根据网络负载的分布状况选择出口消息队列空闲比大的节点作为路由下一跳节点；

步骤三、所述步骤三包括可重构策略的执行过程；所述可重构策略包括根据服务质量(QoS)进行路由可重构，每个节点实时根据服务质量(QoS)数据传输的需求，为数据报文的下一跳计算最优路径。

2.根据权利要求1所述的基于先验知识库的容断可重构路由策略，其特征在于：所述步骤一中，先验知识库的构建过程包括：网络中设置主节点和从节点，位置信息库记录网络中任一节点的地理位置信息、运行速度、节点的运行轨迹；所述从节点周期性上报自身的地理位置信息，主节点除周期性向所有从节点下发自身的位置信息外，还将它搜集的其他从节点信息共享到网络内的所有从节点。

3.根据权利要求2所述的基于先验知识库的容断可重构路由策略，其特征在于：所述步骤一的具体过程包括：

对位置信息库各个参数进行定义：

定义节点O_i→O_j间的链路传输时延为Dt_i→j，节点O_i→O_j间的多跳路径为R_i→j，由此可计算节点O_i→O_j间链路传输的总时延为

式中Q_i、P_i分别为数据包在节点O_i上转发的排队时延和数据处理时延；

针对某选定的节点O_i，将Q_i、P_i视为定值C_i，故可将上式进一步简化为

定义节点O_i→O_j间的链路连接时间为：

式中，a＝v_icosθ_i-v_jcosθ_j；b＝x_i-x_j；

c＝v_isinθ_i-v_jsinθ_j；d＝y_i-y_j；v_i和v_j分别为节点O_i和O_j的平均速度；θ_i和θ_j则为移动方向；(x_i，y_i)、(x_j，y_j)分别为节点O_i和O_j对应的位置坐标；

定义节点O_i→O_j间的路径耗费参数为

其中ζ,ε为调节系数，用于调节两时间参数在链路中的相对重要程度；在下一条传输链路的选择上，利用先验知识库的信息，选择路径耗费较小的路径进行优化路由选择。

4.根据权利要求1所述的基于先验知识库的容断可重构路由策略，其特征在于：所述步骤二的具体过程包括：

S1：针对网络中各个节点设置出口消息队列，各个节点的所有消息均通过该消息队列进行处理和发送；

S2：初始化相同的出口消息队列长度，并使用全局变量计数器统计当前队列被占用的长度；

S2：每当有消息加入队列中则计数器加一，反之有消息出队列被处理则计数器减一；

S3：定义节点的出口消息队列空闲比R：

式中：U表示队列的占用长度；L为队列的总长度；

设定拥塞门限为t，以规定的空闲队列的最小长度，其值根据网络承载流量进行配置；如果R<t，意味着该链路存在数据积压，此时转入S4；

S4：选择情况A、情况B、情况C中的一种执行；

情况A：如果链路无中断，应则按照以下步骤处理：节点将待发送数据放入临时存储器中，当临时存储数据量达到一定阈值时，节点收发优先级获得提升，开启地理位置上报流程，更新相控阵天线波束指向，从而使得数据可以继续发送；此种情况不需要重新寻找新路由路径；

情况B：如果最优路径链路中断，该情况属于链路故障，则节点删除已有的最优路由路径，按照路由表次优路径进行发送数据，同时发起路由恢复过程，寻找新的最优路径；

情况C：如果最优路径和次优路径均链路中断，该情况属于链路故障，此时需要动态选择一跳出口队列空闲比最大的链路进行转发。

5.根据权利要求4所述的基于先验知识库的容断可重构路由策略，其特征在于：所述S4中，具体选择过程如下：

S41：查看当前节点与所有邻接节点的拓扑状态；

S42：计算当前节点到所有邻接节点的出口队列空闲比R_i，确定其中最大者R_next＝max{R_i}；

S43：如果该链路无中断，则参照情况A进行处理，否则继续寻找；

S44：如果所有的链路均链路中断，则节点将数据存储在永久存储器中，等待建立新的链路后再次发送。

6.根据权利要求1所述的基于先验知识库的容断可重构路由策略，其特征在于：所述步骤三的具体过程包括：

P1：构建网络QoS路由模型：给定网络G＝<V、E、P>,V是节点集，E是边(节点之间链路)集，P是路径集；选择最优路径的依据是，对源节点s∈V及目的节点t∈V,选择一条从s到t的路径p∈P,使得满足最优QoS指标；

P2：QoS因子选择：选择信道质量参数cqi、跳数参数hop、辅助，其中，

P21：信号质量参数cqi处理流程如下：

如果cqi＜CQI_MIN，则θ_cqi＝0；

如果CQI_MIN≤cqi＜CQI_MAX，则

如果cqi≥CQI_MAX，则θ_cqi＝1；

P22：跳数参数hop处理流程如下：

如果hop＜Hop_Threshold，则

其中Hop_Threshold＞1；

如果hop≥Hop_Threshold，则θ_hop＝0；

P23：辅助QoS因子的选择流程如下：

P231：根据节点负载、链路容量、时延制定辅助参数，并根据不同参数的重要性确定参数因子的所占比例；

P232：基于线性归一的思想，通过对不同辅助QoS因子赋值不同权值，利用归一转化函数将多种辅助QoS因子归结为计算路由的路径权值；转化函数如下：

其中，

为预先设置辅助QoS度量因子的比例权值，QoS_i为各个辅助QoS因子值，上式满足：

P24：根据QoS度量指标，进行路径选择决策；具体为：QoS值越大，则对应路径越优，对应路径选择的优先级越高；

QoS度量指标的计算公式如下：

QoS＝α×θ_cqi+β×θ_hop+δ×θ_other。

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