专利名称：用于机会网络路由的区分化概率转发方法
技术领域：
本发明涉及一种用于机会网络路由的区分化概率转发方法，属于机会网络或延迟容忍网络的路由技术领域。
背景技术：
在机会网络(opportunistic network)或延迟容忍网络 DTN(Delay/Disruption Tolerated Network)中，由于受限于部署范围、无线通信技术和节点的动态移动等多种因素的影响，网络连接会发生频繁的中断，使得源节点和目的节点之间可能自始至终都没有同时存在过端到端的路径。这种网络是采用边路由、边传输的方式完成通信的，即节点间基于接触进行通信，报文以存储-携带-转发的方式进行洪泛传播。最早提出适用于机会网络路由的传染算法，就是任意两个节点相遇时，交换对方缓存队列中的相异报文。尽管传染算法有着较高的报文投递率和较低的投递延迟，但是，其缺陷是此时的网络负载很重。采用概率转发方法就能保证在设定的报文投递延迟时间的限制内，减少传染算法的网络负载。其基本思想是当任意两个节点相遇时，不一定必须交换对方缓存队列中的相异报文，而是以某个设定概率P (0 < P < 1)进行报文交换；即每次选择一个大于0且小于 ι的随机数，如果该随机数大于P，则交换报文；否则不交换。利用概率转发方法的关键是如何确定概率ρ的取值。现有方法是通过求解一个优化问题确定概率ρ的取值，该优化问题的优化目标是
在网络传输负载小于给定阈值的条件下，使得报文发送成功率达到最大化，其数学表述式 Maximize F(T)
为+‘‘；其中，式中，变量τ为网络运行时间，F⑴为报文在T时间内被目
si.I(T) < ψ
的节点成功接收的概率，Maximize f(x)表示f(x)的最大值；I (T)表示在T时间内受到影响的节点、也就是彼此相遇并互换对方缓存队列中相异报文的节点数，用于表示网络传输的负载或网络消耗的能量值，s. t. f(x)表示f (χ)的限制条件；Ψ是设定的网络传输负载的
阈值。利用传染病模型可以推导出F(T)和I(T)的下述数学解析式=溝
和/7(7^ = 1_/〔/(咖;其中，N为网络中的节点数，β为节点间的接触频率，s为积分变量。
因而可以确定概率P的取值为4 = ^rln但是，这种概率转发方法是网络中所
β NT N-ψ
有节点都以相同的概率P转发报文，没有考虑网络中节点的异构性。事实上，网络中的节点通常是能量异构的，有的节点能量大，有的节点能量小。如果不对这些节点进行区分对待，让所有节点具有相同的转发概率，意味着它们承担的转发次数基本相同，消耗的能量也基本相同。这样，随着网络的运行，那些能量小的节点必然要比能量大的节点先行死掉，使得网络中存活的节点数量很快变少，从而导致网络传输延迟变大，相当于网络寿命变短。
因此，在机会网络路由中，采用普通的概率转发方法不对网络中不同能量的异构节点进行区别对待，而是让其具有相同的报文转发概率，会导致网络运行过程中节点能量不平衡问题逐渐扩大，最终导致网络传输延迟变大，网络生命期变短。如何对其进行改进， 就成为业内科技人员关注的焦点课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于机会网络路由的区分化概率转发方法， 该方法基于网络中异构节点的各自能量值，为每个节点分别配置一个不同于其他节点的报文转发概率，以便在满足网络总能量消耗的限制条件下，能够实现报文传输延迟的最小化， 并使得网络寿命最大化。为了达到上述发明目的，本发明提供了一种用于机会网络路由的区分化概率转发方法，其特征在于根据网络中多个节点U= {Ul，u2，-Ui,…％}的各自初始能量值Ie1, e2, -e,,…^}，分别为每个节点分配一个互不相同的转发概率值，式中，自然数i是节点序号，其最大值是N ；则每个节点Ui的转发概率为Pi，且0 < Pi彡1 ；当该节点Ui遇到其他节点时，都以其转发概率Pi向其他节点转发报文；该方法包括下列两个操作步骤(1)求解确定所有节点转发概率的期望值；(2)分别确定每个节点的转发概率。现有技术的概率转发方法是所有节点的转发概率都相同。虽然该方法能在达到较高报文投递率的同时，减少传染算法所造成的巨大网络负载；但是，该方法没有对网络中不同能量的异构节点进行区别对待，造成网络运行过程中节点能量不平衡的问题逐渐扩大， 最终导致网络传输延迟加大，网络生命期变短。本发明用于机会网络路由的区分化概率转发方法是一种首创的、基于各个节点能量异构的情况，再根据每个节点的能量值为其设置一个不同于其他节点的转发概率值的转发报文方法。这种区分化不同概率机型转发的方法既能够在满足网络总能量消耗的限制条件下，达到现有方法所达到的报文投递率；并且，还能避免网络运行过程中出现的节点能量不平衡问题逐渐扩大的缺陷，从而使得网络寿命最大化。
图1是本发明用于机会网络路由的区分化概率转发方法操作流程框图。图2是本发明方法实施例中的节点剩余能量方差的比较图。图3是本发明方法实施例中的剩余的节点比例比较图。图4是本发明方法实施例中的报文投递率的比较图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。区分化概率转发算法是为网络中的N个节点U= {Ul，U2,…％}分别分配一个不同于其他节点的转发概率值，即节点Ui的转发概率为Pi，0 < Pi < 1。当节点Ui遇到其他节点时，以概率Pi向其他节点转发报文。
本发明用于机会网络路由的区分化概率转发方法是根据网络中多个节点U = K, u2, -Ui,…％}的各自初始能量值Ie1, e2，-e,,…，分别为每个节点分配一个互不相同的转发概率值，式中，自然数i是节点序号，其最大值是N;则每个节点Ui的转发概率为Pi,且0<Pi< 1 ；当该节点Ui遇到其他节点时，都以其转发概率Pi向其他节点转发报文。参见图1，详细介绍本发明方法的下述两个操作步骤步骤1，求解确定所有节点转发概率的期望值。该步骤包括下列操作内容(11)先确定优化目标当网络传输负载小于设定阈值时，应使报文发送成功率达
Maximize F(T)
到最大化，其数学表述式为+‘‘；式中，T为网络运行时间，F(T)为报文在T
st.I(T) < ψ
时间内被目的节点成功接收的概率，Maximize f(x)表示f(x)的最大值；I(T)为在T时间内彼此相遇并互换对方缓存队列中相异报文的节点数，即每个报文在网络中的拷贝次数、 网络传输的负载或网络消耗的能量值，s. t. f(x)表示f (χ)的限制条件；Ψ是设定的网络传输负载的阈值。(12)根据传染病模型，推导得出上述数学表达式I (T)和F(T)的计算公式分别为
= \ + {N-\)e-E(p)PNTmF(T) = I-/'0mdS .式中，N为网络中的节点数，E(P)为
所有节点转发概率{Pl，P2，-Pi,…Pn}的期望值，β为节点间的接触频率，s为积分变量。(13)因F(T)具有单调性，上述步骤(11)中的数学表述式还能转换为下述优化
问题MaXimiZe Io "；进而求得所有节点转发概率的期望值E(e)的计算公式为 s.t.I(T) < ψ
彻)=丄 ln^^。
βΝΤ Ν-ψ步骤2，分别确定每个节点的转发概率。该步骤包括下列操作内容(21)确定第二个优化目标在整个网络生命周期中，要求所有节点在其消耗的能量不大于其初始能量值的基础上，使其网络生命周期达到最大化；其数学表述式为 Maximize Z
[L(T)Z <er ；式中，ζ为在网络生命周期中成功传递的报文数，e,为第i个节点Ui
的初始能量值，该节点Ui的限制条件Ii(T)为
权利要求
1.一种用于机会网络路由的区分化概率转发方法，其特征在于根据网络中多个节点 U = K,u2, -Ui,…％}的各自初始能量值Ie1, e2，…力，···％}，分别为每个节点分配一个互不相同的转发概率值，式中，自然数i是节点序号，其最大值是N;则每个节点Ui的转发概率为Pi，且0 < Pi彡1 ；当该节点Ui遇到其他节点时，都以其转发概率Pi向其他节点转发报文；该方法包括下列两个操作步骤(1)求解确定所有节点转发概率的期望值；(2)分别确定每个节点的转发概率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)包括下列操作内容(11)确定优化目标当网络传输负载小于设定阈值时，应使报文发送成功率达到最大 Maximize F(T)化，其数学表述式为+‘‘；式中，T为网络运行时间，F(T)为报文在T时间si.I(T) < ψ内被目的节点成功接收的概率，Maximize f(x)表示f(x)的最大值；I(T)为在T时间内彼此相遇并互换对方缓存队列中相异报文的节点数，即每个报文在网络中的拷贝次数、网络传输的负载或网络消耗的能量值，s. t. f(x)表示f (χ)的限制条件；Ψ是设定的网络传输负载的阈值；(12)根据传染病模型，推导得出上述数学表达式I(T)和F(T)的计算公式分别为NrT1^T) = l + (N_l)e-EiP^NTmF(T} = 1_/ ο7^ .式中，N为网络中的节点数，E (P)为所有节点转发概率{Pl，P2，-Pi, "·ρΝ}的期望值，β为节点间的接触频率，S为积分变量；(13)因F(T)具有单调性，上述步骤(11)中的数学表述式能够转换为下述优化问题广ΓMaximize I(s)ds 、,ο w ；进而求得所有节点转发概率的期望值为= Iin^zU。s.t. I(T) < ψβΝΤ Ν-ψ
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(2)包括下列操作内容(21)确定第二个优化目标在整个网络生命周期中，要求所有节点在其消耗的能量不大于其初始能量值的基础上，使其网络生命周期达到最大化；其数学表述式为 Maximize Zst L(T)Z <e,；式中，Z为在网络生命周期中成功传递的报文数，e,为第i个节点UiS' .[θ< pr < 1的初始能量值，该节点Ui的限制条件Ii(T)为JO = "71)^^，该式表示在T时间内该节点Ui将其报文传递给其他节点的节点数，即节点Ui拷贝其报文的次数、节点Ui的网络传输负载或网络消耗的能量值；(22)因为根据步骤(12)得到..llO== ψ^^ ,胁通的每个节点 Maximize ZUi的优化目标被描述为获得每个节点Ui的转发概率Pi2ψ-FT^fz-61 ；只要对该优化目标的数学式求解，就 E(P)NO < ρ, <\
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤02)包括下列求解操作内容 (22A)若^Je(P)U，则设置每个节点Ui的转发概率为:pi = ^f、p、，从而获得Z的
全文摘要
本发明提供了一种用于机会网络路由的区分化概率转发方法，该方法是根据网络中多个节点U＝{u1，u2，…ui，…uN}的各自初始能量值{e1，e2，…ei，…eN}，分别为每个节点分配一个互不相同的转发概率值，式中，自然数i是节点序号，其最大值是N；则每个节点ui的转发概率为pi，且0＜pi≤1；当该节点ui遇到其他节点时，都以其转发概率pi向其他节点转发报文；该方法包括下列两个操作步骤(1)求解确定所有节点转发概率的期望值；(2)分别确定每个节点的转发概率。本发明能够在满足网络总能量消耗的限制条件下，能够实现报文传输延迟的最小化，并使得网络寿命最大化。
文档编号H04L12/56GK102497317SQ20111041115
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者段鹏瑞, 赵东, 马华东 申请人:北京邮电大学