CN107040884A - 一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，包括：通过移动自组网的位置信息和速度信息判断一定时间区间内节点与节点之间的连通概率建立概率图网络模型；利用前述步骤中建立的概率图网络模型存储邻居节点集合及与邻居节点间的连通概率，并由此根据路由发现算法MDSR通过跳数和路由连通率发现路由，最终返回多条路由；根据移动自组网中节点的快速移动特性，基于邻域连通性进行节点集合的分簇，按簇分区段在已经发现的多条路由中对路由进行筛选，根据节点间的连通概率和节点及邻域间的连通性进行路由的选择，并基于选择的区段路由组合后形成一条完整的路由，最终完成数据的转发。本发明减少数据传输延时，提高了数据转发的可靠性。

Description

一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法

技术领域

本发明属于移动自组网领域，尤其涉及一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法。

背景技术

近年来，移动自组网(Mobile Ad hoc Network，MANET)越来越广泛的被应用到各行各业中。最初无线自组网设计路由算法时很多是围绕能量消耗进行的。但是现在越来越多的移动自组网的实际应用形式对能量消耗并不太关注，快速移动的条件如何可靠快速地传输数据才是问题的核心。例如车辆自组网，社交移动网，这些网络中的节点都可以提供持续的能量，但是对于数据传输的速度和可靠性却有更高的要求，因为这些网络的使用者是人，虽然是节点与节点之间传输数据，但是数据的使用者是持有节点的主人。这跟最初无线自组网的理论环境是有很大区别的。所以，假定网络中节点能量消耗不作为主要因素考虑时，对应的数据传输策略也需要相应改变。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中的问题，本发明提出可减少数据传输延时、提高数据转发的可靠性的一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法。

技术方案：一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，包括以下步骤：

(1)基于连通概率的网络建模，通过移动自组网的位置信息和速度信息判断一定时间区间内节点与节点之间的连通概率建立概率图网络模型；

(2)利用步骤(1)建立的概率图网络模型存储邻居节点集合及与邻居节点间的连通概率，并由此根据路由发现算法MDSR通过跳数和路由连通率发现路由，返回多条路由；

(3)根据移动自组网中节点的快速移动特性，基于邻域连通性进行节点集合的分簇，按簇分区段在步骤(2)中返回的多条路由中对路由进行筛选，根据节点间的连通概率和节点及邻域间的连通性进行路由的选择，并基于选择的区段路由组合后形成一条完整的路由，最终完成数据的传输转发。

所述步骤(2)中的路由发现算法MDSR具体为：

当源节点发起路由发现时，根据步骤(1)建立的概率图网络模型，节点广播信息(ID,x,y,v)，节点根据广播信息发现邻居节点后计算与邻居节点间的连通概率并记录在本地，节点i的邻居节点集记作N(i)，邻居节点之间通过应答的方式形成包含从源节点到终点的路由，目的节点返回多条路由；

定义1：路由连通概率，假设路由L是由节点1,2,3,…,i构成的，p₁,p₂,…,p_i-1为L包含的边的连通概率值，则路由L的连通概率定义为

其中

P(L)＝1时说明路由上相邻两个节点之间的距离都小于通信距离；根据节点的移动速度，设定跳数的阈值H和路由连通概率的阈值P；将同时满足两个阈值的路由返回源节点，并缓存所有满足条件的路由信息；当设定的路由连通性是1时，则退化为常规路由的选择。

所述步骤(3)中基于邻域连通性进行节点集合的分簇具体为：从强连通的角度对路由进行区段划分，减少路由失效的概率；从图的连通性的角度，缓存的路由构成的图至少是1-连通图；假设通过步骤(2)发现并缓存的所有路由包含的节点记为V＝{1,2,…,k}，假设源节点为1，目标节点为k,则令C₁＝N(1)∪{1}，C₂＝N(k)∪{k}。令V'＝V\(V(C₁)∪V(C₂))，对任意节点j∈V'，如果|V(C₁)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|，或者|V(C₂)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|；为不失一般性，假设|V(C₁)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|成立，则令C₁＝C₁∪{j}，V'＝V\(V(C₁)∪V(C₂))，重复直到没有满足的节点为止；如果最终则结束分簇的过程，C₁,C₂即为最终的两个簇；如果则V'重复上述过程，直到所有节点被分到某个簇中为止；

所述步骤(3)中根据节点间的连通概率和节点及邻域间的连通性进行路由的选择，具体为：假设所有的簇记作C₁,C₂,…,C_m，在每一个簇内进行路由选择；假设L₁,L₂,…,L_m分别是C₁,C₂,…,C_m优先选择的第一条路由，条件如下：

P(L_i)＝max{P(L)|L是簇C_i中的任意路由} 式(1)

且H(P(L_i))＝min{H(P(L))|L是簇C_i中满足式(1)的任意路由}；L₁,L₂,…,L_m之间任选一条连通概率最大的边进行簇间消息的传递，形成簇内传输、簇间传输的循环结构，最终将簇内路由联合簇间路由构成了整条路由。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的方法更符合实际环境，路由发现和路由选择更具有针对性，本发明基于节点间的连通概率进行网络建模能更真实地仿真环境；利用节点的能量消耗不受限制的优势改进DSR得到路由发现算法MDSR；同时基于邻域连通性进行分簇，按簇分区段进行路由选择。最终可减少数据传输延时，提高了数据转发的可靠性。

附图说明

图1(a)、1(b)是本发明中的基于连通概率的网络建模示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施案例进行详细的描述；

本发明所述的一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，该方法包括：

1、基于连通概率的网络建模，基于移动自组网的位置信息和速度信息判断一定时间区间内节点与节点之间的连通概率进行网络的建模；

2、基于建立的概率图网络模型，存储邻居节点集合及与邻居节点间的连通概率，并由此根据提出路由发现算法MDSR得到多条路由，该算法主要基于DSR的思想，结合节点快速移动的移动自组网对能量消耗没有严格限制的优势改进得到，最终返回多条路由；

3、根据移动自组网的快速移动特性，基于邻域连通性进行节点集合的分簇，按簇分区段在已经发现的多条路由中对路由进行筛选，根据节点间的连通概率和路由的连通概率进行路由的选择，并基于选择的路由组合后形成一条完整的路由，最终完成数据的传输转发。

表1本发明所使用的相关参数

(1)基于连通概率的网络建模。

如图1(a)、1(b)所示，基于连通概率的网络建模方法不同于常规图模型的建立。图1(a)中圆圈表示网络中的节点，圆圈内的数字表示节点的标号，圆圈之间的虚线表示连接两点之间的直线，虚线上的数值表示两点之间的最短距离，单位为m。图1(b)与图1(a)不同之处在于把距离修改为了连通概率。假设通信半径为10m，且连通概率的阈值设置为0.6，则对于节点1与4来说，通信半径与其两者之间的距离比小于0.6，故该边不存在。节点与节点之间的关系不使用简单的0，1表示，而是使用连通概率值表示。令G＝(V,E,W)为建立的网络模型，其中V＝{v₁,v₂,…,v_n}中的元素代表的是网络中的节点；E＝{e₁,e₂,…,e_m}中元素代表的是网络中节点与节点之间可能存在的边，两点之间存在一条边当且仅当两点之间连通概率不小于设定的阈；W＝{p₁,p₂,…,p_m}中的元素代表的是两点之间存在一条边的连通概率值，且p_i≥p,i＝1,2,…,m，是根据需要设定的阈值。

定义1(连通概率)某两点之间的连通概率定义为

其中R表示通信半径，d表示两点之间实际距离。

可见，p_i越大，发送数据成功率越高。这里的连通概率与一般意义上的概率值不同，允许超过1.如果限定p_i不能超过1，且限定p＝1,则模型会退化为常规的图模型。

(2)路由发现算法MDSR(Modified Dynamic Source Routing)。

路由发现算法MDSR由DSR演变而来。核心思想受DSR启发，路由发现的第一次请求也是按需进行，但是它与DSR不同的是不以能量消耗为主要考虑因素，所以在路由发现时保存的信息更多，计算的信息更多。从而为第三部分的路由选择奠定良好的基础。

当源节点发起路由发现时，节点广播(ID,x,y,v)，根据步骤(1)网络建模的过程，节点发现邻居节点后计算与邻居节点间的连通概率并记录在本地，节点i的邻居节点集记作N(i)，邻居节点之间通过应答的方式形成包含从源节点到终点的路由。在DSR中为了节省能量开支，减少多条路由维护带来的能量消耗，所以主要缓存一条路径，当路径失效时，再此发起路由发现，寻找新的路由。这样的方法在快速移动自组网中的缺点是把更多的时间消耗在不停地寻找路由上。所以当节点固定或者节点移动较慢时，DSR是适用的。但是当节点移动快速，拓扑变化频繁时，就无法做到及时性。所以在本发明中寻找路由时，目的节点可返回多条路由。由于节点信息中包含位置信息和速度信息，所以即便不在邻居节点中的数据，只要是在路由上的节点的位置信息都可获得，从而可以计算任意节点之间的连通概率。

定义1(路由连通概率)假设路由L是由节点1,2,3,…,i构成的，p₁,p₂,…,p_i-1为L包含的边的连通概率值，则路由L的连通概率定义为

其中

可见，P(L)＝1时说明路由上相邻两个节点之间的距离都小于通信距离，从而这里路由连通概率是对常规路由定义的推广。根据节点的移动速度，设定跳数的阈值H和路由连通概率的阈值P。将同时满足两个阈值的路由返回源节点，并缓存所有满足条件的路由信息。这有利于节点快速移动时迅速发现新路由以替换失效路由。当设定的路由连通性是1时，就会退化为常规路由的选择。保留符合阈值条件的路由，是因为节点快速移动，会使得路由连通性快速变化，从而可以在当前路由失效时，可快速在缓存的路由中选择可用的路由。

(3)路由选择方法,见表2中算法。

该过程分为两个阶段：基于邻域连通性的节点分簇和基于簇的路由选择。

节点分簇：在快速移动的网络中，邻居节点之间的位置变化快，所以本发明从强连通的角度对路由进行区段划分，减少路由失效的概率。从图的连通性的角度，缓存的路由构成的图至少是1-连通图。假设通过步骤(2)发现并缓存的所有路由包含的节点记为V＝{1,2,…,k},假设源节点为1，目标节点为k,则令C₁＝N(1)∪{1}，C₂＝N(k)∪{k}。令V'＝V\(V(C₁)∪V(C₂))，对任意节点j∈V'，如果|V(C₁)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|，或者|V(C₂)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|。为不失一般性，假设|V(C₁)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|成立，则令C₁＝C₁∪{j}，V'＝V\(V(C₁)∪V(C₂))，重复这个过程，直到没有满足的节点为止。如果最终则结束分簇的过程，C₁,C₂即为最终的两个簇。如果则V'重复上述过程，一直到所有节点被分到某个簇中为止。由于对路由进行分簇的过程中使用了簇内紧密簇间稀疏的指导思想进行簇的划分，所以每个簇内的数据传输有多条路径可选，而且跳数较小，从而保障数据在簇内传输的多路由和可靠性。

基于分簇的路由选择：假设所有的簇记作C₁,C₂,…,C_m，在每一个簇内进行路由选择。假设L₁,L₂,…,L_m分别是C₁,C₂,…,C_m优先选择的第一条路由，条件如下：

P(L_i)＝max{P(L)|L是簇C_i中的任意路由} 式(1)

且H(P(L_i))＝min{H(P(L))|L是簇C_i中满足式(1)的任意路由}。L₁,L₂,…,L_m之间任选一条连通概率最大的边进行簇间消息的传递。形成了簇内传输、簇间传输这样的循环结构，最终将簇内路由联合簇间路由构成了整条路由。在簇内选择路由连通概率最高且跳数最小的路由，这样保证了在短时间内路由不会失效，从而不需要进行路由的选择。即便路由失效，由于簇内的连通度较高，所以存在可替换的可用路由，保障了簇间数据的快速传递，簇间数据的传递，只需要相邻两个簇中分别选一个节点，就可以传输数据，且选择了边连通概率最高的边，从而大大提高了簇间数据传输成功的概率。总体上而言，这样的路由选择方式，以较多的占用内存和较多的计算量换取了数据传输的稳定性和及时性。

本发明从节点快速移动的特性出发，充分利用其优势，借鉴DSR的核心思想，并在路由选择的过程中避免快速移动导致的路由选择失败。因此，该发明本发明与现有技术相比，模型更符合实际环境，减少数据传输延时，提高了数据转发的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于连通概率的网络建模，通过移动自组网的位置信息和速度信息判断一定时间区间内节点与节点之间的连通概率建立概率图网络模型；

(2)利用步骤(1)建立的概率图网络模型存储邻居节点集合及与邻居节点间的连通概率，并由此根据路由发现算法MDSR通过跳数和路由连通率发现路由，返回多条路由；

(3)根据移动自组网中节点的快速移动特性，基于邻域连通性进行节点集合的分簇，按簇分区段在步骤(2)中返回的多条路由中对路由进行筛选，根据节点间的连通概率和节点及邻域间的连通性进行路由的选择，并基于选择的区段路由组合后形成一条完整的路由，最终完成数据的传输转发。

2.如权利要求1所述的基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，其特征在于，所述步骤(2)中的路由发现算法MDSR具体为：

当源节点发起路由发现时，根据步骤(1)建立的概率图网络模型，节点广播信息(ID,x,y,v)，节点根据接收广播信息发现邻居节点后计算与邻居节点间的连通概率并记录在本地，节点i的邻居节点集记作N(i)，邻居节点之间通过应答的方式形成包含从源节点到终点的路由，目的节点返回多条路由；

定义1：路由连通概率，假设路由L是由节点1,2,3,…,i构成的，p₁,p₂,…,p_i-1为L包含的边的连通概率值，则路由L的连通概率定义为

其中

P(L)＝1时说明路由上相邻两个节点之间的距离都小于通信距离；根据节点的移动速度，设定跳数的阈值H和路由连通概率的阈值P；将同时满足两个阈值的路由返回源节点，并缓存所有满足条件的路由信息；当设定的路由连通性是1时，则退化为常规路由的选择。

3.如权利要求1所述的基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，其特征在于，所述步骤(3)中基于邻域连通性进行节点集合的分簇具体为：从强连通的角度对路由进行区段划分，减少路由失效的概率；从图的连通性的角度，缓存的路由构成的图至少是1-连通图；假设通过步骤(2)发现并缓存的所有路由包含的节点记为V＝{1,2,…,k}，假设源节点为1，目标节点为k,则令C₁＝N(1)∪{1}，C₂＝N(k)∪{k}。令V'＝V\(V(C₁)∪V(C₂))，对任意节点j∈V'，如果|V(C₁)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|，或者|V(C₂)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|；为不失一般性，假设|V(C₁)∩N(j)|≥|V'∩N(j)|成立，则令C₁＝C₁∪{j}，V'＝V\(V(C₁)∪V(C₂))，重复直到没有满足的节点为止；如果最终则结束分簇的过程，C₁,C₂即为最终的两个簇；如果则V'重复上述过程，直到所有节点被分到某个簇中为止。

4.如权利要求1所述的基于邻域强连通性的移动自组网数据传输方法，其特征在于，所述步骤(3)中根据节点间的连通概率和节点及邻域间的连通性进行路由的选择，具体为：假设所有的簇记作C₁,C₂,…,C_m，在每一个簇内进行路由选择；假设L₁,L₂,…,L_m分别是C₁,C₂,…,C_m优先选择的第一条路由，条件如下：

P(L_i)＝max{P(L)|L是簇C_i中的任意路由}式(1)

且H(P(L_i))＝min{H(P(L))|L是簇C_i中满足式(1)的任意路由}；L₁,L₂,…,L_m之间任选一条连通概率最大的边进行簇间消息的传递，形成簇内传输、簇间传输的循环结构，最终将簇内路由联合簇间路由构成了整条路由。