CN110752987B - 基于社区的船舶网络路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于社区的船舶网络路由方法，具体涉及海洋船舶自组网络的数据传输技术领域。该方法根据船舶历史航行信息计算出船舶间的社交关系并以此来构建船舶社交网络，根据船舶社交网络信息中反映出的船舶间相遇概率指导路由的下一跳选择。该路由方法主要包括以下步骤：首先船舶上传历史和实时的航行信息到船联网中，生成船舶间社交熟悉度构成的船舶社交网络。其次，将船舶社交网络划分为一个个社区，并计算每条船在不同社区间的通信中介能力。最后船舶会选择与目标船只同一社区或对目标社区通信能力更强的船舶作为下一跳，本路由协议在保证了传输成功率和传输时延的基础上大大降低了传输代价，十分适合船舶自组织网络。

Description

基于社区的船舶网络路由方法
技术领域
本发明涉及海洋船舶自组网络的数据传输技术领域，具体涉及一种基于社区的船舶网络路由方法。
背景技术
海洋船舶无线自组织网络通信技术是海洋物联网、智慧海洋工程、海洋渔业建设，以及国际海洋货物运输发展的核心技术和重要保障。当前海洋离岸船舶的无线通信方式主要包括近岸蜂窝网无线通信、海事通信卫星、中频/高频/甚高频无线电通信、单边带无线通信、渔用对讲机等。船舶无线自组织网络，作为一种新型海洋船舶无线通信技术，具有低成本、高效率、高可靠性、高灵活性等优势，吸引了各国学术界和工业界的研究开发人员开展了广泛而深入的技术研究和***开发。
现有海洋船舶无线通信方式的特点以及局限性主要集中在覆盖范围、部署成本、通信费用、通信速率及带宽、通信稳定性等方面。首先，近海作业的渔船、入港的货船等船舶可以通过手机接入近岸蜂窝基站进行通信，但是岸基蜂窝无线通信的覆盖范围仅能达到离岸约10海里或15公里的距离之内，不能支持远海渔船或远洋货轮的实时通信。第二，基于海事通信卫星或者移动通信卫星的通信方式具有覆盖范围广、实时性强的优点，但是通信费用高昂，且通信带宽较小，较常用于紧急状况下的通信。第三，中高频无线电通信方式，其通信距离从几十海里到几百海里不等，但是其通信质量较差，主要为单向通信，且需要配备专门的无线电收发装置，依赖专业的操作人员按照规范操作，普遍应用于大吨位的远洋船舶、货轮的海洋交通管理***中，如船舶自动识别***等。第四，单边带无线通信，相较于中高频无线电通信，提高了抗干扰能力和通信质量，但是通信设备更加复杂，盲区较大，语音通信的双方也无法同时讲话。最后，渔用对讲机是一类成本低廉、配备和使用灵活方便、通信距离有限的通信方式，主要用于渔船编队内的本地即时通信。总结来看，现有的海洋船舶无线通信方式无法满足当前不同种类的海洋船舶日益增长的不同类型的通信需求，尤其在通信的低成本、高带宽、即时性、稳定性、灵活性等方面还存在着巨大的差距。船舶无线自组织网络，是无线移动自组织网络的一类实例，和车辆自组织网络、移动传感器网络等类似。船舶无线自组织网络技术的主要研究内容为，基于移动节点之间的有限距离的无线通信能力、以分布式计算的方式、自组织地完成高效可靠的多跳数据传输、实现全网的节点定位/数据路由/异常检测/环境监控等各类网络应用目标。船舶无线自组织网络技术具有部署及通信成本低廉、通信效率高、覆盖范围广、应用灵活等优点。
当前的船舶自组织网络路由算法的研究基本属于空白，相关研究没有基于真实的船舶轨迹数据，多数采用仿真器模拟船舶的运动，实现简单的路由仿真。没有研究针对性的分析船舶网络的特性，更没有针对船舶自组织网络的路由算法。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种通过深入分析船舶的轨迹数据，挖掘出船舶之间内在的社交联系，构建船舶社交网络，通过划分船舶社交社区，缩小数据包传输范围，的基于社区的船舶网络路由方法。
本发明具体采用如下技术方案：
基于社区的船舶网络路由方法，包括以下步骤：
步骤1：船舶通过相遇时的通信分布式上传航行信息和与其他船舶的相遇信息；
步骤2：船舶网络平台根据船舶上传的航行信息和船舶间相遇信息计算船舶间的社交熟悉度F(a，b)，具体计算式如式(1)所示：
Figure GDA0003149775620000021
Figure GDA0003149775620000022
其中，
Figure GDA0003149775620000023
表示两条船相遇时的状态所对应的权重，当船a与船b相遇时都处在捕鱼状态时，则此相遇状态对a和b两条船之间的社交关系增益为α，当船a与船b相遇时都在航行则社交增益为β，如果两者相遇时状态不一样时，社交增益为γ，T表示两条船一段时间内总的相遇次数，τ表示某一相遇的持续时间；
步骤3：以船舶为节点，以船舶间的社交熟悉度F(a，b)为边的权重，构建船舶社交网络；
步骤4：利用社区检测算法Louvain算法将船舶社交网络划分为一个个社区；
步骤5：计算船舶社区网络中所有的船舶节点相对于任意两个社区间的中介中心性，社区间的中介中心性代表了船舶作为社区间通信的重要性的特征；
步骤6：船舶能够实时访问当前的船联网中每条船的中介性的情况以及每条船的社区归属情况；
步骤7：当一艘携带数据包的船舶遇到一艘船舶时，首先与目标船舶通信以交换各自携带的数据包的情况，当对方没有自己携带的数据包时，则开始判断是否转发程序。
优选地，所述步骤7中判断是否转发的过程为：首先判断对方是数据包的目的船舶，如果是则转发，数据包投递成功；如果对方不是目的船舶则判断其是否与目的船舶属于同一个社区，如果是，则转发；否则，则判断对方对目的船舶所在社区的中介中心性的值是否比自身到目的社区的值大，如果大，则转发，否则不转发。
优选地，船舶间的社交网络构建需要以船舶为节点，以船舶间的社交熟悉度为边。
优选地，船舶间的社交熟悉度需要计算船舶之间的历史相遇情况，包括相遇时的时间戳，相遇时的位置，相遇时两条船的状态，相遇时两条船的速度以及持续时间。
本发明具有如下有益效果：
该基于社区的船舶网络路由方法将社交网络分析理论引入船舶自组织网络分布式路由方法设计的中，基于大规模的真实海洋船舶航行GPS轨迹记录挖掘和验证现实船舶网络中社交特征的存在和特点，并将其应用于分布式多播路由问题中，提高船舶自组织网络中多播数据通信的综合传输性能；
与传统路由方法所依据的轨迹预测、位置贪心、实时拓扑发现、随机游走、洪泛等原理相比，船舶网络的社交特征更能反映网络中深层次的长期稳定的交互规律和发展趋势，因而具有高可靠性和实用性，更适用于提高数据路由的综合性能；
该路由方法根据船舶网络设计，非常契合船舶自组织网络的路由；
本发明的路由方法抛弃了传统路由的思路，不需要事先建立传输拓扑，同时也不需要维护和重建传输拓扑，排除了由此带来的维护代价，在保证传输成功率和传输延时的基础上能够大大降低传输代价。
附图说明
图1为船舶自组织网络示意图；
图2为基于社区的船舶自组织网络路由方法示意图；
图3为五种路由方法在传输代价上的比较；
图4为五种路由方法在传输时延上的比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
基于社区的船舶网络路由方法，包括以下步骤：
步骤1：船舶通过相遇时的通信分布式上传航行信息和与其他船舶的相遇信息；
步骤2：船舶网络平台根据船舶上传的航行信息和船舶间相遇信息计算船舶间的社交熟悉度F(a，b)，具体计算式如式(1)所示：
Figure GDA0003149775620000041
Figure GDA0003149775620000042
其中，
Figure GDA0003149775620000043
表示两条船相遇时的状态所对应的权重，当船a与船b相遇时都处在捕鱼状态时，则此相遇状态对a和b两条船之间的社交关系增益为α，当船a与船b相遇时都在航行则社交增益为β，如果两者相遇时状态不一样时，社交增益为γ，T表示两条船一段时间内总的相遇次数，τ表示某一相遇的持续时间；
步骤3：以船舶为节点，以船舶间的社交熟悉度F(a，b)为边的权重，构建船舶社交网络；利用历史的船舶航行记录计算出船舶间的社交熟悉度，并据此构建船舶社交网络，将船舶社交网络划分成一个个船舶社区，根据邻近船舶与目标船舶所在社区的关系决定是否转发数据包。船舶间的社交网络构建需要以船舶为节点，以船舶间的社交熟悉度为边。船舶间的社交熟悉度需要计算船舶之间的历史相遇情况，包括相遇时的时间戳，相遇时的位置，相遇时两条船的状态(航行，捕鱼，停泊等)，相遇时两条船的速度以及持续时间。
步骤4：利用社区检测算法Louvain算法将船舶社交网络划分为一个个社区；
步骤5：计算船舶社区网络中所有的船舶节点相对于任意两个社区间的中介中心性，社区间的中介中心性代表了船舶作为社区间通信的重要性的特征；
判断船舶相对于两个社区的中介通信能力的指标——中介中心性，是指船舶网络中的某一个船舶相对于某两个社区之间的。
步骤6：船舶能够实时访问当前的船联网中每条船的中介性的情况以及每条船的社区归属情况；
步骤7：当一艘携带数据包的船舶遇到一艘船舶时，首先与目标船舶通信以交换各自携带的数据包的情况，当对方没有自己携带的数据包时，则开始判断是否转发程序。
判断是否转发的过程为：首先判断对方是数据包的目的船舶，如果是则转发，数据包投递成功；如果对方不是目的船舶则判断其是否与目的船舶属于同一个社区，如果是，则转发；否则，则判断对方对目的船舶所在社区的中介中心性的值是否比自身到目的社区的值大，如果大，则转发，否则不转发。
图1为展示船舶自组织网络在海上的通信情景。每艘船携带可以通讯的无线设备，此无线设备有一定的通信半径。当两艘船接近到一定的距离时，两条船即可以通信，进行后续判断是否需要交换数据报等操作。比如船舶s想要与船舶d进行通信，但是距离太远，但是船舶s目前可以与e通信，于是可以将数据包传递给e，在由e将数据包继续传递下去，直到遇见了船舶d。
图为2展示了本发明设计的基于社区的船舶自组织网络路由方法的工作原理图。船舶Vs2为有通信需求的源节点，其产生了一个数据包需要传输给船舶Vd2。源节点Vs2其通信半径内有两艘船Vd和Vc，可以帮其传播数据包，但是经过本发明的方法的判断，船舶Vd经常作为与目标船只Vd2所在的社区进行通信的情况，即船舶Vd对目标社区C1有更高的中介中心性的值。所以船舶会将数据包传递给Vd，然后由船舶Vd将数据尽快的传递到目标社区C1。当数据包被传递到目标的社区中后，数据包就会在社区内的所有成员间传递，直到找到目标船只Vd2。
图3为展示了五种路由方法(随机行走RW，位置贪心Greedy，洪泛式Flooding，基于社交熟悉度的路由方法FBR，本发明基于社区的路由方法CBR)在传输代价上的比较，其中本发明方法简称CBR效果比经典的洪泛式和随机行走有明显优势，显著的降低了传输代价。
图4为展示了五种路由方法在传输时延上的比较，其中本发明方法简称CBR效果表现出了与最快的洪泛式基本相同的时延效果。说明了本方法在在保证了比较快的传输性能的情况下，还显著的降低了传输的代价，这也正是本发明的目标和优势所在。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于社区的船舶网络路由方法，包括以下步骤：
步骤1：船舶通过相遇时的通信分布式上传航行信息和与其他船舶的相遇信息；
步骤2：船舶网络平台根据船舶上传的航行信息和船舶间相遇信息计算船舶间的社交熟悉度F(a，b)，具体计算式如式(1)所示：
Figure FDA0003149775610000011
Figure FDA0003149775610000012
其中，
Figure FDA0003149775610000013
表示两条船相遇时的状态所对应的权重，当船a与船b相遇时都处在捕鱼状态时，则此相遇状态对a和b两条船之间的社交关系增益为α，当船a与船b相遇时都在航行则社交增益为β，如果两者相遇时状态不一样时，社交增益为γ，T表示两条船一段时间内总的相遇次数，τ表示某一相遇的持续时间；
步骤3：以船舶为节点，以船舶间的社交熟悉度F(a，b)为边的权重，构建船舶社交网络；
步骤4：利用社区检测算法Louvain算法将船舶社交网络划分为一个个社区；
步骤5：计算船舶社区网络中所有的船舶节点相对于任意两个社区间的中介中心性，社区间的中介中心性代表了船舶作为社区间通信的重要性的特征；
步骤6：船舶能够实时访问当前的船联网中每条船的中介性的情况以及每条船的社区归属情况；
步骤7：当一艘携带数据包的船舶遇到一艘船舶时，首先与相遇的船舶通信以交换各自携带的数据包的情况，当对方没有自己携带的数据包时，则开始判断是否转发数据包；
所述步骤7中判断是否转发的过程为：首先判断对方是否为数据包的目的船舶，如果是则转发，数据包投递成功；如果对方不是目的船舶则判断其是否与目的船舶属于同一个社区，如果是，则转发；否则，则判断对方对目的船舶所在社区的中介中心性的值是否比自身到目的社区的值大，如果大，则转发，否则不转发。
2.如权利要求1所述的基于社区的船舶网络路由方法，其特征在于，船舶间的社交熟悉度需要计算船舶之间的历史相遇情况，包括相遇时的时间戳，相遇时的位置，相遇时两条船的状态，相遇时两条船的速度以及持续时间。
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