CN116017621A - 一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，应用于网络协议技术领域，针对现有的中继转发过程中存在隐蔽站，从而产生不必要的开销，降低包送达率的问题；本发明设计了基于相对位置的节点初筛、基于地理信息的节点优先级排序、基于优先级的隐蔽站遍历排查和自适应的中继协商选择四个步骤以降低碰撞，减少数据冗余，从而减小通信开销，提升网络的包送达率。

Description

一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法

技术领域

本发明属于网络协议技术领域，特别涉及一种机会路由协议技术。

背景技术

路由协议是一种指定数据包转送方式的网上协议。传统路由协议中，数据包通常是在事先通过算法确定的路径上传输。但在机会路由协议中，数据包当前的发送者不需要事先知道它的下一跳，而是在转发前通过一定的中继转发策略确定下一跳节点，并立即转发。但是其中继转发过程中可能由于隐蔽站的情况产生数据的冗余和碰撞，从而产生不必要的开销，降低包送达率(Packet Delivery Ratio，PDR)。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，以减少数据的冗余和碰撞，降低通信开销，增大包送达率(Packet Delivery Ratio，PDR)。

本发明采用的技术方案为：一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，每个节点维护一个其通信范围内的邻居信息表，所述邻居信息表包括邻居节点的地理位置；发送消息时，发送节点根据其邻居节点的地理位置信息进行判断，若邻居节点距离目的节点的距离大于发送节点距离目的节点的距离，则排除该邻居节点，剩下的邻居节点作为发送节点的第一候选中继节点集；

根据第一候选中继节点集中的邻居节点到目的节点的距离确定第一候选中继节点集中的邻居节点的优先级；第一候选中继节点集中的邻居节点到目的节点的距离越短，则该邻居节点的优先级越高；

根据优先级确定第一候选中继节点集中的邻居节点收到中继消息后到回复ACK消息前的时延；

还包括对第一候选中继节点集进行隐蔽站遍历排查，得到第二候选中继节点集；

发送节点的数据包通过第二中继节点集中的节点进行中继转发至目的节点。

对第一候选中继节点集进行隐蔽站遍历排查的过程为：按照优先级从高到低开始计算，剔除第一候选中继节点集中的当前邻居节点通信范围外的节点，一直遍历到第一候选中继节点集中最低优先级的邻居节点，从而得到第二候选中继节点集。

当第二候选中继节点集中的节点数为1时，通过在第二候选中继节点集外随机选择一个邻居节点，从而保留2个邻居节点作为发送节点可选的中继节点。

当保留的2个邻居节点互相不在各自的通信范围内时，还包括调用增加RLR的中继协商过程，具体为：当发送节点收到第一个回复的ACK消息后，发送节点向其通信范围内的所有邻居节点广播中继结果确认数据包。

本发明的有益效果：本发明的方法结合节点位置和节点优先级排序识别候选节点中的隐藏站，并设计了隐蔽站情况下的协商方式，具体分为四个步骤：基于相对位置的节点初筛、基于地理信息的节点优先级排序、基于优先级的隐蔽站遍历排查和自适应的中继协商选择；本发明的方法在保证了包送达率(Packet Delivery Ratio，PDR)的同时大幅减少了通信开销的同时，实现了碰撞和冗余的避免；仿真实验证明相比于未装配碰撞和冗余避免的自适应中继算法的传统协议，本发明的方法平均减少了23.6％的通信开销，平均包送达率提升了1.5％。

附图说明

图1为本发明的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择算法流程图。

图2为节点初筛示意图。

图3为中继优先级对应的时延示意图。

图4为中继候选节点的选择示意图。

图5为包含RLR的中继协商过程。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择算法，该方法实施流程如图1所示，结合图X描述，具体操作步骤如下。

基于相对位置的节点初筛。节点对应现实中的具有无线通信功能的物联网设备，其自身维护着一个邻居信息表，其中包含邻居节点的地理位置。发送消息时，节点首先根据邻居节点的地理位置信息判断，距离目的地的距离大于发送节点的邻居节点将不参与此次中继。如图2所示，假设节点S要向目的地发送数据包，中继选择过程开始，其通信范围内有6个邻居节点，节点6因为距离目的节点比发送节点更远而被排除。

基于地理信息的节点优先级排序。发送节点根据初筛选后的节点的地理信息对其中继优先级进行度量，距离目的节点更近的节点具有更高的优先级。节点S的邻居节点中，优先级排序为：节点1、节点2、节点3、节点4、节点5。

节点的不同优先级体现在收到中继的消息后到回复ACK消息前这段时延的长短。节点优先级越高，时延越短，可以更快地回复ACK消息。对于这次中继选择过程来说，最先回复ACK的节点将获得此次中继转发的权利。不同优先级的时延分配如图3，级别0代表的是目的地节点的优先级，其它的时延都是等级乘以间隔T，所有优先级的等级依次为{0,1,2,...,6,7}。为了避免ACK间的碰撞，间隔T要大于最短帧间间隔SIFS(Short interframespace)+ACK消息的发送时长。

基于优先级的隐蔽站遍历排查。算法在中继候选节点的选择中要避免隐蔽站碰撞情况发生。例如图2中节点S的邻居节点4和节点5，由于互相位于通信范围之外，因此无法听到对方的ACK回复，根据基于定时器的选举法，两节点都会认为自己获得了中继转发的机会，因而对相同的消息进行转发，产生冗余，或者同时回复ACK，产生碰撞。

CRA中继算法因此针对中继候选节点的选择做出改进，设计了基于优先级的隐蔽站遍历排查。按节点优先级从高到低的排序对每个节点依次开始计算，将其通信范围外的节点剔除，直到遍历完所有未被剔除的节点，此时剩余的节点为中继候选节点，其中不存在互为隐蔽站的情况。图4中首先计算节点1，排除掉了节点5，然后计算节点2，排除了节点4。最终剩余的节点1，节点2，节点3都在互相的通信范围内，彼此的ACK回复可以互相听见。

自适应的中继协商选择。为了保证通信的PDR，中继候选节点的数量应大于2。但在出现筛选后仅剩一个满足要求的中继候选节点的情况时，额外保留最后被剔除的一个节点，此时保留的2个节点将出现隐藏节点。CRA中继算法因此针对中继协商过程做出改进，首先设计了增加中继结果确认的中继协商过程，并根据候选节点中是否含有隐蔽站的情况自适应地调整中继协商过程。

增加中继结果确认的中继协商过程：源节点在收到第一个回复的ACK消息后，在邻居范围内广播中继结果确认(Relay Result,RLR)数据包，告知所有邻居中继协商的结果，避免出现隐蔽站重发数据的情况。交互过程如图5所示，当节点1率先回复ACK来竞争中继资格，位于其通信范围内的节点2、节点3、节点4收到消息后会被抑制，但位于其通信范围外的节点5并未收到，所以它也将回复ACK并转发消息，带来可能的冗余和碰撞。但加入了发送节点的RLR数据包确认后，节点5也将得知此次中继的结果，从而避免这类情况发生。

在保留2个节点并出现隐藏节点时调用增加RLR的中继协商过程，正常情况下则使用常规中继协商过程。对于增加中继结果确认的中继协商过程，不同优先级回复ACK间隔T与普通只需回复ACK的中继协商过程不同，要多出一个SIFS和一个RLR的发送时长，以此实现一定的自适应性。即T大于2个最短帧间间隔SIFS+ACK消息的发送时长+RLR的发送时长。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，每个节点维护一个其通信范围内的邻居信息表，所述邻居信息表包括邻居节点的地理位置；发送消息时，发送节点根据其邻居节点的地理位置信息进行判断，若邻居节点距离目的节点的距离大于发送节点距离目的节点的距离，则排除该邻居节点，剩下的邻居节点作为发送节点的第一候选中继节点集；

根据第一候选中继节点集中的邻居节点到目的节点的距离确定第一候选中继节点集中的邻居节点的优先级；第一候选中继节点集中的邻居节点到目的节点的距离越短，则该邻居节点的优先级越高；

根据优先级确定第一候选中继节点集中的邻居节点收到中继消息后到回复ACK消息前的时延；

还包括对第一候选中继节点集进行隐蔽站遍历排查，得到第二候选中继节点集；

发送节点的数据包通过第二中继节点集中的节点进行中继转发至目的节点。

2.根据权利要求1所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，对第一候选中继节点集进行隐蔽站遍历排查的过程为：按照优先级从高到低开始计算，剔除第一候选中继节点集中的当前邻居节点通信范围外的节点，从而得到第二候选中继节点集。

3.根据权利要求2所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，当第二候选中继节点集中的节点数为1时，通过将最后剔除的节点加入第二候选中继节点集，从而保留2个邻居节点作为发送节点可选的中继节点。

4.根据权利要求3所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，根据第一候选中继节点集中的邻居节点到目的节点的距离确定第一候选中继节点集中的邻居节点的优先级，具体为：将目的节点自身优先级数值设置为0，距离目的节点最近的第一候选中继节点集中的邻居节点的优先级数值设置为1，第一候选中继节点集中剩余的邻居节点的优先级数值，按照各自与目的节点的距离从小到大的顺序，依次设置为大于1的整数。

5.根据权利要求4所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，第一候选中继节点集中的邻居节点收到中继消息后到回复ACK消息前的时延具体为：各自优先级数值与回复ACK的间隔时间T的乘积。

6.根据权利要求5所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，当第二候选中继节点集中的节点数大于或等于2，

或者，

第二候选中继节点集中的节点数为1，保留的2个邻居节点在各自的通信范围内时，

回复ACK的间隔时间T大于最短帧间间隔SIFS+ACK消息的发送时长之和。

7.根据权利要求5所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，当第二候选中继节点集中的节点数为1，保留的2个邻居节点互相不在各自的通信范围内时，还包括调用增加RLR的中继协商过程，具体为：当发送节点收到第一个回复的ACK消息后，发送节点向其通信范围内的所有邻居节点广播中继结果确认数据包。

8.根据权利要求7所述的一种碰撞和冗余避免的自适应中继选择方法，其特征在于，当第二候选中继节点集中的节点数为1，保留的2个邻居节点互相不在各自的通信范围内时，回复ACK的间隔时间T大于2个最短帧间间隔SIFS+ACK消息的发送时长+RLR的发送时长之和。

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