专利名称：：稀疏ad-hoc网络中基于多目标优化的势场路由算法的制作方法稀疏ad-hoc网络中基于多目标优化的势场路由算法本发明是一种应用于稀疏ad-hoc网络的新型路由算法。属于无线通信和信息传播
技术领域：
。Ad-hoc网络是随着无线通信技术快速发展而出现的一种新型网络，是一种没有有线基础设施支持的移动网络。网络中的节点由移动主机构成，具有动态变化的网络拓扑结构，有限的主机能源，有限的无线通信带宽等特点。由于每个节点的网络覆盖范围有限，若两个相距较远的节点要进行通信，则需要通过它们之间的中继节点协助建立路由。Ad-hoc网络中的路由主要包含先验式与按需式两大类，这两类路由的工作均有一个前提源端与目的端在信息交互时间段内必须有端到端的完整路由。若整个网络中节点数目有限，使得构成的稀疏ad-hoc网络很难保证端到端在信息交互时间段内有完整的路由。此时，通常的ad-hoc路由协议无法在稀疏工作环境中正常工作，必须要有一种适合稀疏工作环境的路由协议。相对于完全连接的ad-hoc网络而言，对于稀疏ad-hoc网络路由技术的研究还比较少，目前的研究主要有两大类泛洪类协议与转发类协议。泛洪类协议主要是Epidemic及其变种。在文献AminVahdatandDavidBecker.Epidemicroutingforpartiallyconnectedadhocnetworks,TechnicalReportCS-2000-06,DukeUniversity,July2000中，消息的多个拷贝在随机运动的节点间扩散，并最终到达目的端，其优点是不需要网络任何知识，协议性能是以网络资源如缓存或带宽足够大为条件，协议能适合的网络规模及消息数量受到极大限制。文献MircoMusolesiandCeciliaMascolo,Controlledepidemicstyledisseminationmiddlewareformobileadhocnetworks,Technicalr印ort，CS-UCLReasearchNote,Mar.2006对Epidemic进行了改进，力图提高消息转发成功率，并减少对网络资源的占用。
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背景技术：
转发类协议的思路是使用运动受控节点来实现对信息的转发。在文献WenruiZhao,MostafaAmmar，etc.,Controllingthemobilityofmultipledatatransportferriesinadelay-tolerantnetwork,InProceedingsofthe24thIEEEConferenceonComputerCommunications(INFOCOM'5),Mar.2005中，利用一个或多个节点在预先确定的路径上给某个节点运载消息。文献AndersLindgrenandKaustubhS.Phanse,Evaluationofqueueingpoliciesandforwardingstrategiesforroutinginintermittentlyconnectednetworks,InProceedingsoftheFirstInternationalConferenceonCommunicationSystemSoftwareandMiddleware(COMSWARE'6),Jan.2006提出了根据节点运动规律，采用概率论的方法确定最有可能转发数据的节点。专利EP20040019966TanK叫ZhangQian，ZhuWenwu，Metaspace:communicationmiddlewareforpartiallyconnectedmobileadhocnetworks提出利用移动节点缓存来转发消息，采用中间件机制完成分离网络间的连接转发。在专利CN1741501A张天乐，李忠诚，刘敏等，部分连接的无线网络组关系路由系统与方法中，提出使用组关系来标记路径特征，并作为路由过程的指导依据。
发明内容本发明的目的是解决在稀疏ad-hoc网络中的有效路由建立，实现数据的可靠传输。由于在稀疏ad-hoc网络中，节点之间的距离较远，建立完整路由难度大，本发明通过摆渡节点来运载信息。摆渡传输包含三个阶段路由查寻阶段、摆渡节点与链路确定阶段、摆渡实施阶段。路由查寻阶段利用势场法有效控制路由查寻分组的传播方向，保证其始终朝着目的节点(数据中心)的方向传输，完成与目的节点尽可能近的所有不完整路由的査寻。本发明通过分级择优方式，实现摆渡节点及通信链路的联合确定。首先，某链路势能最小节点以节点剩余能源，移动方向，和目的节点连接概率确定候选摆渡节点集，然后路由发起节点以链路选择参数和节点选择参数为依据，从候选摆渡节点集中确定最优摆渡节点。摆渡实施阶段由所选摆渡节点实施运载控制，并基于所选不完整链路完成信息交互。主要功能模块如图l所示。图l中，摆渡启动完成初始化工作，当检测到路由中断时间超过某阈值时启动不完全连接路由査寻功能；在路由查寻中，査寻所有与路由发起节点相连但与目的节点尽可能近的不完全连接路由，在此过程中，路由分组的传播方向受势场控制。节点选择模块指收到路由査寻分组的势能最小节点根据节点选择参数完成候选摆渡节点集的选择。节点与链路优化选择模块指路由查寻发起节点根据节点选择参数与链路优化参数完成节点与链路的最优化选择，当某节点发送路由査寻分组后，在路由等待时间内收到了某些节点的应答信息，则根据预定的评估算法得到最优的"摆渡节点+链路"组合。相反，若在有限时间内该节点没有收到任何路由应答，则自身作为摆渡节点实现数据有效传输。网络中节点是否响应其收到的路由査寻分组受到摆渡节点优化目标以及自身势能大小的限制。本发明的主旨是在稀疏ad-hoc网络中，源/目节点之间无完整可用路由情况下，ffiil最优的摆渡节点与传输链路组合实现源/目节点之间的可靠通信。1、控制及目标优化算法(l)"势场"控制在整个网络中，假设存在一个数据中心(一般是调动控制台)，其位置对于网络中其它节点是已知的，它接收其它节点传输而来的各种业务数据，供用户进行测控分析。其它移动节点具有一定的智能性，能够检测到一定距离范围内的障碍物。引入"势场"是为了控制路由发起节点所发送路由查寻分组(RSD)的传播方向，使得路由分组在网络中具有方向认知能力。可利用GPS定位技术确定各个节点距离数据中々距离的远近，将该距离作为势能/7jeW的参数。将数据中心所在位置作为零势点，节点到达数据中心的距离越远，说明节点越远离零势点，则节点所处位置的势能越高。如图2所示，位置Lw，Lj，L3，L2，k所对应的势能逐渐减小，即Ui+户Ui〉U户U户Ut。由于数据中心的相对势场位置在某次任务期间一般不变，在网络初始化阶段，网络中各个节点可以获得数据中心的确切位置。因此，节点此后将不再需要和数据中心交换位置信息，即可计算出自身所处位置的势能大小，以满足稀疏ad-hoc网络中应尽可能减少不必要信息交换的要求。其次，由于势能值越小的节点距离数据中心越近，其完成路由建立的6概率就越大。由于根据多目标优化策略选择最优摆渡节点，为体现势能参数对摆渡节点选择的影响程度，赋予其相应的权重值^。势场控制图参见图2所示，在RSD到达某条链路势能值最小的节点之前，若某节点收到RSD，根据数据分组中的势能信息判断是否应该接收。若该RSD来自比自身势能小的位置节点，则直接丢弃该分组。即该过程中路由查寻分组(RSD)体现出的流动是单向的，如图2中描述的Ni+1—Nj—N3—N2—Np假如该链路上的势能最小节点检测到前方存在通信障碍物，节点为该RSD设置迂回标志P一RSD，则在最大迂回跳数max_pass范围内，允许势能比自己大的节点接收该P—RSD，使路由査寻分组能够迂回障碍物，如图2中描述的N,—N2。利用公式(1沐计算各个节点势能值，系数S为GPS信息转化为平面直角坐标时的矫正系数。势场对路由查寻分组的控制流程参见图3所示。,)=<9《(如-;co)2-(y-")2)(1)(2)路由优化参数描述为了实现在稀疏ad-hoc网络中"节点+链路"联合选择，引入了多目标优化策略，将"链路质量"和"节点本地信息"作为多个优化参数，并根据各个参数对路由选择影响程度的不同，确定对应权重值的大小。①摆渡节点选择参数在选择"最优摆渡节点"时，以节点的3个本地信息作为优化参数，分别是"中间节点运动方向"，"中间节点剩余能源"以及"中间节点同数据中心可连接概率"。在选择"最优摆渡节点"时，需考虑节点移动方向的因素，若某节点运动方向与数据中心所在位置相反，则应将该点排除在"最优摆渡节点"的选择范围之外。如图4,中间节点移动方向3°为(-180°，180°]。其次，由于数据中心作为零势点，位于网络结构的尾端，所以中间节点与数据中心连线在标准直角坐标系中的角度必°为(-90°,90°),定义二者的角度差为,=|3°-^|。为了使选择节点的运动方向尽可能接近数据中心所在方向，要求满足,最小，即|5°-°|的最小值。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)对于"中间节点同数据中心可连接概率"参数，由中间节点进行统计得到。在网络启动后，节点以一定的频率广播探测包，检测是否存在自身到数据中心的路由，从而得到一定统计时间内的节点和数据中心之间的成功连接概率c—m&。概率越大，说明节点与数据中心建立通信链路的机会越大。但当某个节点与数据中心有数据交互时，则暂停探测包的发送，节点用与数据中心的数据交互代替探测包进行连接概率统计。针对节点剩余能源参数，可假设节点剩余能源是工作时间的单调递减函数，使节点根据时间函数能够确认自身的剩余能源值/^j"ergv。若节点剩余能源低于某门限值，节点将有可能无法完成摆渡数据任务，因而节点不会被选为最优摆渡节点。节点剩余能量越充足，节点被选为摆渡节点的概率就越大。综上所述，将三元组(min(-。)，max(c—ra/e),max(/e/f—e"er^))作为"最优摆渡节点，，的选择依据。其次，在不同应用环境下，"中间节点运动方向"，"中间节点剩余能源"以及"中间节点同目的节点可连接概率"三个参数对"最优摆渡节点"的选择有不同的影响权重，因此，可利用相应的权重值^，^，》来决定每个参数对确定摆渡节点的影响程度。②通信链路选择参数路由发起节点和"最优摆渡节点"之间的链路选择以链路时延，丢包率，带宽作为优化参数。"时延越小，丢包率越小，带宽越大"作为通信链路选择的理想原则。设定(Z)e/^/，Drc^,&"^诚/i/)作为节点纟到节点_/之间某条链路的优化参数组。A表示节点Z'到节点/+7的时延；4表示节点z'到节点/+7的丢包率；bi表示节点/到节点/+7的带宽，如公式(3，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)由于稀疏ad-hoc网络的特殊性，在数据传输中，链路时延的影响程度有所降低。最重要的特性体现在传输数据的完整性和可靠性，即丢包率和带宽。同理，用权重值,，p，"来确定在稀疏ad-hoc网络中的时延，丢包率，带宽对选定最优链路的影响程度。而且，根据上述条件以及公式(6)可以计算出体现链路质量的数值，从而得到对单跳或多跳链路性能的有效估计，为该路由算法中"链路"的选择提供了重要参考依据。C7/为链路质量估计函数，h'"&表示链路/的质量。在实际情况下，由该三参数决定的通信链路质量应该存在一个理想值￡(丄/4),表示参数联合确定的链路质量最优化值。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>2、路由实现过程设计(1)节点+链路査寻流程设定参数"是否存在通信障碍物"，."势能"，"中间节点运动方向"，"中间节点剩余能源"为关键影响因子，RSD在网络中的传播主要受这四个因子影响。当节点收到RSD之后，根据其势能值大小，RSD是否存在迂回标志，节点是否为该链路上的势能最小节点等信息判断如何处理该路由查寻分组。当某链路上的势能最小节点收到RSD时，若检测到存在通信障碍物，则为RSD设置迂回标志，允许势能大于自己的节点接收P一RSD，从而达到逼开障碍物的目的。当P一RSD到达某个已经绕过障碍物的节点时，该节点对P一RSD进行复位操作，并继续转发RSD。其次，节点的移动方向应该尽可能靠近数据中心位置所在方向。假如节点的移动方向与数据中心所在方向偏差超过了90°，则节点不往路由发起节点回复路由应答分组(RRD)。综上所述，关键影响因子"势能"、"是否存在通信障碍物"以及"中间节点运动方向"的限制条件为(8，9)。t/'>1;及SZ)未到达该链路上的最小势能节点之前()及SD—尸—及SD;最小势能节点检测到障碍物的存在^，-o。H^-arctan(》"oY.一、|<90。(9)第三个影响因子，"中间节点剩余能源"也起着至关重要的作用。中间节点与数据中心连接的概率对其摆渡能源消耗有重要影响，连接概率决定着该节点作为"最优摆渡节点"所允许的最小剩余能源值￡1。节点与数据9中心的连接概率越大，允许的最小剩余能源值^就越小，节点成为"最优摆渡节点"备选对象的概率就越大。公式(10)表示了节点作为摆渡节点所需要的剩余能源条件，其中《函数为节点与数据中心连接概率c—m&的减函数。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(10)RSD中各个数据域的定义如表1所示表1RSD的格式定义<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>其中，带宽，丢包率，势能值以及路由记录在传播过程中，被不断更新。Delay初始化为路由发起节点发送RSD的时间，MAX-hops表示路由分组能够传输的最大跳数限制，MAX-time表示该路由分组在网络中的最大生存时间，节点在该时间后删除该分组。在无线网络中，经过更多跳数所建立的链路发生中断的概率就越大。合理控制RSD的传播跳数，可有效提高所建立路由的稳定性。当某个节点收到RSD之后，判断节点本身是否满足条件(8)的限制，满足条件则更新路由分组中的带宽，丢包率，势能值等参数值，并将自己添加到路由记录Route-log中，然后向其它节点转发该RSD，同时向上一跳节点发送一个确认信息，表示还存在比它更加接近数据中心的通信节点。当上一跳节点转发RSD之后，在设定的超时时间内，没有收到其它节点回复的确认信息，节点即是该条链路上的势能最小节点。10势能最小节点则根据是否检测到障碍物采取不同的处理方式。若没有检测到障碍物，则转入判断条件(9，10)。假如节点运动方向满足条件(9，10)的限制，则生成一个路由应答RRD，否则，丢弃收到的RSD，势能最小节点处理流程图如图5所示。RRD的格式定义如表2所示。产生的RRD沿着对应RSD中的Route-log记录到达路由发起节点。相反，若势能最小节点检测到通信障碍物，则为该RSD设置迂回标志P—RSD，允许在最大迂回跳数范围maxjass内势能比自己大的节点接收P—RSD。在迂回过程中，当某节点没有检测到障碍物，且同时满足条件(9，10)，则完成了路由分组的传递，否则，认为该链路上的路由建立失败。P一RSD的处理流程图见图6所示。表2RRD的格式定义<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>其中，Link-quality表示路由发起节点和应答节点之间的链路质量，由链路质量三元组6De/qy,^w2^w/^;^Z>op-rate>>表示。其中，Delay的具体值从RSD所对应的定义域获得，即路由发起节点发送RSD的时间。路由发起节点在规定的路由应答等待时间内，收到其它节点回复的RRD，则根据多目标优化原则，选择出最优的"路径+节点"组合来完成此次路由的查寻。其次，若路由发起节点没有收到任何的RRD时，路由发起节点自己成为"摆渡节点"，向目的节点位置移动，当其进入目的节点的通信范围时，将自身存储的数据发送给目的节点，完成从此数据信息的摆渡。图l主要路由功能模块示意2势场对路由査寻分组传播方向控制示意3势场控制流程4节点运动方向偏差示意5势能最小节点的工作流程6节点收到P一RSD的判断流程7路由发起节点的工作流程8稀疏ad-hoc网络中路由建立过程示意9路由发起节点自身摆渡业务数据示意图具体实施方式路由发起节点在广播RSD后，等待其它节点的路由应答。路由发起节点根据是否收到RRD，采取图7所示的两种调度处理方案。①路由发起节点收到RRD的处理方案对于这种情况，路由发起节点根据当前时间和RRD中的Delay值，计算得到应答节点与路由发起节点之间的链路时延。此时，路由发起节点收到多组"节点以及对应的链路"组合后，根据公式(6)，计算得到整条链路的质量估计值，然后再考虑节点选择问题。在实际环境中，由于节点的选择参数"网络中间节点运动方向"，"中间节点剩余能源"、"中间节点同目的节点可连接概率"以及势能值pJeW都存在一个理想值，分别定义为—，—ra/e)以及￡(/—。比如，在不考虑实际环境因素影响的时候，节点运动方向与数据中心所在方位角度偏差理想值为0，节点剩余能源理想值为节点能容纳的最大能源，节点同目的节点可连接概率理想值为l，而势能值的理想值为0。根据带约束条件的最小离差平方和算法求得体现节点优劣以及链路好坏的数值，即各个参数的联合估计值偏离理想值的大小。根据数值大小选择"摆渡节点+链路"的最优组合。首先，根据RRD中的Delay得到的时延值，(6)式中G/用式(11)表示。然后，根据带约束条件的最小离差平方和算法构建链路与节点的总体评估函数12iJV￡，如式(12)所示。.(11)(7血+义A+;j^)+++;j^+义r=1ZiV五(/)=[""/b-五(Z/wfc)]2+J]"x[y(O—五(O]2(12)式(12)中，变量/表示在链路/上产生RRD节点的信息，包括势能值，运动方向，剩余能源，与数据中心的连接概率，￡(/)表示上述参数的理想值。求得每个"节点以及链路"组合所对应的总体评估函数ZA^的值。然后从中选择最小的值min(i:A^)，其对应的变量就是该路由算法査寻的"摆渡节点+路径"最优组合。当路由和节点,定以后，路由发起节点发送数据信息则不直接到达数据中心，而是通过选择的链路到达选择的摆渡节点，节点接收存储数据信息。在摆渡节点的运动过程中，若与数据中心成功建立连接，则节点将存储的数据转发给数据中心，协助完成整个数据传输的任务。而数据信息则类似于"摆渡"方式，经过中间"摆渡节点"到达数据中心。下面结合图8对该情况作进一步的说明。在图8描述的稀疏ad-hoc网络中，路由发起节点有数据需要发送到数据中心，但是如图所示，数据中心距离路由发起节点距离太远，且它们之间没有足够的中间节点帮助建立完整的可用路由。对于这种情况，路由发起节点S广播RSD，其流向如图所示。节点N2，N3收到RSD后，经过判断，满足条件(8)，则更新RSD中的相关信息继续转发该RSD。经过RSD的传播，网络中发现了四个势能最小节点N4，N6，N7，N8。但是由于节点N7不满足运动方向的要求，该节点丢弃收到的RSD，节点N4不满足最小剩余能源的限制条件，同样丢弃收到的RSD。所以，经过关键影响因子的筛选，只有节点N6，N8满足条件，向路由发起节点回复RRD。其中，N6产生的RRD有两个到达S节点，但是所经过的路径不相同。{(S-iV3-iV6)|(iV6)};RRD到达节点S后，根据路径和节点的总体评估函数iWE，RRD相关域的数值以及不同参数的权重，路由发起节点从上面的3个组合中，选择最优的组合。比如，由于链路质量较差，则{(5-^3-仏)|(仏)}为选择出的最优组合，路由发起节点将数据通过选择的路径{(5-^-仏)}到达节点N6,节点N6接收存储数据信息。在摆渡节点N6的运动过程中，若与数据中心成功建立起连接，则节点将存储的数据转发给数据中心，协助完成整个数据传输的任务。②路由发起节点未收到RRD的处理方案引起这种情况的原因有(1)路由发起节点的可通信范围内没有其它的节点。(2)所有的节点在收到RSD之后，不满足关键影响因子的限制条件，没有向路由发起节点回复RRD。(3)由于链路质量太差，节点回复的RRD在中途被丢，没有成功到达路由发起节点。针对上述情况，路由发起节点自己成为"摆渡节点"，如图9所示，路由发起节点改变运动方向，向数据中心的方向运动。在此过程中，不断检测到达数据中心的有效路由，当路由出现且稳定，路由发起节点将业务数据转发给数据中心。路由发起节点通过牺牲自身有限的能源来完成路由的建立以及业务数据的传输。权利要求1.一种应用于稀疏ad-hoc网络中的新型路由算法，其特征在于将势场法以及多目标优化算法应用于ad-hoc网络中的路由建立。整个过程如下路由查寻分组在势场法控制下，向目的节点(数据中心)方向传播；以节点的本地信息作为节点选择优化参数，满足该参数限制条件的节点向路由发起节点回复路由应答；路由发起节点根据是否收到其它节点的路由应答而采取不同的调度策略来实现与数据中心的通信。2、根据权利要求1所述基于多目标优化的势场路由算法，其特征在于:包含多个工作模块，路由查寻模块工作期间受势场法控制，保证路由査寻分组的正确传输；节点选择模块受节点选择参数控制，选择出候选摆渡节点集；节点与链路优化选择模块以节点选择参数和链路选择参数为依据，确保选择"节点+链路"组合的优越性；摆渡实施指摆渡节点接收到路由发起节点的业务信息后，向业务信息目的地执行摆渡传输任务。3、根据权利要求1所述基于多目标优化的势场路由算法，其特征在于势场法控制使得路由查寻分组在网络中的传播具有方向认知能力。以数据中心所在位置为零势点，距离数据中心越远的位置具有的势能值越大。路由査寻分组沿着势能值降低的方向传播，能够有效控制路由査寻分组的扩散范围，降低网络的负荷。4、根据权利要求1所述基于多目标优化的势场路由算法，其特征在于首先，以网络中间节点的本地信息作为节点选择参数，即"中间节点运动方向"，"中间节点剩余能源"以及"中间节点同数据中心可连接概率"三参数共同确定候选摆渡节点集。其次，路由发起节点和最优摆渡节点间的链路选择以链路时延，丢包率，带宽作为优化参数，"时延越小，丢包率越小，带宽越大"作为通信链路选择的理想原则。5、根据权利要求1所述基于多目标优化的势场路由算法，其特征在于只有满足如下两种情况的节点在收到路由査寻分组后才向路由发起节点回复路由应答。第一种情况某条链路上的势能最小节点在满足节点选择参数的限制条件下，才向路由发起节点回复路由应答；第二种情况某条链路上的势能最小节点运动方向存在通信障碍物时，若在最大迂回跳数范围.内存在满足节点选择参数限制条件的其它某节点，则该节点向路由发起节点回复路由应答。6、根据权利要求1所述基于多目标优化的势场路由算法，其特征在于:路由发起节点根据在规定时间内是否收到网络中其它节点回复的路由应答，采取不同的处理方式。路由发起节点若收到其它节点的路由应答，则根据带约束条件的最小离差平方和算法构建链路与节点总体评估函数，选择出"节点+链路"的最优组合，利用该组合完成路由发起节点与数据中心之间的路由建立以及数据交互。相反，路由发起节点若没有收到任何的路由应答，则自身启动摆渡机制，向数据中心位置移动进而完成数据的传输。7、根据权利要求1所述基于多目标优化的势场路由算法，其特征在于当某稀疏ad-hoc网络划分为多个相隔较远的区域，彼此之间无法建立通信链路时，在每个区域中先后利用权利要求1所述路由算法选择"节点+链路"最优组合，采用适合不同区域的控制方式完成区域间节点的相互通信。全文摘要本发明涉及ad-hoc自组织网络路由
技术领域：
。在稀疏ad-hoc中，由于节点间隔距离可能大于其有效通信距离，或由于障碍物以及某个节点能源耗尽退出网络等原因，使得源/目节点之间建立有效路由的时间很长，甚至根本无法建立连接。这种特殊的网络状况在战场，隧道探测，紧急排险等场合中经常遇到。因此，如何解决稀疏ad-hoc网络中信息的有效转发是急需解决的问题。本发明提出一种在稀疏ad-hoc网络中基于多目标优化的势场路由算法，利用最优化“摆渡节点”搬运数据的方式实现源/目节点之间的相互通信。提出一种基于链路时延，带宽，丢包率，节点剩余能源，移动方向，以及和目的节点连接概率等多个目标的“链路+节点”新型路由算法。同时，势场法的引入可有效控制路由查寻分组的传播方向，减少网络中的信息负载，提高数据的到达率。文档编号H04L12/56GK101262428SQ200810044298公开日2008年9月10日申请日期2008年4月24日优先权日2008年4月24日发明者雷刘,张晓琴,李磊民,虹江,赵海龙,宾韩,黄玉清申请人:西南科技大学