专利名称：基于智能水滴的移动自组网路由系统及方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其将智能水滴引用到了移动自组网的路由问题中。
背景技术：
传统的网络，无论是有线网还是无线网，都需要事先铺设的基础设施才能进行通信，比如网关或路由器。但在一些特殊的情况下，不能提供预先架设的网络基础设施，却仍然对网络通信有着较高的要求，比如战场通信环境，灾难救援环境等等。针对这些特殊的应用环境，人们提出了移动自组网的概念来满足这些条件下的通信需求。移动自组网继承了一般意义无线网络的特征，并且具有很多自身独特的特点。节点之间无需电缆即可传输数据，并且共享同一媒介；移动自组网是由无线节点按需、动态组成的临时网络；自制且无需基础设施。移动自组网不依赖于任何已经存在的网络设施，无需统一的管理。每个节点以分布式点对点模式运行，每个节点独立地产生数据，并且独立的进行路由；多跳路由，移动自组网无需专门的路由器设备，每个节点都具有路由功能，并且转发来自其他节点的数据，从而使得全网范围内任意两个节点之间能够相互传输数据；移动性，每个节点都可以在与其他节点通信的同时进行移动。移动自组网由不断移动的节点组成，网络拓扑天然地具有动态特性，也就导致了节点之间的通信环境持续变化。综上所述，移动自组网摆脱了网络基础设施的限制，使得在很多应用场景中无线节点可以任意的快速创建和加入网络。但在移动自组网环境下，传统的路由协议大多不能取得很好的效果，需要提出新的针对移动自组网环境的路由协议。移动自组网路由协议的主要目的是在两个节点之间正确、高效地建立路由，使得信息能够在该对节点之间可靠快速的传递。路由的建立过程应当尽可能少的引入额外的流量开销和对带宽的消耗。现有的基于距离向量和基于链路状态的路由协议是针对静态网络环境而设计的，从而不适合应对移动自组网快速变化的网络拓扑结构，继而导致性能的下降 ，包括路由收敛速度慢，通信吞吐量低，在某些节点失效后可能产生网络环路。新的路由协议需要专门为移动自组网环境而设计，以适应其移动性的需要，并尽可能减少带宽和能量的消耗。假设智能水滴在某种环境当中流动，从起点流向某个终点。而在这一环境中，从起点到达终点的路径可能不止一条。这里所说的环境，也即实践当中需要解决的问题，可以分为两类。其一是终点已知的情形。在这种情况下，问题的解决需要按照某个标准(通常是距离)找到从起点到达终点的最佳路径。另一类问题中，终点的位置是事先不知道的。在这一类问题中，解决问题就是要依照代价或者其他问题当中定义的条件找到终点最优的位置。在自然界的实际环境里水流是连续流动的。而在抽象的智能水滴环境中，水滴是按照离散的步骤运动的。水滴从当前位置i移动到下一个位置j，其速度值的增量定义为Avelocity(IffD)。按照前文所述，该速度增量是与从位置i到位置j之间路径上的泥土量相关的。具体说来，智能水滴速度的增量Ave1city(IWD)非线性反比于从位置i到位置j之间路径上的泥土量soil (i, j)。Avelocity(IWD) ^nl.■上 、式(I)这里使用符号oc Nl来表示非线性正比关系。下面给出一种可能的表达式，其中智能水滴的速度用AVel1TO(t)来表示，它是位置i于位置j之间路径上的泥土量soil (i，j)
的函数。(2)这里的av，bv，Cv和a都是用户选定的大于0的参数。此外，由于从连接位置i和位置j的路径当中移动了部分泥土，智能水滴中携带的泥土量soil (IWD)也相应的增加。路径当中减少的泥土量和智能水滴中增加的泥土量是相等的。A soil (IffD) = A soil (i, j)式(3)而泥土的增量 非线性反比于水滴从当前位置i移动到下一位置j所需要花费的时间 time (i, j ；IWD)。
_2] —-^^式⑷—种可能的解析表达式在下面给出。其中time(i, j ；velIWD)是智能水滴以速度vel1 从位置i移动到位置j需要的时间。在这一过程中智能水滴所携带泥土的增量为:
_4] —式(5)这里as，bs，Cs和0都是大于0的参数，由用户自行定义。智能水滴由位置i移动到位置j移动的时间可以由物理学中的匀速直线运动模型计算出来。因此，智能水滴的移动时间正比于位置i到位置j之间的距离，反比于水滴的移动速度。
, d(hj) ,其中d(i，j)为位置i于位置j之间的距离，表示线性正比的关系。下面给出一种可能的解析表达形式，可以计算出智能水滴从位置i以vel 移动到位置j所需要的时间。time(i,j',velmD) = ^式⑵
vel这里没有直接使用位置i到位置j的距离d(i，j)，而是使用了更广义的本地启发函数HUD (Heuristic Undesirability)。HUD(i,j)表征了智能水滴拒绝从位置i移动到位置j的程度。而距离是水滴拒绝移动的因素之一，当位置i与位置j距离较远时，水滴的移动较为困难；而当位置i与位置j距离较近时，水滴能够更加轻易地进行移动，因此事实上d(i，j)是HUD(i，j)的特殊化情形。HUD的值能够为智能水滴对于下一位置的选择提供参考，在实际的优化问题中代表了优化依据的条件。在位置i到位置j的路径上，由智能水滴的移动而带走了一定量的泥土。用soil (i, j)代表路径当中的剩余的泥土量，它与路径中失去的泥土量，S卩Asoil(i,j)成正比:
soil(i, j) L A soil (i, j)式(8)从位置i到位置j路径当中的泥土量通过由智能水滴带走的泥土量来更新，一种可能的解析表达式为:soil (i, j) = P -soil (i, j)_p n A soil (i, j)式(9)在该表达式中P ^和P 通常是用户选择的小于I的正数。一般使得Pc^P P1Ji足以下条件:P0= 1-Pn式(10)而智能水滴中携带的泥土量soil 按照以下关系更新:soil = soil +A soil (IWD)式(11)智能水滴的另一项行为机制是在遇到多条可选路径时，会更倾向于选择泥土量较少的路径而不是泥土量较多的路径。为实现这一路径选择的机制，这里引入了均匀分布的路径选择概率。对于智能水滴可能选择的多个下一位置，每个位置以一定的概率被选择。以P(i，j ;IWD)代表智能水滴在位置i时选择j作为下一位置的概率，它与路径当中的泥土量成反比。
权利要求
1.一种基于智能水滴的移动自组网路由系统，路由发现模块，环路消除模块，路由维护模块。其中，路由表设计模块负责设计路由器的核心数据结构，包含了一系列路由信息条目，每个条目通常包括目的节点的地址、要到达目的节点而需要转发的下一跳节点地址，以及另外一些辅助进行路由选择的链路状态信息。路由发现模块是在数据传输的源节点、目的节点以及中途的所有中继节点当中构建初始的路由表。环路消除模块负责消除环路的存在。路由维护模块负责选择最优的传输路径。
2.如权利要求1所述的一种基于智能水滴的移动自组网路由系统，其特征是:所述的路由表设计模块负责设计路由器的核心数据结构，包含了一系列路由信息条目，每个条目通常包括目的节点的地址、要到达目的节点而需要转发的下一跳节点地址，以及另外一些辅助进行路由选择的链路状态信息。
3.如权利要求1所述的一种基于智能水滴的移动自组网路由系统，其特征是:所述的路由发现模块在源节点试图与目的节点建立数据连接，但是发现本地并没有与目的节点相关的路由信息时，源节点开始进行路由发现的过程。源节点生成前向的发现者包，将其中的源节点地址初始化为自身的地址，目的节点地址初始化为需要建立数据连接的目的节点地址，将本地地址记录到已经经历的节点地址列表中，而将已经经历的跳数初始化为I。接下来源节点将发现者包向其邻居节点广播出去。而邻居节点收到发现者包之后会递归地使转发过程进行下去，从而使发现者包在整个网络范围内洪泛地转发。
4.如权利要求1所述的一种基于智能水滴的移动自组网路由系统，其特征是:所述的环路消除模块，在前向发现者包和反向发现者包当中都包含了已经经历的节点列表，该列表采用堆栈的结构进行存储。发现者包每经过一个网络节点，就将该节点的地址压入节点地址列表堆栈中，并对堆栈当中的其他节点地址进行搜索。如果刚刚入栈的节点地址M已经在堆栈中出现过，则将两次出现的节点M之间的地址元素全部弹出堆栈，而堆栈当中只保留之前一次出现的节点M的地址。这就从发现者包的层面上保证了记录的路径当中不存在环路。而每个节点路由表当中的条目由且仅由发现者包在路由发现阶段进行创建，于是节点的路由表当中记录的路由信息也就相应的消除了环路的存在。
5.如权利要求1所述的一种基于智能水滴的移动自组网路由系统，其特征是:所述的路由维护模块，引入一种额外的数据包，称为智能水滴包，用来在网络节点之间传递并对所经过节点的路由表中相应条目的路径泥土量信息进行更新。首先在源节点生成智能水滴包，将其源节点地址初始化为本地地址，将目的节点地址初始化为链路的目的节点地址。水滴的速度和泥土量的值都是可以自行选择的静态参数，需要根据网络规模的大小、对算法收敛速度的要求等不 同情况进行不同的选择，但是对于同一网络中不同的智能水滴包里的这些参数应当保持一致。对于生存期参数，需要根据网络规模的大小进行设定，当网络规模较大时，生存期也应当较长；当网络规模较小时，水滴的生存期也较短。
全文摘要
本发明将智能水滴引用到了移动自组网路由中，很好的处理网络的高度动态特性和网路拓扑结构经常产生的变化。该系统由路由表设计模块，路由发现模块，环路消除模块，路由维护模块组成(见附图
)。其中，路由表设计模块负责设计路由器的核心数据结构，包含了一系列路由信息条目，每个条目通常包括目的节点的地址、要到达目的节点而需要转发的下一跳节点地址，以及另外一些辅助进行路由选择的链路状态信息。路由发现模块是在数据传输的源节点、目的节点以及中途的所有中继节点当中构建初始的路由表。环路消除模块负责消除环路的存在。路由维护模块负责选择最优的传输路径。
文档编号H04W40/24GK103228020SQ20121054371
公开日2013年7月31日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者孙学斌, 赵成林, 孙珊珊, 杨帆 申请人:北京邮电大学