CN111405489B - 一种应用于无线网络的组播树构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线网络的组播树构建方法，针对无线网状网中的节点移动以及传输链路不稳定的应用场景，提出簇首选择方法和节点重连策略，以有效提高网络中组播树的稳定性。其中簇首是根据节点的移动属性、出度和传输时延等来选择的。节点重连策略可以在组播***的功能因网络移动而受到破坏时，重新恢复组播***的功能。本发明简单有效，算法复杂度低，节点之间交互开销小。

Description

一种应用于无线网络的组播树构建方法

技术领域

本发明涉及无线网络传输技术领域，具体涉及一种应用于无线网络的组播树构建方法。

背景技术

组播又称多播，是一种一对多、多对多的网络传输服务，它是对互联网上的一对一单播模型的扩充。组播中的数据通过复制转发的传输方式向组播中的成员发送，这种复制转发数据包的传输方式可以有效地减少网络传输资源的浪费，同时降低网络和服务器的负担，因此组播构成了许多应用的基础。

在节点可移动的网络环境中，组播服务***的稳定性难以得到保障。现有的组播算法中很少专门考虑节点的移动造成的影响。因此，目前亟待针对无线网状网的节点移动以及传输链路不稳定的应用场景，提出了一种应用于无线网络的组播树构建方法。

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，提供一种应用于无线网络的组播树构建方法，以提高通信网络，特别是无线网状网中的节点移动以及传输链路不稳定的场景下，组播***的稳定性。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种应用于无线网络的组播树构建方法，该方法针对的应用场景如下：无线网络中的节点或部分节点具有可移动性，每个节点按区域或设定的关系划分到某个簇，每个簇有一个簇首，组播树在簇首之间构建，所述的组播树构建方法包括如下步骤：

S1、计算节点的非稳定度，为每个簇选举簇首和备用簇首；

S2、簇内节点通过发送握手信息建立连接，构建簇内传输路径；

S3、在簇首间根据传输路径的跳数、时延、带宽、安全性和误码率中的一个或多个参数，以加权和或根据要求逐项参数匹配的方式，选择簇首构建组播树；

S4、根据拓扑的连通性，采取节点重连策略，提高组播树的稳定性；

S5、在无线网络运行过程中，交换网络和自身节点间的状态信息，动态调整和维护连接关系。

进一步地，所述的步骤S1过程如下：

根据节点的移动属性、出度和传输时延，计算节点的非稳定度，然后基于节点的非稳定度，选举簇首和备用簇首。现有的组播算法中，选举簇首及备用簇首的方法，有些只考虑了簇内节点间的距离，有些只考虑了节点的出度及传输时延，或者是只考虑了节点的移动性，而没有综合考虑节点的移动性、出度及传输时延对组播服务带来的影响。在节点可移动的网络场景下，如果没有考虑节点的移动性，推举出的簇首可能是非常不稳定的节点；但是只考虑节点的移动性，没有考虑节点的出度和传输时延，这种情况下选举出的簇首的转发能力和传输效率可能会满足不了需求。本发明选择簇首的方法，充分考虑了节点的移动性、数据转发能力和传输时延等因素，在节点可移动的情况下，保证数据传输的可靠性和高效性。

进一步地，所述的非稳定度的定义为：

其中，V为拓扑图的节点集合，α,β是[0,1]之间的平衡系数，deg_adj(i)为节点i及其邻节点的出度之和，deg(j)为节点j的出度，NS(j)为节点j上所有链路的链路失效时间之和，NS(i)为节点i上所有链路的链路失效时间之和，即：

链路失效时间简称LET，其定义基于链路两端节点的移动属性和节点i与相邻节点j的有效通信距离，用于预测该链路的剩余有效时间，其中，移动属性包括移动速度、移动方向和坐标，LET(i,j)按照下式计算：

其中，b＝x_i-x_j，d＝y_i-y_j，a＝v_i cosθ_i-v_j cosθ_j，c＝v_i sinθ_i-v_j sinθ_j，(x_i,y_i)、(x_j,y_j)分别为节点i、j的二维空间坐标，v_i、v_j分别为节点i、j的移动速度值，θ_i、θ_j分别为节点i,j的移动方向，0≤θ_i,θ_j≤2π，R为节点的有效通信距离，NS(j)为节点j上所有链路的链路失效时间之和,δ(i)为以节点i为源节点，其余节点为目的节点的传输路径d(i,j)的传输时延之和，即：

δ(j)为以节点j为源节点，其余节点为目的节点的传输路径d(j,k)的传输时延之和,即:

进一步地，若两个节点间有多条传输路径，取两个节点间所有传输路径时延的平均值为传输时延。

进一步地，所述的组播树中包含分叉点，以减少组播树的冗余路径。

进一步地，所述的节点重连策略的规则包括：簇内的节点如果发现某个或某些邻居节点不可达，即向邻居节点发送握手报文，请求建立链路；收到握手报文的节点根据自身的最大节点度和出度，判断是否可以与该节点搭建链路，分为以下情况：

(1)若收到握手报文的节点的出度小于最大节点度，则向发送握手报文的节点响应握手报文，表示可以搭建链路；

(2)若收到握手报文的节点的出度等于最大节点度，尝试断开节点的某条不影响节点通信的链路，使节点的出度小于最大节点度，若链路断开成功，则向发送握手报文的节点响应握手报文，搭建链路；

当节点收到握手报文后，需向发送报文的节点响应握手报文，然后与该节点搭建链路，若节点在时间T内没有收到响应，则继续发向簇内节点发送握手报文，若在预设的尝试次数失败后，则放弃重连；若链路搭建成功，判断是否能与同一簇内的所有其它节点可达，分为以下情况：

(1)节点能够与同一簇内的所有其它节点通信，节点重连成功，节点重连过程结束；

(2)节点仍不能够与同一簇内的所有其它节点通信，此时节点应通知与其搭建新链路的节点采取节点重连策略，重复以上过程，直至节点重连成功。

基于本发明构建的组播树，在无线网络的节点移动的场景下，提升了组播树的稳定性，降低了组播树的传输时延。由于本发明选举簇首的方法考虑了节点的移动性，因此降低了节点移动性对组播服务稳定性影响，并且本发明的节点重连策略，在组播服务因节点的移动而受到影响时，会尽可能地恢复组播服务功能，因此提升了组播树的稳定性。本发明将网络中的节点分层分簇，提升了组播数据的转发效率；同时在选举簇首的方法中考虑了节点的出度及传输时延，因此降低了组播树的传输时延。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明在通信网络，特别是针对无线网状网中的节点移动以及传输链路不稳定的应用场景，通过保证簇首的稳定性，从而提高了组播树的稳定性。

2、本发明在动态的无线网状网的应用场景下，设计了节点重连策略，进一步提高了组播树的稳定性。

3、本发明简单有效，算法复杂度低，节点之间交互开销小。

附图说明

图1是本发明公开的应用于无线网络的组播树构建方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中构建的组播树示意图；

图3是本发明实施例中脱离的节点尝试重连的情况1示意图；

图4是本发明实施例中脱离的节点尝试重连的情况2示意图。

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

一种应用于无线网络的组播树构建方法，无线网络中的无线节点自组织构成无线网状网，将所有节点按照区域或者设定的关系进行分层分簇。根据节点的移动属性、出度和传输时延，计算节点的非稳定度。基于节点的非稳定度，为每个簇选举簇首和备用簇首。簇内节点通过发送握手信息建立连接，从而构建簇内传输路径。簇内传输路径构成第一层传输网络，簇首以广播或传统组播的方式向簇内成员发送信息。所有簇首构成第二层传输网络，在网络中依规则或由专门的控制节点选择任意一个簇首作为组播源，在簇首间搭建虚链路，构建组播树。通过采取节点重连策略，提高组播树的稳定性。具体实现步骤如下：

基于节点i的移动属性、出度和传输时延等，计算节点i的非稳定度P(i)，该值越小，说明越稳定。非稳定度最小的节点被推举为簇首，次小节点被推举为备用簇首。

非稳定度的定义为：

其中，V为拓扑图的节点集合，α,β是[0,1]之间的平衡系数，deg_adj(i)为节点i及其邻节点的出度之和，deg(j)为节点j的出度，NS(j)为节点j上所有链路的链路失效时间之和，NS(i)为节点i上所有链路的链路失效时间之和，即：

链路失效时间简称LET，其定义基于链路两端节点的移动属性和节点i与相邻节点j的有效通信距离，用于预测该链路的剩余有效时间，其中，移动属性包括移动速度、移动方向和坐标，LET(i,j)按照下式计算：

其中，b＝x_i-x_j，d＝y_i-y_j，a＝v_i cosθ_i-v_j cosθ_j，c＝v_i sinθ_i-v_j sinθ_j，(x_i,y_i)、(x_j,y_j)分别为节点i、j的二维空间坐标，v_i、v_j分别为节点i、j的移动速度值，θ_i、θ_j分别为节点i,j的移动方向，0≤θ_i,θ_j≤2π，R为节点的有效通信距离，NS(j)为节点j上所有链路的链路失效时间之和,δ(i)为以节点i为源节点，其余节点为目的节点的传输路径d(i,j)的传输时延之和，即：

δ(j)为以节点j为源节点，其余节点为目的节点的传输路径d(j,k)的传输时延之和，即:

若两个节点间有多条传输路径，可以某种加权和的方式定义传输时延，本实施例中取传输路径时延的平均值。

因为簇内节点可以通过信息交互方式得到相应的数据，通过在各个节点内的计算，就可以确定自行推举出簇首；簇首的确定也可由网络专门的控制节点计算指定。簇首推举或指定完毕之后，开始构建组播树。由网络中专门的控制节点选择某一个簇首作为组播源，通过在簇首之间搭建虚链路，形成组播树。实际的情况中，为减少组播树中的冗余路径，组播树中可能会存在一些分叉点，所谓分叉点是簇间组播信息传播过程中经历的、多于两个组播信息端口(入口/出口)但又非簇首的节点。如图2所示的组播树，其中的虚线表示簇首间的传输路径，并非簇首的节点k就是一个分叉点。

由于网络时刻处于动态之中，节点间的链路可能会因为节点位置移动导致信道特性的变化，或者导致节点间的距离过大，超出了节点的有效通信距离而断开，从而影响簇与簇之间的正常通信。同时，考虑节点的带宽是有限的，因此需要为每个节点添加度约束，本发明中实现度约束的方式是为每个节点设定一个最大的出度。节点的度约束亦会影响节点间的正常通信。而且网络中可能会有节点离开或者加入，节点的离开可能会导致某些正常工作的节点无法互相通信。新加入的节点需要与周围节点建立通信。

上述各种因素都会影响组播树的稳定性，甚至导致组播树无法构建或原来构建好的组播树失效，影响节点间的正常通信。为了进一步地提高组播树的稳定性，本实施例制定了节点重连策略。节点重连策略的描述如下：

为了知悉节点是否处于工作状态以及节点间是否处于可通信状态，所有节点需要周期性地向其一跳邻居发送心跳包。节点根据其接收心跳包的状况(包括收到或收不到)，检测是否与同一簇内的某个节点或者某些节点不可达。簇内的节点如果发现某个或者某些邻居节点不可达(在预设的时间内没有收到心跳包)，即向邻居节点发送握手报文，请求建立链路。收到握手报文的节点根据自身的最大节点度和出度判断，是否可以与该节点搭建链路，分为以下情况：

(1)若收到握手报文的节点的出度小于最大节点度，则向发送握手报文节点发送响应握手的报文，表示可以搭建链路。

(2)若收到握手报文的节点的出度等于最大节点度，采取下文的“断开策略”，尝试断开节点的某条不影响节点通信的链路，使节点的出度小于最大节点度。若链路断开成功，则向发送握手报文的节点响应握手报文，搭建链路。

当节点收到握手报文后，亦需向发送报文的节点响应握手报文，然后与该节点搭建链路。若节点在时间T内没有收到响应，则继续发向簇内节点发送握手报文。若在预设的尝试次数失败后，则放弃重连。若链路搭建成功，判断是否能与同一簇内的所有其它节点可达，分为以下情况：

(1)节点能够与同一簇内的所有其它节点通信，节点重连成功，节点重连过程结束。

(2)节点仍不能够与同一簇内的所有其它节点通信，此时节点应通知与其搭建新链路的节点采取节点重连策略。重复以上过程，直至节点重连成功。

正如上文中所述，节点重连过程中，可能会因为节点的度约束受到影响，此时应采取以下断开策略，保证节点重连过程的开展，断开策略主要用于以下两种情况：

情况1：某一簇的节点n，依赖节点m来与簇内其它节点保持可通信状态，但节点m的度已经是最大值。

处理策略：

(1)尝试断开节点m与簇内其它节点的某条链路，若该链路的断开，不会影响节点m及簇内其余节点的正常通信，则确认断开该链路。若节点m不存在这种链路，则采用策略(2)。

(2)尝试断开节点m的某条簇间链路。若节点m存在多条簇间链路，并且断开某条簇间链路不会影响簇与簇之间的正常通信，则断开该链路。若节点m不存在这种链路，或者节点m仅有一条簇间链路，则无论是否会影响簇间的通信，都断开该链路。这种做法是为了优先保证簇内节点间的正常通信。

如图3所示，节点n因与其它节点的距离过大，而只能与节点m尝试建立链路，即节点n依赖与节点m的链路来保持其与簇内其余节点的通信，若节点m的最大度为3，则因为度约束，节点m无法与节点n建立链路，此时节点m应断开与节点k的链路，再与节点n建立链路。与节点k的链路断开，不会影响节点n及簇内其它节点的正常通信。

情况2：节点n需要与其相邻簇的节点m相联，才能保证簇间正常通信，而节点m的度已达最大值。

处理策略：节点m应尝试断开其某一条链路(簇内或簇间链路)，若断开该链路后，不会影响节点m、簇内其它节点及簇间的正常通信，则确认断开该链路，并与节点n建立链路。

如图4所示，若节点n须与节点m建立链路，才能保证簇间的正常通信，而节点m已达最大度3，则节点应断开与节点k的链路，与节点n建立链路。与节点k断开链路，并不会影响节点m及其簇内的其余节点的正常通信。

由于节点可能向多个节点发送了申请重连的握手报文，因此，可能会有多个节点响应握手报文，则节点在接收握手报文时有多种状态：

(1)若该节点在接收到接受重连的握手报文时，已经与簇内的某一节点成功搭建了新链路，则丢弃该报文。

(2)若节点在接收到接受重连的握手报文时，正在与簇内的某一节点搭建新链路，则丢弃该报文。

(3)若节点在接收到接受重连的握手报文时处于空闲状态，则向该节点响应握手报文，并搭建新链路。

至此，本实施例公开应用于无线网络的组播树构建方法的流程结束。

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 (4)

1.一种应用于无线网络的组播树构建方法，该方法针对的应用场景如下：无线网络中的节点或部分节点具有可移动性，每个节点按区域或设定的关系划分到某个簇，每个簇有一个簇首，组播树在簇首之间构建，其特征在于，所述的组播树构建方法包括如下步骤：

S1、计算节点的非稳定度，为每个簇选举簇首和备用簇首，过程如下：

根据节点的移动属性、出度和传输时延，计算节点的非稳定度，然后基于节点的非稳定度，选举簇首和备用簇首，其中，所述的非稳定度的定义为：

其中，V为拓扑图的节点集合，α,β是[0,1]之间的平衡系数，deg_adj(i)为节点i及其邻节点的出度之和，deg(j)为节点j的出度，NS(j)为节点j上所有链路的链路失效时间之和，NS(i)为节点i上所有链路的链路失效时间之和，即：

链路失效时间简称LET，其定义基于链路两端节点的移动属性和节点i与相邻节点j的有效通信距离，用于预测该链路的剩余有效时间，其中，移动属性包括移动速度、移动方向和坐标，LET(i,j)按照下式计算：

其中，b＝x_i-x_j，d＝y_i-y_j，a＝v_icosθ_i-v_jcosθ_j，c＝v_isinθ_i-v_jsinθ_j，(x_i,y_i)、(x_j,y_j)分别为节点i、j的二维空间坐标，v_i、v_j分别为节点i、j的移动速度值，θ_i、θ_j分别为节点i,j的移动方向，0≤θ_i,θ_j≤2π，R为节点的有效通信距离，NS(j)为节点j上所有链路的链路失效时间之和,δ(i)为以节点i为源节点，其余节点为目的节点的传输路径d(i,j)的传输时延之和，即：

δ(j)为以节点j为源节点，其余节点为目的节点的传输路径d(j,k)的传输时延之和,即:

S2、簇内节点通过发送握手信息建立连接，构建簇内传输路径；

S3、在簇首间根据传输路径的跳数、时延、带宽、安全性和误码率中的一个或多个参数，以加权和或根据要求逐项参数匹配的方式，选择簇首构建组播树；

S4、根据拓扑的连通性，采取节点重连策略，提高组播树的稳定性；

S5、在无线网络运行过程中，交换网络和自身节点间的状态信息，动态调整和维护连接关系。

2.根据权利要求1所述的一种应用于无线网络的组播树构建方法，其特征在于，若两个节点间有多条传输路径，取两个节点间所有传输路径时延的平均值为传输时延。

3.根据权利要求1所述的一种应用于无线网络的组播树构建方法，其特征在于，所述的组播树中包含分叉点，以减少组播树的冗余路径。

4.根据权利要求1所述的一种应用于无线网络的组播树构建方法，其特征在于，所述的节点重连策略的规则包括：簇内的节点如果发现某个或某些邻居节点不可达，即向邻居节点发送握手报文，请求建立链路；收到握手报文的节点根据自身的最大节点度和出度，判断是否可以与该节点搭建链路，分为以下情况：

(1)若收到握手报文的节点的出度小于最大节点度，则向发送握手报文的节点响应握手报文，表示可以搭建链路；

(2)若收到握手报文的节点的出度等于最大节点度，尝试断开节点的某条不影响节点通信的链路，使节点的出度小于最大节点度，若链路断开成功，则向发送握手报文的节点响应握手报文，搭建链路；

当节点收到握手报文后，需向发送报文的节点响应握手报文，然后与该节点搭建链路，若节点在时间T内没有收到响应，则继续发向簇内节点发送握手报文，若在预设的尝试次数失败后，则放弃重连；若链路搭建成功，判断是否能与同一簇内的所有其它节点可达，分为以下情况：

(1)节点能够与同一簇内的所有其它节点通信，节点重连成功，节点重连过程结束；

(2)节点仍不能够与同一簇内的所有其它节点通信，此时节点应通知与其搭建新链路的节点采取节点重连策略，重复以上过程，不断尝试直至节点重连成功。

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