CN1996804A - 无线移动网络中的广播方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在无线网络中转发广播包的方法和装置。一种方法是网络节点基于接收到的重复广播包的跳数(HCAB)来决定是否转发所接收的广播包。另一种方法是根据收到的重复广播包的个数和信号强度来计算转发该广播包的概率(SAPB)，并按照计算的转发概率进行转发。所提出的两种方案在保证广播覆盖率的前提下大大减少了转发点的数量，有效地降低了网络中的冗余流量并进而缩短广播包传输的延迟，明显改善了其它轻量级广播协议的性能，并能有效保证广播的覆盖率。

Description

无线移动网络中的广播方法和装置

技术领域

本发明涉及一种无线网络中轻量级的广播方法和装置。特别是基于跳数或转发概率的广播方法和装置，能够在保证高覆盖率广播的情况下减少转发点的数量，从而节省无线节点的能够和减少网络中的冗余流量，在无线移动网络中实现轻量级的广播。

背景技术

在无线网络中，广播是一种能够有效地提供控制、管理、路由建立等信息传播功能的路由技术。在未来无所不在的多跳无线移动网络中，广播技术的应用将更为广泛与频繁。例如，移动网关向无线个域网中的设备发布控制，警告或管理信息；无线设备的路由建立；查询特定主机信息等。传统的广播技术基于泛洪(Flooding)，即无线网络中每个节点均转发其收到的广播消息。

图1是表示传统的无线广播网络中的节点传播消息的示意图。如图1所示，如果节点u发出广播消息，节点v和w都接收到节点u广播的消息。按照传统的转发机制，接收到广播消息的节点v和w也要向外转发所接收的广播消息。由此导致节点v和w之间也要相互转发已经接收到的广播消息，从而造成冗余传输，而这是没有必要的。

图2为现有网络中的所有节点转发广播消息的示意图。在图2中，节点S是一个广播消息的源节点。每当节点S发出广播消息时，其周围接收到该广播消息的每个节点都要向外转发所接收到的广播消息。

因此，在传统的无线网络中，网络中的广播数据流量非常大。另外，无线信号之间的干扰与泛洪的广播消息会引发极大的信号冗余、冲突与碰撞，这就是所谓的“广播风暴”问题。此外，由于未来移动设备的能量有限，对其而言，转发大量冗余的广播包无疑是对自身能量的巨大浪费。因此，传统的广播技术显然不适用于未来的无线移动自组织网络中。

为了克服上述缺陷，已经提出的一种方法是减少网络转发广播包的节点数量以解决上述问题。例如，每当节点接收到广播包之后，以一个预先固定的概率发送所接收的广播包。为了减少广播包碰撞的概率，每个节点在发送接收到的广播包时要启动一个随机时延。当该时延结束时，该节点以固定的概率转发所接收到的广播包。对网络中的每个节点而言，该随机时延是不同的。因此，网络中的节点不同时转发接收到的广播包，从而减少碰撞的概率。

按照上述方法，可以减少转发节点的数量，但是由于转发概率是预先设定的，并且每个节点根据所设定的转发概率随机地决定是否转发接收到的广播包，而与网络环境完全没有关系。这种情况下，如果转发概率设定得较低，可能造成转发广播消息的节点大量减少，网络中的很多节点接收不到广播消息，影响广播覆盖率。另一方面，如果转发概率设定得较高，减少的转发节点数量则很少，很难起到降低冗余传输和减少碰撞的效果。

另外，在固定概率的方法中，转发概率是预先设定的，不能根据网络的疏密程度更改所设定的概率，因此灵活性较差。

现有技术中采用的另一种方法是在节点第一次接收到广播包后，立即启动一个时延，并统计在此时延内接收到同一个广播包的次数。如果重复收到广播包的次数超过了预先设定的阈值，该节点则放弃转发所接收到的广播包。如果接收广播包的次数没有达到预定的阈值，该节点则转发所接收到的广播包。该方法是基于当一个节点接收到重复接收的某个广播包的次数较多时，表明该节点周围的很多节点已经接收到该广播包，因此没有必要再向周围的节点转发该广播包。然而，在该方法中，预定的阈值也是固定的，性能优劣取决于所设定的阈值。如果阈值设定得较低，则影响广播覆盖率；如果阈值设定得较高，则难以有效地减少转发节点的数量。因此，该方法同样不能根据外部网络的稀疏或密集程度来调整所设定的阈值。

目前，改进的广播协议可以分为两类：需要拓扑信息的协议和无需拓扑信息的协议。在需要拓扑信息的广播协议中，网络中每个节点需要知道其一跳或多跳相邻节点的拓扑信息，根据这些拓扑信息来建立转发树。这一类广播协议可以用最少的转发节点数来保证广播的覆盖率。但是，由于要维护拓扑信息，节点之间需要周期性地交换拓扑发现消息。对于未来无线移动网络而言，这必然会使移动设备消耗大量能量。因此，需要拓扑信息的广播协议并不适合无所不在的无线移动网络。

在无需拓扑信息的广播协议中，网络节点不需要知道任何拓扑信息，每个节点仅根据本地信息来决定是否转发某个特定的广播包。因此，节点之间不需要周期性地交换信息。这一类协议也被称为“轻量级”广播协议。很显然，轻量级广播协议非常适用于未来无所不在的无线移动网络。然而，现有的轻量级广播协议的性能并不理想。这是因为在轻量级广播协议中，网络节点对整个网络的密度，拓扑等信息一无所知，广播包的转发仅依据本地所知信息进行。因此，无法保证广播的覆盖率或者无法有效地减少转发节点的数量。

发明内容

本发明一个目的是提供一种无线网络中基于跳数的广播转发方法和装置，能够在保证高广播覆盖率的情况下大大减少转发节点的数量，从而节省了无线节点的能量，极大地减少了网络中的冗余流量并进而缩短广播包传输的延迟。

本发明的另一个目的是提供一种无线网络中基于自适应概率的广播转发方法和装置，能够在保证高广播覆盖率的情况下大大减少转发节点的数量，从而节省了无线节点的能量，极大地减少了网络中的冗余流量并进而缩短广播包传输的延迟。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种在无线网络中转发广播包的方法，包括步骤：网络节点记录第一次接收到的广播包的跳数，并在接收到该广播包时启动随机时延；在所述随机时延期间，记录重复接收的广播包的跳数，并将所述重复接收的广播包的所述跳数与所述第一次接收的广播包的所述跳数进行比较；当所述重复接收的广播包的所述跳数大于所述第一次接收的广播包的所述跳数时，所述网络节点不转发所接收到的广播包；和当所述重复接收的广播包的所述跳数等于或小于所述第一次接收的广播包的所述跳数时，所述网络节点转发所接收到的广播包。

根据本发明的另一个方面，提供一种在无线网络中转发广播包的方法，包括步骤：网络节点记录第一次接收到的广播包的信号强度，并在接收到该广播包时启动随机时延；在所述随机时延期间，记录重复接收的广播包的信号强度，并将所述重复接收的广播包的所述信号强度与所述第一次接收的广播包的所述信号进行比较以获得广播包的最大信号强度；同时，网络节点统计所在随机时延内收到的重复广播包的个数，利用获得的最大信号强度与收到重复广播包信息计算转发概率；和按照计算的转发概率转发接收的广播包。

根据本发明的再一个方面，提供一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：转发信息分析单元，用于记录第一次接收到的广播包的跳数信息，并同时启动随机时延，在随机时延期间，记录接收到的重复广播包的跳数并与记录的第一次接收到的广播包的跳数进行比较；转发决定单元，用于在接收到的重复广播包中的至少一个广播包的跳数大于第一次接收到的广播包的跳数时，放弃转发所述广播包；在所有接收到的重复广播包的跳数等于或小于记录的第一次接收到的广播包的跳数时，转发所述广播包；和发送时延时间计时单元，对随机时延进行计时。

根据本发明的再一个方面，提供一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：转发信息分析单元，用于记录第一次接收到的广播包的信号强度，并同时启动随机时延，在随机时延期间，统计所收到的重复广播包个数，记录接收到的重复广播包的信号强度并与记录的第一次接收到的广播包的强度进行比较以获得最大的信号强度；转发决定单元，用于根据最大的信号强度与收到重复广播包信息计算转发概率prob，并按照计算的转发概率转发广播包；和发送时延时间计时单元，对随机时延进行计时。

根据本发明的再一个方面，提供一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：转发信息分析单元，用于记录第一次接收到的广播包的跳数信息，并同时启动随机时延，将后续接收到的重复广播包的跳数与记录的第一次接收到的广播包的跳数进行比较；转发决定单元，用于在后续接收到的重复广播包中具有大于第一次接收到的广播包的跳数时，放弃转发所述广播包；和发送时延时间计时单元，对随机时延进行计时。

根据本发明的再一个方面，提供一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：转发信息分析单元，用于记录网络节点接收到的广播包的重复次数和所接收的信号强度；转发决定单元，用于接收到的广播包的重复次数和信号强度计算转发概率，并按照计算的转发概率转发广播包；和发送时延时间计时单元，对随机时延进行计时。

在本发明的一种方案中，利用了广播包的跳数信息来作为是否转发的依据。在本发明的另一种方案中，根据收到的重复广播包的个数和信号强度来计算转发该广播包的概率。所提出的两种方案在保证广播覆盖率的前提下大大减少了转发点的数量，有效地降低了网络中的冗余流量并进而缩短广播包传输的延迟，明显改善了其它轻量级广播协议的性能。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1是表示传统的无线广播网络中的节点传播消息的示意图；

图2是表示现有无线网络中所有节点转发广播消息的示意图；

图3是根据本发明第一实施例的无线网络中基于跳数的无线节点(广播转发装置)的示意方框图；

图4是根据本发明第一实施例的基于跳数的广播转发信息分析的流程图；

图5是根据本发明第一实施例的基于跳数的广播转发决定的流程图；

图6A和6B示出了采用第一实施例的节点的转发过程的示意图

图7是根据本发明第二实施例的无线网络中自适应概率的无线节点的示意方框图；

图8是根据本发明第二实施例的自适应概率的广播转发信息分析的流程图；

图9是根据本发明第二实施例的自适应概率的广播转发决定的流程图；

图10A至10C是表示根据本发明的广播转发方法与现有技术的原理比较示意图；

图11A和11B是现有的广播包转发方法与本发明的广播包转发方法的转发节点数和覆盖率的对比示意图；

图12是现有的广播包转发方法与本发明的广播包转发方法的能量节省对比示意图；和

图13是现有的广播包转发方法与本发明的广播包转发方法的广播包时延的对比示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

下面以无线网状网络为例来说明本发明的广播包转发的实施例。无线网状(Mesh)网络也称为多跳网络，它是一种与传统的无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网中，每个客户端均通过一条与接入点(AP)相连的无线链路来访问网络。用户如果要进行通信，必要首先访问一个固定的接入点。这种网络结构被称为单跳网络。而在无线网状网络中，任何无线设备节点都可可以发送和接收信号，每个节点可以与一个或多个对等的节点进行直接通信。应该指出，本发明的方法不限于无线多跳网络，也可以应用于其它无线网络。

图3示出了根据本发明第一实施例的无线网络中基于跳数广播(HCAB：Hop Count-Aided Broadcasting)的无线设备节点(广播转发装置)的示意方框图。作为实例，无线设备节点可以是诸如个人计算机，移动电话，个人数字助理(PDA)等之类的无线设备。为了简化起见，图3中仅示出了无线设备节点中与本发明的内容有关的部分，而省略了与本发明的广播转发无关的内容，以避免混淆。

下面参考图3描述根据本发明实施例的基于跳数广播(HCAB)的无线设备节点的结构。如图3所示，根据本实施例，作为网络节点的无线设备节点，即广播转发装置，包括发射机31，接收机32，转发信息分析单元33，转发决定单元34，发送时延时间计时单元35，和数据处理单元36。

在HCAB中，节点利用了广播包的跳数信息作为决定是否转发所接收到的广播包的依据。每个节点将重复收到的广播包与其第一个接收到的信息进行比较。

如图3所示，接收机32接收其它网络节点发送的广播包，将接收的广播包提供给数据处理单元36进行与数据恢复有关的处理。鉴于该部分处理与本发明的内容无直接关系，为了简化起见，省略对其的描述。

接收机32还将接收到的广播包提供给转发信息分析单元33。转发信息分析单元33首次收到该广播包x时，节点记录下x的跳数信息，记为HC₀，并同时启动一随机时延T_d(0＜T_d＜T_max)。这里，启动随机时延的目的是为了减少转发包冲突的概率。在传统广播协议中，该时延机制已经存在。此后，在时间段T_d内，如果该节点收到与x重复的广播包，则记录下重复广播包的跳数信息，记为HC_i，1≤i≤n，这里n是在T_d内收到的重复广播包x的个数。转发信息分析单元33将重复广播包的跳数与记录的HC₀进行比较，并将比较结果提供给转发决定单元34。可以令HC_max＝Max{HC₁，HC₂，...，HC_n}，当随机时延T_d结束时，如果HC_max大于HC₀，转发决定单元34指令该节点丢弃广播包x。如果转发信息分析单元33提供的结果为HC_max等于或小于HC₀，转发决定单元34指令该节点转发该广播包。在上述操作过程中，由发送时延时间计时单元35对随机时延进行计时。具体地讲，转发信息分析单元33首次收到广播包x时，向发送时延时间计时单元35输出开始计时的指令，以及随机时延的时长。当经过了随机时延的时长时，发送时延时间计时单元35向转发决定单元34发送表示随机时延T_d结束的信号。

应该指出，在上述过程中有多种方法获得广播包x的跳数信息。例如，从该广播包的生存期(TTL：time to live)字段计算得到跳数信息。TTL信息规定了广播包所跳的跳数，以防止广播包回环。因此，可以利用现有广播包中的TTL信息计算接收到广播包的跳数。计算方法为跳数＝TTL的默认初值-TTL当前值。现有的广播协议中包含了TTL(time to live)字段。例如，当前的TTL值为14且TTL的默认初值为16，则广播包x所经过的跳数为16-14＝2。

另一种方法是在广播包中定义一个跳数(hop_count)字段。该字段初始值为0，广播包每经过一次转发，hop_count字段的值加1。

下面以一个简单实例来说明HCAB方法的工作流程。假设无线节点第一次收到广播包x时，其跳数为2，节点启动随机时延T_d，并将R初值设定为true。应该指出，这里的R为一布尔变量，当R值为true时，表示应当转发收到的广播包，当R值为false时，表示应当丢弃收到的广播包。在T_d结束之前，节点收到一个重复的x，其跳数为3。根据信息分析过程，由于3＞2，R的值被更改为false。随机时延T_d结束时，因为R的值为为false，节点丢弃该广播包。

下面参考图4说明根据第一实施例的基于跳数的无线设备节点的转发信息分析流程。

如图4所示，当网络中的某个节点发出一个广播包x时，其周围的网络节点在步骤S411接收该广播包x。在步骤S412判断是否第一次收到该广播包x。如果在步骤S412判断为第一次收到广播包x，流程则转到步骤步骤S413，设置一个布尔变量R，其初值为true以及记录下广播包x的跳数信息HC₀。应该指出，这里的R为一布尔变量，当R值为true时，表示应当转发收到的广播包，当R值为false时，表示应当丢弃收到的广播包。此后，在步骤S414，启动一随机时延T_d(0＜T_d＜T_max)。在T_d时间内，如果节点收到重复的广播包x，流程则进行到步骤S415，判断R是否为true。如果在步骤S415判断R为false，则忽略该重复的广播包。如果在步骤S415判断R为true，节点在步骤S416提取该重复的广播包的跳数信息HC，并在步骤S417将HC与记录下的广播包HC₀进行比较。如果HC＞HC₀，流程进行到步骤S418，把R设置为false。

当随机时延T_d结束时，HCAB启动转发决定过程，图5示出了根据本发明第一实施例的基于跳数的广播转发决定的流程图。如图5所示，在步骤S511，判断R值是否为true。这里的R为一布尔变量，当R值为true时，表示应当转发收到的广播包，当R值为false时，表示应当丢弃收到的广播包。应该指出，R的值由图4流程中根据包跳数信息的分析结果来决定。如果在步骤中的判断结果为是，流程则进行到步骤S513，节点转发接收到的广播包x。如果判断结果为否，流程则进行到步骤S512，丢弃接收到的广播包x，即不转发该广播包。

简而言之，当网络节点第一次接收到广播包时，记录该广播包的跳数HC₀，并启动随机的时延。在该时延期间，记录接收的所有重复的广播包的跳数。在所接收的这些广播包中，只要有一个重复的广播包的跳数大于第一次接收该广播包时记录的跳数，当该时延结束时，该节点不转发所接收到的重复的广播包。

图6A和6B示出了采用本实施例的节点的转发过程的示意图。在如图6A所示的网络布局的情况下，当节点A发射广播包时，在节点A的通信范围内的节点B和C接收到该广播包。此时，节点B和C接收该广播包为第一跳，即HC＝1，并且节点B和C处在相互通信的范围内。假设节点B比节点C先结束随机时延，节点B向节点C和D转发接收到的广播包。节点C和D接收到该广播包。由于节点C又接收到节点B发送的重复的广播包，其跳数已经更新为HC＝2，因此节点C通过比较得知又接收到跳数比原记录的跳数大的广播包。节点C可以判断周围已经有节点转发了该其接收的广播包，于是判断节点C本身不需要再转发该广播包。

图6B示出了接收第一跳的广播包的节点B和C处在相互通信的范围之外的情况。当节点A发射广播包时，在节点A的通信范围内的节点B和C接收到该广播包。此时，节点B和C接收的该广播包为第一跳，即HC＝1。由于节点B和C互在广播范围之外，二者都没有接收到跳数更高的广播包，因此节点B和C都向节点D转发接收到的广播包。就是说，节点D接收到节点B和C转发的广播包，且接收的广播包的跳数都为HC＝2。根据前述现有技术的方法，由于收到了重复的广播包，节点D不再转发该广播包。因此，节点E无法接收该广播包，影响了广播的覆盖率。根据本实施例的方案，由于节点D接收到的广播包的跳数相等(HC＝2)，节点D要继续转发接收的广播包。于是，节点E可以接收到该广播包。由此可见，与现有技术相比，根据本实施例的方法提高了广播的覆盖率。

图7示出了根据本发明第二实施例的无线网络中自适应概率广播(SAPB)的无线节点的示意方框图。与第一实施例相似，SAPB无线节点包括发射机71，接收机72，转发信息分析单元73，转发决定单元74，发送时延时间计时单元75，和数据处理单元76。

第二实施例的无线节点的结构与第一实施例的相同。其区别在于第二实施例的无线节点基于受外界环境影响的自适应概率来决定是否对所接收的广播包进行转发。在此，转发概率根据外界环境的变化而改变。在本实施例中，自适应概率由节点接收到的广播包的重复次数和所接收的信号强度来决定。

通过观察可以了解到。当一个网络节点收到的重复广播包越多，其转发概率应当越小。另外，如果接收到广播包的信号越强，转发该广播包的概率也应该越小。这是因为接收到的广播包的信号越强，则可以假设接收该广播包的节点与发送该广播包的节点的距离越近。因此，二者所覆盖的广播区域应该基本一致，接收到重复广播包的节点不需要再转发该广播包。

下面参考图7描述自适应概率广播(SAPB)的无线节点的操作。为了方便起见，在此省略对与第一实施例中相同的操作的描述。

接收机72其它网络节点发送的广播包，本将接收的广播包提供给数据处理单元76进行与数据恢复有关的处理。

接收机72还将接收到的广播包提供给转发信息分析单元73。转发信息分析单元73首次收到某个广播包x时，节点记录下该包x的信号强度P₀，并同时启动一随机时延T_d(0＜T_d＜T_max)。这里，启动随机时延的目的是为了减少转发包冲突的概率。在传统广播协议中，该时延机制已经存在。此后，在时间段T_d内，如果该节点收到与x重复的广播包，记录下重复的广播包的信号强度P_i，1≤i≤n，这里n是在T_d内收到的重复包的个数。转发信息分析单元73将重复广播包的信号强度与记录的信号强度P₀进行比较，并将比较结果提供给转发决定单元74。当随机时延T_d结束时，可以令P_max＝Max{P₀，P₁，...，P_n}，即提取最大的信号强度。转发决定单元74按照根据最大的信号强度计算转发概率prob，并按照计算的转发概率转发广播包x。可以通过下面的公式(1)计算概率prob

prob＝K·f(n)·g(P_max)    (1)

其中，K为可调系数，K的取值必须保证prob≤1；n是所接收到的重复广播包的个数，f(n)为n的单调减函数，0＜f(n)≤1；g(P_max)为P_max的单调减函数，0＜g(P_max)≤1。

在上述操作过程中，由发送时延时间计时单元75对随机时延进行计时。具体地讲，转发信息分析单元73首次收到广播包x时，向发送时延时间计时单元75输出开始计时的指令，以及随机时延的时长。当经过了随机时延的时长时，发送时延时间计时单元75向转发决定单元74发送表示随机时延T_d结束的信号。

在SAPB方法中，对于不同的无线设备来说，每次对接收到的广播包的转发概率可能是不同的。这是由于各个无线设备的参数不同。另外，转发概率的不同也表明SAPB方法反映了外部环境的特点。

下面参考图8描述根据本发明第二实施例的自适应概率广播(SAPB)的转发信息分析的过程。网络节点在步骤S811收到广播包x，接下来，在步骤S812判断是否第一次收到该广播包x。如果是第一次接收到x，流程则进行到步骤S813记录下广播包x的信号强度Px。然后，在步骤S814设置一计数器C(图中未示出)的初值为1，并在步骤S815启动一随机时延T_d(0＜T_d＜T_max)。在T_d时间内，节点如果收到重复的x，则在步骤S816将C值增加1。此后，在步骤S817记录该重复广播包的信号强度，并在步骤S818将该重复广播包的信号强度与当前记录的Px进行比较。如果Px较小，则在步骤S819将Px更新为较大值，记为P_max。当随机时延T_d结束时，SAPB启动转发决策过程。

图9示出了SAPB的转发决定过程。在步骤S911，转发决定单元74利用下面的公式(2)计算转发概率prob

prob＝K·f(C)·g(P_max)    (2)

其中，K为可调系数，K的取值必须保证prob≤1；f(C)为C的单调减函数，0＜f(C)≤1，在此，参数C对应于上面提到的n，对应于接收到的重复广播包的个数；g(P_max)为P_max的单调减函数，0＜g(P_max)≤1。然后，在步骤S912，节点以概率prob转发广播包x。下面给出在具体实现中K、f(C)和g(P_max)的一个取值实例：K＝1； $f\left(C\right)=\frac{1}{C};$ $g\left(P_{\max }\right)=\sqrt[4]{\frac{P_1}{P_{\max }}}.$ g(P_max)也是信号强度与转发概率的函数，其中P_t表示无线设备接收能量的门限，即无线设备能够接收到的信号的最小能量，P_max是接收到的广播包的最大信号强度。应该指出，上面给出的计算转发概率的表达式只是一个实例，本方面可以采用的计算方式不限于此，也可以使用其它计算方式。

简而言之，在SAPB方法中。假设节点收到第一个广播包x，信号强度为P₀，节点启动随机时延T_d。在T_d时间内，该节点又收到2个重复的x，信号强度分别为P₁和P₂。假设P₁＞P₀且P₁＞P₂。当随机时延T_d结束时，prob计算为prob＝K·f(3)·g(P₁)。假设K＝1，f(3)＝1/3且g(P_max)＝3/4，则prob为1/4。此时，节点以1/4的概率转发该广播包。

根据本发明的HCAB方法有效地利用了跳数信息。如果节点接收到跳数更大的重复广播包，暗示该节点附近的节点均已收到此广播包，因而不再需要转发该包。SAPB方法综合了重复包个数与信号强度两种信息，以概率的方式转发广播包，如果收到的重复包越多，信号强度越强，表明该节点附近的节点已经收到该广播包的概率越大，因而可以以更小的概率转发该包。因此，本发明的两种方法大大减少了转发节点的数量，并能有效保证广播的覆盖率。

本发明的方法不需要额外的网络信息交换来作为是否转发广播包的依据，有效地利用了已知的本地信息，在保证高广播覆盖率的前提下，大大减少了转发节点的数量，减少了网络冗余流量，缩短广播包的传输时延，与传统广播协议相比，使得整个网络的广播能量损耗在典型情况下节省50％以上。

图10A至10C是表示根据本发明的广播转发方法与现有技术的原理比较示意图。其中图10A是传统广播协议的转发原理。图10B是根据本发明的HCAB方法的转发原理。图10C是根据本发明的SAPB方法的转发原理。可以看到，在传统广播协议中，在随机时延内，协议不作任何分析处理。当随机时延结束后，协议直接转发广播包。在HCAB方法中，在随机时延内，协议对收到的重复广播包的跳数作信息分析。当随机时延结束后，协议根据分析结果决定是否转发广播包。在SAPB方法中，在随机时延内，该方法对收到的重复广播包的个数及信号强度进行信息分析。当随机时延结束后，该方法根据分析结果以一定的概率转发广播包。

图11至13给出了根据本发明的广播转发方法与现有技术的性能比较的示意图。

在图11至图13的性能评估中，将本发明的方法与传统广播方法(基于泛洪)以及另外两种轻量级广播方法：基于计数广播(CB)和基于固定概率广播(PB)进行了性能比较。对于CB方法，其性能由计数门限CH决定；对PB方法，其性能由预设概率p决定。在比较中，CB方法的CH门限取值从2到4，分别记为CB-2、CB-3和CB-4；PB方法的预设概率p取值为0.5和0.6，分别记为PB-5和PB-6。上述CH与p的选取均为CB与PB协议建议的典型值，充分体现了其性能特点。对于SAPB协议，f(C)和g(P_max)计算为： $f\left(C\right)=\frac{1}{C}$ 和 $g\left(P_{\max }\right)=\sqrt[4]{\frac{P_1}{P_{\max }}};$ K分别取1和1.1。

图11A和11B是相关方法和根据本发明方法的转发节点数与覆盖率的比较。图11A示出了对广播覆盖率进行比较的结果。图11B示出了对转发节点数进行比较的结果。这里，覆盖率的定义是网络中能收到特定广播包的节点数与网络中所有节点数的比值。假设对于某个广播包x，网络中有A个节点收到了该广播包；如果网络中共有B个节点，则广播的覆盖率为

从图11A中可以看到，传统的广播协议具有最高的覆盖率，这是因为在传统的广播协议中，所有节点都参与转发接收到的广播包。CB-4协议与SAPB方法的覆盖率非常逼近传统的广播协议。对SAPB方法而言，K为1.1时的覆盖率要高于K为1时的覆盖率，这是因为K为1.1时节点有更高的转发概率。HCAB方法与CB-3协议有相似的覆盖率性能。PB-4、PB-5和CB-2协议的覆盖率性能较差。随着网络节点数的增加，即网络密度的变大，所有协议的覆盖率性能均上升，当网络密度极高时，所有协议的广播覆盖率都能达到100％。

从图11B中可以看到，不同的广播协议的转发节点数性能差异较大。随着网络节点数的不断增长，传统的广播协议的转发点数呈线性增加；而轻量级广播协议的转发点数增加则比较平缓。在所有协议中，根据本发明的SAPB和HCAB方法具有最少的转发节点数。其中，SAPB方法的转发节点数性能比HCAB要略好。在其它轻量级广播协议中，CB-2的转发节点数最少，CB-4的最多。在SAPB方法中，K为1.1时的转发节点数要高于K为1时的转发节点数。显然，K值的选择对SAPB协议的性能是一个权衡，当K值越大，SAPB方法的覆盖率越高，但同时转发节点数也越多。根据性能评估的结果显示，在具体实现中，K值取1时，SAPB可以达到很好的性能。

综合图11A和11B给出的结果，可以知道，本发明所提出的两种轻量级广播方法与相关协议相比，可以以更少的转发节点数达到相似或者更高的覆盖率性能。就是说，与相关协议相比，SAPB和HCAB方法具备了很好的性能优势。

图12是相关协议和本发明方法的广播能量节省的比较示意图。这里，能量的节省是与传统的广播协议相比而言的。假设广播一个包时，传统广播协议下所有网络设备耗费的能量总和为E₁，轻量级广播协议下所有网络设备耗费的能量总和为E₂，节省的能量计算为

从图12中可以看到，当网络节点数增加时，所有轻量级协议均能更有效地节省能量。SAPB方法节省的网络能量最多，平均可以节省60％的能量。HCAB和CB-2次之，平均可以节省53％左右的能量。HCAB和CB-2相比，HCAB方法节省的能量要多2％左右。而其它的轻量级协议节省的能量比较有限，平均能节省30％～40％。

轻量级广播协议能节省能量的本质原因是转发节点数量的减少。而对无线设备而言，发送数据所需能量是能耗的主要部分。

图12是相关协议和本发明方法的广播包时延的比较。这里时延的定义为从广播源发出某个广播包到网络中最后一个节点收到该广播包的时间差。

从图12中可以看到，传统的广播协议的时延最高；SAPB方法的时延最低；HCAB方法与CB-2协议具有相似的时延，但HCAB方法的时延要略低。而其它协议的时延比HCAB和SAPB方法都要高很多。

本发明所提出的SAPB和HCAB方法具有低时延的原因是由于网络转发节点数量的减少，网络中的数据流量也大大减少，从而降低了无线信号冲突与碰撞的概率，进而减少了数据发送退避的时延，最终降低了广播包传输的总体时延。

应该指出，本发明的无线节点广播转发方法可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，或硬件与软件的组合来实现。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (21)

1.一种在无线网络中转发广播包的方法，包括步骤：

网络节点记录第一次接收到的广播包的跳数，并在接收到该广播包时启动随机时延；

在所述随机时延期间，记录重复接收的广播包的跳数，并将所述重复接收的广播包的所述跳数与所述第一次接收的广播包的所述跳数进行比较；

当所述重复接收的广播包的所述跳数大于所述第一次接收的广播包的所述跳数时，所述网络节点不转发接收到的广播包；和

当所述重复接收的广播包的所述跳数等于或小于所述第一次接收的广播包的所述跳数时，所述网络节点转发所接收到的广播包。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用广播包的生存期字段计算所述广播包的跳数的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中从生存期字段的默认初值减去生存期字段的当前值来计算接收到的广播包的跳数。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在广播包中定义跳数字段，广播包每经过一次转发，将所述跳数字段的值加1以指示接收的广播包的跳数的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中设定所述跳数字段的初始值为0。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括判断所接收的广播包是否是第一次接收的步骤。

7.一种在无线网络中转发广播包的方法，包括步骤：

网络节点记录第一次接收到的广播包的信号强度，并在接收到该广播包时启动随机时延；

在所述随机时延期间，统计重复收到的广播包个数，以及记录重复接收的广播包的信号强度，并将所述重复接收的广播包的所述信号强度与所述第一次接收的广播包的所述信号进行比较以获得广播包的最大信号强度；

利用获得的最大信号强度与收到重复广播包个数计算转发概率；和

按照计算的转发概率转发接收的广播包。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括设置重复广播包计数器C的初值为1，并且每当重复接收到广播包时将C值增加1的步骤。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述网络节点按照下面的表达式计算转发概率prob

prob＝K·f(C)·g(P_max)

其中，K为可调系数，K的取值要保证prob≤1，C是所接收到的重复广播包的个数，f(C)为C的单调减函数，0＜f(C)≤1，g(P_max)为P_max的单调减函数，0＜g(p_max)≤1。P_max是所述最大信号强度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中

prob＝K·f(C)·g(p_max)

其中f(C)为所述C值的单调减函数，K＝1； $f\left(C\right)=\frac{1}{C};$ $g\left(P_{\max }\right)=\sqrt[4]{\frac{P_t}{P_{\max }}},$ P_t表示无线设备能接收到信号的最低能量门限，P_max是所述最大信号强度。

11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将所述重复广播包的信号强度与当前记录的信号强度进行比较，并将当前信号强度更新为较大值的步骤。

12.一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：

转发信息分析单元，用于记录第一次接收到的广播包的跳数信息，并同时启动随机时延，在随机时延期间，记录接收到的重复广播包的跳数并与记录的第一次接收到的广播包的跳数进行比较；

转发决定单元，用于在接收到的重复广播包中的至少一个广播包的跳数大于第一次接收到的广播包的跳数时，放弃转发所述广播包；在所有接收到的重复广播包的跳数等于或小于记录的第一次接收到的广播包的跳数时，转发所述广播包；和

发送时延时间计时单元，用于对随机时延进行计时。

13.根据权利要求12所述的装置，其中转发信息分析单元第一次接收到广播包时，向发送时延时间计时单元输出开始计时的指令，以及随机时延的时长。

14.根据权利要求12或13所述的装置，其中当经过了随机时延的时长时，发送时延时间计时单元向转发决定单元发送表示随机时延结束的信号。

15.一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：

转发信息分析单元，用于记录第一次接收到的广播包的信号强度，并同时启动随机时延，在随机时延期间，统计收到的重复广播包个数，记录接收到的重复广播包的信号强度并与记录的第一次接收到的广播包的强度进行比较以获得最大的信号强度；

转发决定单元，用于根据最大的信号强度和收到重复广播包个数计算转发概率prob，并按照计算的转发概率转发广播包；和

发送时延时间计时单元，用于对随机时延进行计时。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述转发决定单元按照下面的表达式计算转发概率prob

prob＝K·f(C)·g(P_max)

其中，K为可调系数，K的取值必须保证prob≤1，C是所接收到的重复广播包的个数，f(C)为C的单调减函数，0＜f(C)≤1，g(P_max)为P_max的单调减函数，0＜g(P_max)≤1。P_max是所述最大信号强度。

17.根据权利要求15或16所述的装置，其中所述转发决定单元按照下面的表达式计算转发概率prob

prob＝K·f(C)·g(P_max)

其中f(C)为所述C值的单调减函数，K＝1； $f\left(C\right)=\frac{1}{C};$ $g\left(P_{\max }\right)=\sqrt[4]{\frac{P_t}{P_{\max }}},$ P_t表示无线设备能接收到信号的最低能量门限，P_max是所述最大信号强度。

18.根据权利要求15所述的装置，其中转发信息分析单元第一次接收到广播包时，向发送时延时间计时单元输出开始计时的指令，以及随机时延的时长。

19.根据权利要求15或18所述的装置，其中当经过了随机时延的时长时，发送时延时间计时单元向转发决定单元发送表示随机时延结束的信号。

20.一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：

转发信息分析单元，用于记录第一次接收到的广播包的跳数信息，并同时启动随机时延，将后续接收到的重复广播包的跳数与记录的第一次接收到的广播包的跳数进行比较；

转发决定单元，用于在后续接收到的重复广播包中具有大于第一次接收到的广播包的跳数时，放弃转发所述广播包；和

发送时延时间计时单元，用于对随机时延进行计时。

21.一种在无线网络中转发广播包的装置，包括：

转发信息分析单元，用于记录网络节点接收到的广播包的重复次数和所接收的信号强度；

转发决定单元，用于接收到的广播包的重复次数和信号强度计算转发概率，并按照计算的转发概率转发广播包；和

发送时延时间计时单元，用于对随机时延进行计时。

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