CN114827000B - 基于链路生存时间位置预测的gpsr路由协议转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法。标准的GPSR协议中节点无需维护路由表，仅需知道自身一跳邻居节点的位置信息，便可找出下一跳转发节点。但在节点高速移动的使用场景中，节点的位置信息不精确，增大了节点间通信时延，同时网络拓扑变化明显，容易出现路由空洞现象，导致路由开销增大。基于上述缺陷，本发明通过链路生存时间筛选、剔除失效节点，更新节点位置信息，达到提高节点位置精确度的目的，通过在邻居列表中加入空洞规避名单，考虑节点与目的节点间的距离和链路生存时间两个因素，降低路由空洞现象的发生概率。通过上述方法，大幅度降低了GPSR协议的传输时延和路由开销。

Description

基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法

技术领域

本发明涉及移动自组网技术领域，具体涉及一种基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法。

背景技术

移动自组网(MANET)不仅具有网络自组织、无中心、多跳中继、分布式等特点，而且具有易部署、可自我修复、活动范围广、可扩展性强等特点。它将一些移动设备作为网络节点，采用无线通信的方式，自组织形成一种无中心、多跳通信的网络系统。在该网络中，所有节点具备相同的功能，既可以作为主机执行各种应用程序，又可以充当路由器对分组进行转发，同时网络中的通信不依赖任何基础通信设施，且节点可以随时加入或者移出网络。GPSR协议中，节点无需维护路由表，仅需知道自身一跳邻居节点的位置信息，便可找出下一跳转发节点，是一种无状态的路由协议。GPSR协议通过周期性的Hello机制使每个节点都维护一个邻居列表，当节点要发送或转发数据分组时，根据其邻居列表选择下一跳节点。GPSR协议将贪婪转发和周边转发相结合。

在通常情况下，GPSR协议采用贪婪转发模式即选择当前节点的所有邻居节点中与目的节点距离最近的邻居节点作为下一跳节点进行数据转发。如果贪婪转发失败，即出现路由空洞现象，则切换到周边转发模式。但是在节点高速率运动的使用场景中，网络拓扑结构变化十分剧烈，所建链路也很不稳定，严重影响了网络的性能，节点在这种高动态环境下维护的邻居节点信息必定不够精确，使下一跳节点的选择不是最优，甚至导致路由选择错误。在周边转发模式中，频繁出现路由空洞现象，导致路由跳数增加，使所选路由非最优，降低了路由的转发效率，路由开销增大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法。在标准的GPSR协议基础之上采用链路生存时间筛选邻居节点和添加空洞规避名单信息的邻居列表来改进网络的路由性能，使得节点在拓扑变化较快速的情况下提高节点位置精确性和有效性，降低路由空洞现象发生的概率。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，所述GPSR路由协议转发方法包括以下步骤：

S1、在移动自组网中，对当前节点进行邻居节点信息维护，周期性地获取自身位置与运动信息；当前节点的自身位置与运动信息按下式表示：

其中，ID表示节点的编号，x表示节点的横坐标，y表示节点的纵坐标，v表示节点的速度，θ表示节点运动方向；

S2、移动自组网中所有节点周期性地广播Hello消息，当前节点接收邻居节点Hello消息，记录Hello消息接收时间戳；所述Hello消息包括Hello包标识、节点位置与运动消息；

S3、移动自组网中当前节点更新邻居列表信息并清空邻居列表中的空洞规避名单；所述邻居列表信息包括节点位置与运动信息、Hello消息接收时间戳T和该邻居节点的空洞规避名单S；所述空洞规避名单S为目的节点ID信息，若邻居列表信息中存在空洞规避名单，则代表当前节点拒绝转发目的节点在空洞规避名单中的数据包到该邻居节点；

S4、当前节点根据与邻居节点链路生存时间(Link Life Time，LLT)的变化情况，预测邻居节点位置；

S5、判断当前节点是否发生路由空洞现象，比较当前节点的所有邻居节点与目的节点间的距离是否均大于当前节点与目的节点间距离，若否，则执行步骤S6；若是，则执行改进周边转发模式，处理路由空洞现象，过程如下：

S501、计算当前节点的所有邻居节点与目的节点间距离和当前节点与邻居节点间的LLT权重和；

S502、选择权重和最大的邻居节点作为下一跳转发节点，转发数据包；

S503、当前节点将目的节点ID信息添加至邻居列表的空洞规避名单中；

S6、若当前节点没有发生路由空洞现象，则执行改进贪婪转发模式，选取距离目的节点最近的邻居节点转发数据的模式，过程如下：

S601、判断目的节点ID信息是否出现在当前节点邻居列表的空洞规避名单中，若是，则剔除相应的邻居节点条目信息；

S602、选择当前节点的所有邻居节点中与目的节点距离最近的邻居节点，作为下一跳转发节点，转发数据包。

上述步骤S5中需要当前节点将目的节点ID信息添加至邻居列表的空洞规避名单中，是因为当前节点收到发生路由空洞现象的邻居节点发来的数据包后，在该邻居节点的空洞规避名单中记录目的节点ID信息以避免下次传输数据发送给该邻居节点，从而降低路由空洞现象发生概率。

上述步骤S6中判断目的节点ID信息是否出现在当前节点邻居列表的空洞规避名单中，是因为空洞规避名单中含有目的节点ID信息表示此邻居节点已经发生路由空洞现象，为了避免这种情况再次发生，不建议选取当前节点的此类邻居节点。

进一步地，所述步骤S4过程如下：

S401、判断当前节点是否需要发送数据包，若需要发送数据包，则计算当前节点与邻居节点的LLT和收到邻居节点的Hello消息的时刻距当前时刻的时间间隔T_Δ，若不需要发送数据包，则跳至步骤S1；

S402、判断当前节点与邻居节点的LLT是否小于时间间隔T_Δ，若小于，则判定该邻居节点为失效邻居节点，删除该邻居节点在当前节点邻居列表中的信息条目；

S403、计算并更新现存邻居节点的预测位置信息。

上述步骤S4过程是针对高动态的移动自组网中节点位置信息准确性差的问题所提出的，通过比较节点间链路生存时间，筛选并剔除失效节点；根据节点运动特性，推测出节点当前时刻地理位置信息，从而提高移动自组网中节点的位置精确性。

进一步地，在步骤S401中，当前节点j与邻居节点i的链路生存时间LLT_ij是节点在双方通信覆盖范围内移动所持续的时间，按下式计算：

其中，R表示当前节点j与该邻居节点i最大通信距离，当通信距离超过R，两节点间通信链路会发生断裂；a＝v_j cosθ_j-v_i cosθ_i，b＝v_j sinθ_j-v_i sinθ_i，a和b分别表示两节点在X轴方向和Y轴方向的速度差；v_j与v_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的速度,θ_j和θ_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的运动方向；c＝x_j-x_i，d＝y_j-y_i，c和d分别表示两节点在X轴方向和Y轴方向的位移差，x_j和x_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的横坐标,y_j和y_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的纵坐标。

计算当前节点与邻居节点的链路生存时间，是因为链路生存时间反映了节点间链路的稳定性，根据链路生存时间的大小，能够推测出邻居节点是否在当前节点的通信范围内，从而及时剔除失效节点。

进一步地，所述收到邻居节点的Hello消息时刻与当前时刻的时间间隔T_Δ表述式如下：T_Δ＝T₀-T_i

其中，T_i表示当前节点收到邻居节点i发送的Hello消息的时刻，T₀表示当前时刻。

计算当前节点与邻居节点的LLT和收到邻居节点的Hello消息的时刻距当前时刻的时间间隔，是因为当前节点与邻居节点的LLT大小表示两个节点链路稳定性强弱，当时间间隔小于LLT时，代表该邻居节点仍在当前节点的通信范围内，且链路是建立的，是一个有效的邻居节点，达到筛选失效邻居节点、预测节点位置的目的。

进一步地，在步骤S403中，所述现存邻居节点的预测位置信息表达式如下：

x′_i＝x_i+v_i(T₀-T_i)cosθ_i

y′_i＝y_i+v_i(T₀-T_i)sinθ_i

其中，T_i表示当前节点收到邻居节点i发送的Hello消息时刻，T₀表示当前时刻；x′_i和y′_i分别表示邻居节点i在T₀时刻的横坐标和纵坐标；x_i和y_i分别表示邻居节点i在T_i时刻的横坐标和纵坐标；v_i表示邻居节点i在T_i时刻的速度；θ_i表示邻居节点i在T_i时刻运动方向。

计算并更新现存邻居节点的预测位置信息，是因为在时间间隔内节点位置出现变化，更新节点位置信息有利于下一跳最佳节点的选择。

进一步地，在步骤S501中，所述邻居节点i与目的节点D间的距离d_iD按下式计算：

其中，x′_i和y′_i分别表示该邻居节点i在T₀时刻的横坐标和纵坐标，x_D和y_D分别表示目的节点D的横坐标和纵坐标。

计算邻居节点与目的节点间的距离，是因为GPSR协议的贪婪转发过程需要寻找距离目的节点最远的邻居节点来转发数据包，从而使网络中总跳数最少。

进一步地，在步骤S501中，所述权重和W_i计算公式按如下表示：

其中，i表示第i个邻居节点；n表示当前节点的一跳邻居节点数；p、1-p分别表示该邻居节点i与目的节点间的距离和邻居节点i与当前节点的LLT在总权重和中的占比；R表示节点的通信范围；d表示当前节点与目的节点间的距离；d_i表示第i个邻居节点与目的节点间的距离；LLT_i表示第i个邻居节点与当前节点的LLT。

上述的权重和计算公式是针对GPSR协议路由判据单一的问题，提出的一种基于距离和链路生存时间的路由判据方法，使处于周边转发模式的节点尽快脱离路由空洞。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)针对节点高速移动的使用场景中，节点的位置信息不准确和易出现路由空洞现象带来诸多问题，本发明在标准GPSR协议基础之上作出相应的改进，在路由转发中综合考虑节点位置预测、周边转发模式改进和路由空洞现象预警三方面内容，计算当前节点与邻居节点间的链路生存时间，利用收到邻居节点的Hello消息的时刻距当前时刻的时间间隔大小筛选并剔除邻居节点中的失效节点，根据节点运动特性更新节点位置信息，达到提高节点位置精确度的目的。

(2)同时，本发明在邻居列表中添加空洞规避名单，记录目的节点信息，避免后续数据分组再次遇到相同的路由空洞；选择距离和LLT权重和最大的邻居节点进行周边转发，减少了路由空洞现象的发生，在不降低网络性能的前提下，可大幅度降低了GPSR协议的路由开销。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明公开的一种基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法的流程图；

图2是本发明的路由协议和GPSR路由协议的端到端时延对比图；

图3是本发明的路由协议和GPSR路由协议的路由开销对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例1

如图1所示，当源节点想要和目的节点通信时，源节点向目的节点发送数据包，利用本发明公开的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其转发方法包括以下步骤：

S1、在移动自组网中，对当前节点进行邻居节点信息维护，周期性地获取自身位置与运动信息；当前节点的自身位置与运动信息按下式表示：

其中，ID表示节点的编号，x表示节点的横坐标，y表示节点的纵坐标，v表示节点的速度，θ表示节点运动方向；

S2、移动自组网中所有节点周期性地广播Hello消息，当前节点接收邻居节点Hello消息，记录Hello消息接收时间戳；所述Hello消息包括Hello包标识、节点位置与运动消息；

S3、移动自组网中当前节点更新邻居列表信息并清空邻居列表中的空洞规避名单；所述邻居列表信息包括节点位置与运动信息、Hello消息接收时间戳T和该邻居节点的空洞规避名单S；所述空洞规避名单S为目的节点ID信息，若邻居列表信息中存在空洞规避名单，则代表当前节点拒绝转发目的节点在空洞规避名单中的数据包到该邻居节点；

S4、当前节点根据与邻居节点链路生存时间(Link Life Time，LLT)的变化情况，预测邻居节点位置；具体过程如下：

S401、判断当前节点是否需要发送数据包，若需要发送数据包，则计算当前节点与邻居节点的LLT和收到邻居节点的Hello消息的时刻距当前时刻的时间间隔T_Δ，若不需要发送数据包，则跳至步骤S1；

在步骤S401中，当前节点j与邻居节点i的链路生存时间LLT_ij是节点在双方通信覆盖范围内移动所持续的时间，按下式计算：

其中，R表示当前节点j与该邻居节点i最大通信距离，当通信距离超过R，两节点间通信链路会发生断裂；a＝v_j cosθ_j-v_i cosθ_i，b＝v_j sinθ_j-v_i sinθ_i，a和b分别表示两节点在X轴方向和Y轴方向的速度差；v_j与v_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的速度,θ_j和θ_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的运动方向；c＝x_j-x_i，d＝y_j-y_i，c和d分别表示两节点在X轴方向和Y轴方向的位移差，x_j和x_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的横坐标,y_j和y_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的纵坐标。

其中，收到邻居节点的Hello消息时刻与当前时刻的时间间隔T_Δ表述式如下：T_Δ＝T₀-T_i，式中，T_i表示当前节点收到邻居节点i发送的Hello消息的时刻，T₀表示当前时刻。

S402、判断当前节点与邻居节点的LLT是否小于时间间隔T_Δ，若小于，则判定该邻居节点为失效邻居节点，删除该邻居节点在当前节点邻居列表中的信息条目；

S403、计算并更新现存邻居节点的预测位置信息；

在步骤S403中，现存邻居节点的预测位置信息表达式如下：

x′_i＝x_i+v_i(T₀-T_i)cosθ_i

y′_i＝y_i+v_i(T₀-T_i)sinθ_i

其中，T_i表示当前节点收到邻居节点i发送的Hello消息时刻，T₀表示当前时刻；x′_i和y′_i分别表示邻居节点i在T₀时刻的横坐标和纵坐标；x_i和y_i分别表示邻居节点i在T_i时刻的横坐标和纵坐标；v_i表示邻居节点i在T_i时刻的速度；θ_i表示邻居节点i在T_i时刻运动方向。

S5、判断当前节点是否发生路由空洞现象，比较当前节点的所有邻居节点与目的节点间的距离是否均大于当前节点与目的节点间距离，若否，则执行步骤S6；若是，则执行改进周边转发模式，处理路由空洞现象，过程如下：

S501、计算当前节点的所有邻居节点与目的节点间距离和当前节点与邻居节点间的LLT权重和；

在步骤S501中，邻居节点i与目的节点D间的距离d_iD按下式计算：

其中，x′_i和y′_i分别表示该邻居节点i在T₀时刻的横坐标和纵坐标，x_D和y_D分别表示目的节点D的横坐标和纵坐标。

权重和W_i计算公式按如下表示：

其中，i表示第i个邻居节点；n表示当前节点的一跳邻居节点数；p、1-p分别表示该邻居节点i与目的节点间的距离和邻居节点i与当前节点的LLT在总权重和中的占比；R表示节点的通信范围；d表示当前节点与目的节点间的距离；d_i表示第i个邻居节点与目的节点间的距离；LLT_i表示第i个邻居节点与当前节点的LLT。

S502、选择权重和最大的邻居节点作为下一跳转发节点，转发数据包；

S503、当前节点将目的节点ID信息添加至邻居列表的空洞规避名单中；

S6、若当前节点没有发生路由空洞现象，则执行改进贪婪转发模式，选取距离目的节点最近的邻居节点转发数据的模式，过程如下：

S601、判断目的节点ID信息是否出现在当前节点邻居列表的空洞规避名单中，若是，则剔除相应的邻居节点条目信息；

S602、选择当前节点的所有邻居节点中与目的节点距离最近的邻居节点，作为下一跳转发节点，转发数据包。

实施例2

在开源仿真平台NS3上进行了仿真测试，设置了节点数量分别为30、50、70、90和110，节点最大运动速度为40m/s，Hello消息发送时间间隔为1s，节点的通信范围是250m，数据传输速率为3Mbps，数据分组的大小是512bytes，节点在仿真区域为1100×1100m²随机移动，仿真时间为200s等相关仿真条件，将GPSR协议和改进后的GPSR-LLT协议进行了性能比较，图2是本发明的路由协议和GPSR路由协议的平均端到端时延对比图，能够看出节点数量为30、50、70、90和110时，改进的GPSR-LLT路由协议的端到端时延明显比GPSR协议的小，说明改进后的GPSR-LLT协议能降低网络传输时延，图3是本发明的路由协议和GPSR路由协议的路由开销对比图，能够看出节点数量为30、50、70、90和110时，改进的GPSR-LLT路由协议的路由开销比GPSR协议的小，说明改进后的GPSR-LLT协议额外开销少，网络资源利用率高。结果表明，改进后GPSR-LLT路由协议明显降低了传输时延和路由开销。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，所述GPSR路由协议转发方法包括以下步骤：

S1、在移动自组网中，对当前节点进行邻居节点信息维护，周期性地获取自身位置与运动信息；当前节点的自身位置与运动信息按下式表示：其中，ID表示节点的编号，x表示节点的横坐标，y表示节点的纵坐标，v表示节点的速度，θ表示节点运动方向；

S2、移动自组网中所有节点周期性地广播Hello消息，当前节点接收邻居节点Hello消息，记录Hello消息接收时间戳；所述Hello消息包括Hello包标识、节点位置与运动消息；

S3、移动自组网中当前节点更新邻居列表信息并清空邻居列表中的空洞规避名单；所述邻居列表信息包括节点位置与运动信息、Hello消息接收时间戳T和该邻居节点的空洞规避名单S；所述空洞规避名单S为目的节点ID信息，若邻居列表信息中存在空洞规避名单，则代表当前节点拒绝转发目的节点在空洞规避名单中的数据包到该邻居节点；

S4、当前节点根据与邻居节点链路生存时间的变化情况，预测邻居节点位置，其中，链路生存时间简称LLT；

S5、判断当前节点是否发生路由空洞现象，比较当前节点的所有邻居节点与目的节点间的距离是否均大于当前节点与目的节点间距离，若否，则执行步骤S6；若是，则执行改进周边转发模式，处理路由空洞现象，过程如下：

S501、计算当前节点的所有邻居节点与目的节点间距离和当前节点与邻居节点间的LLT权重和；

S502、选择权重和最大的邻居节点作为下一跳转发节点，转发数据包；

S503、当前节点将目的节点ID信息添加至邻居列表中的空洞规避名单中；

S6、若当前节点没有发生路由空洞现象，则执行改进贪婪转发模式，选取距离目的节点最近的邻居节点转发数据的模式，过程如下：

S601、判断目的节点ID信息是否出现在当前节点邻居列表的空洞规避名单中，若是，则剔除相应的邻居节点条目信息；

S602、选择当前节点的所有邻居节点中与目的节点距离最近的邻居节点，作为下一跳转发节点，转发数据包。

2.根据权利要求1所述的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，所述步骤S4过程如下：

S401、判断当前节点是否需要发送数据包，若需要发送数据包，则计算当前节点与邻居节点的LLT和收到邻居节点的Hello消息的时刻距当前时刻的时间间隔T_Δ，若不需要发送数据包，则跳至步骤S1；

S402、判断当前节点与邻居节点的LLT是否小于时间间隔T_Δ，若小于，则判定该邻居节点为失效邻居节点，删除该邻居节点在当前节点邻居列表中的信息条目；

S403、计算并更新现存邻居节点的预测位置信息。

3.根据权利要求2所述的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，在步骤S401中，当前节点j与邻居节点i的链路生存时间LLT_ij是节点在双方通信覆盖范围内移动所持续的时间，按下式计算：

其中，R表示当前节点j与该邻居节点i最大通信距离，当通信距离超过R，两节点间通信链路会发生断裂；a＝v_jcosθ_j-v_icosθ_i，b＝v_jsinθ_j-v_isinθ_i，a和b分别表示两节点在X轴方向和Y轴方向的速度差；v_j与v_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的速度,θ_j和θ_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的运动方向；c＝x_j-x_i，d＝y_j-y_i，c和d分别表示两节点在X轴方向和Y轴方向的位移差，x_j和x_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的横坐标,y_j和y_i分别表示当前节点j和邻居节点i在T_i时刻的纵坐标。

4.根据权利要求2所述的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，

所述收到邻居节点的Hello消息时刻与当前时刻的时间间隔T_Δ表述式如下：T_Δ＝T₀-T_i，其中，T_i表示当前节点收到邻居节点i发送的Hello消息的时刻，T₀表示当前时刻。

5.根据权利要求2所述的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，在步骤S403中，所述现存邻居节点的预测位置信息表达式如下：

x′_i＝x_i+v_i(T₀-T_i)cosθ_i

y′_i＝y_i+v_i(T₀-T_i)sinθ_i

其中，T_i表示当前节点收到邻居节点i发送的Hello消息时刻，T₀表示当前时刻；x′_i和y′_i分别表示邻居节点i在T₀时刻的横坐标和纵坐标；x_i和y_i分别表示邻居节点i在T_i时刻的横坐标和纵坐标；v_i表示邻居节点i在T_i时刻的速度；θ_i表示邻居节点i在T_i时刻运动方向。

6.根据权利要求1所述的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，在步骤S501中，所述邻居节点i与目的节点D间的距离d_iD按下式计算：

其中，x′_i和y′_i分别表示该邻居节点i在T₀时刻的横坐标和纵坐标，x_D和y_D分别表示目的节点D的横坐标和纵坐标。

7.根据权利要求1所述的基于链路生存时间位置预测的GPSR路由协议转发方法，其特征在于，在步骤S501中，所述权重和W_i计算公式按如下表示：

其中，i表示第i个邻居节点；n表示当前节点的一跳邻居节点数；p、1-p分别表示该邻居节点i与目的节点间的距离和邻居节点i与当前节点的LLT在总权重和中的占比；R表示节点的通信范围；d表示当前节点与目的节点间的距离；d_i表示第i个邻居节点与目的节点间的距离；LLT_i表示第i个邻居节点与当前节点的LLT。

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