一种机会网络中时延耐受性内容扩散协议设计方法与流程
本发明属于数能一体化通信网络技术领域，特别涉及一种机会网络中时延耐受性内容扩散协议设计方法。
背景技术：
对于稀疏的网络基础设施部署，使得城市郊区以及灾后地区等大尺度地区通常不能被以蜂窝网络为代表的通信基础设施网络有效覆盖，造成该地区内用户与网络基础设施的不稳定链接。在该场景下，所传输的内容通常是一些时延耐受性内容，如天气信息，地图信息，交通信息等。这些内容具备与生据来的耐受性特征，这类内容的请求者一般会对该类内容保持较长时间的兴趣。利用其时延耐受性特征，可以通过移动用户快速移动带来传输范围之内的用户间直接通信进行内容传递，从而可以避免使用基于网络设施的传统通信方式，转移蜂窝基站等网络设施的流量负载。对于这样的场景，一个合适高效的路由策略就尤为重要。由于大量的基于零信息的路由转发策略存在信息内容副本冗余和能量浪费，目前大部分的研究都集中于根据移动用户行为，对社会关系建模，并基于社会关系决定的相遇概率来选择转发策略。移动用户之间的信息传递，主要由移动用户的可靠的信息传输范围以及用户之间的联系间隔时间和联系时间决定，同时联系间隔时间和联系时间同样会受到用户的可靠传输范围的影响。但目前大量的研究对建模用户社会关系的过程只考虑了联系间隔时间，为了设计时延、能耗、缓存多重最佳路由，新的社会关系建模方式需要包括联系间隔时间、联系时间、内容传输能耗等多维因素。同时，大量研究对所有移动用户的传输功率以及由此产生的传输范围都是相同的固定值，由于当前智能移动设备的电池容量有限，无法支持设备的长续航能力，移动用户应考虑根据实际状态，动态地选择内容转发功率。另外，目前对于基于能量的路由策略都只是单纯地考虑能量状态来选择，对于引入能量的网络，也是考虑收集能量后能量状态来选择，各个用户之间的能量传输与协调运用较少。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用基于时间社会关系强度和能量社会关系强度选择内容扩散方向和能量协调，并且移动用户根据实际状态，动态地选择传输功率，能够使内容扩散更快，同时提升网络整体性能的机会网络中时延耐受性内容扩散协议设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种机会网络中时延耐受性内容扩散协议设计方法，包括以下步骤：
s1、确定一个基于数能协同的机会网络场景模型；
s2、求解信息传输的功率；
s3、求解能量传输的功率；
s4、求解时间社会关系强度；
s5、求解能量社会关系强度；
s6、制定基于时间和能量社会关系强度的内容扩散协议。
进一步地，所述步骤s1具体实现方法为：在一个方形的l×l有界区域内，分布着较为稀疏的n个移动用户(mobileusers，记为mus)，其中n≥1；设移动用户的电池容量均为e，且都配置能量转换电路，即移动用户可以接收对其传输的能量信号，并通过能量转换电路将无线信号转换为电能以供后续使用，其中能量转换电路门限为α，且假设能量转换效率为1；
机会网络中存在两种传输行为：即信息传输行为和能量传输行为；信息传输行为表现为移动用户在信息传输能力范围内向其他用户发送信息，能量传输行为表现为移动用户在能量传输能力范围内为其他用户传输无线能量信号，其他用户接收此信号并转化为电能使用；值得注意的是，基于能量传输和信息传输接收要求的不同，其两种行为的可靠传输范围也不同，假设信息传输范围为rc，能量传输范围为re；用户a的能量传输范围内有用户b，用户b和用户c都在a的信息传输范围内，则a和b之间进行能量传输，a和c之间进行信息传输。
显而易见，对于信息传输行为和能量传输行为而言，只要在用户的不同的可靠传输范围之内，该行为有可能发生，但即使所有的可靠传输范围一致，节点在传输范围内所处位置也不同，如果采取固定的发送功率进行信息和能量的传输，难免会造成用户节点的能量浪费。因此，本发明在固定各用户的信息传输和能量传输的可靠传输范围基础上，基于物理层模型去动态地自适应调节用户发送功率。
进一步地，所述步骤s2具体实现方法为：假设移动用户mui与移动用户muj相遇，且mui向muj转发信息，发送端的信息发送功率为pt,i，接收端与发射端之间的距离为ri,j(t)；
发送信号经过单入单出的无线链路到达接收端之前，会经历ω(ri,j(t))的路径损耗，概率密度函数为fχ(χi,j(t))的随机阴影衰落χi,j(t)，以及概率密度函数为fh(hi,j(t))的随机多径衰落hi,j(t)；其中，阴影衰落χi,j(t)、多径衰落hi,j(t)和距离ri,j(t)都是不相关的，且在一个联系时间内保持不变，但各个联系时间之间不同；同时，到达接收端的接收信号，还会受到功率为
假设在传输范围内通过动态调节功率使每次转发行为都是成功可靠的，且对于所有用户，其接收信噪比大于门限值γ，那么接收信号所包含的信息可以成功恢复，即完成一次可靠传输；则信息发送端的发送功率需要满足：
为了节省能量，信息以最小功率发送，因此，信息传输功率表示为：
进一步地，所述步骤s3具体实现方法为：采用与数据传输相同的物理层参数来描述能量传输行为的物理模型；不同的是，基于两种传输行为的不同，其规定的可靠传输距离有很大差距。
假设能量发送端的信号发送功率为prt,i，接收端与发射端之间的距离为tri,j(t)；同时，到达接收端的接收信号，会受到功率为
为了节省能量信号的路径损耗，设每次能量信号的接收功率刚好为电路门限α；因此，能量传输功率表示为：
在实际应用中，噪声功率比电路门限小很多，可忽略。
进一步地，所述步骤s4具体实现方法为：通过数学建模的方式，根据一定时间内一对用户之间的信息机会联系记录，定量化描述该对用户之间的时间社会关系强度；基于用户信息机会联系记录的社会关系强度，通过三种指标进行量化：联系频率、平均联系间隔时间和平均联系时间；然而，这三种量化方法的单独使用并不能准确的描述基于用户机会信息联系记录的社会关系强度；
进一步考虑信息机会联系的规律性，将用户mui与用户muj之间的“时间社会关系强度”用下式表示：
其中t表示观察期的长度；f(t)＝tnext-t，其中tnext是该对用户下一个信息联系开始的时刻；tinter,x表示用户mui与用户muj在观察期内的第x个联系间隔时间；如果在时刻t时，用户mui与用户muj处于联系阶段，那么f(t)＝0。
进一步地，所述步骤s5具体实现方法为：在用户移动过程中，只要用户之间距离满足能量传输范围，就能够传递能量；因此，对于用户移动记录，不仅存在信息机会联系记录，也存在能量机会联系记录；对于能量传输，为了节约能量消耗且均衡各用户的能量，通过用户移动位置和各用户的电池能量状态定义能量社会关系强度来衡量能量传递有效性；用户对之间的传输距离越近，传输损耗也就越小，或发送能量信号的用户的电池能量越大，所有用户之间的电池能量也就更加均衡，这些都表明能量传输行为越有效；然而，基于能量传输仍存在一定损耗，为了保证能量传输的必要性，需要设置接收能量的电池能量阈值eth和发送能量的电池能量阈值etth；假设在某个时刻，用户mui共处于k个用户的能量传输范围re内，每个节点与用户mui的距离为ri,j(t)，其中j＝1,...,k，每个节点的能量为ej；那么，当用户mui的能量小于阈值eth，且k个用户中存在m个用户的能量大于阈值etth时，进行能量传输行为；即存在必要的的能量信号发送方和能量信号接收方，才进行必要的能量传输行为；
因此，基于用户移动位置变化和能量状态，在时刻t，用户mui与能量传输范围内的k个用户相遇，且用户mui的能量小于接收能量的电池能量阈值eth，每个用户与mui的距离为ri,j(t)，其中j＝1,...,k，每个用户的能量为ej，且k个用户中存在m个用户的能量大于发送能量的电池能量阈值etth，1≤m≤k，则用户mui和任一用户muj的能量社会关系强度为：
对于没有必要的能量传输行为的用户对，其能量社会关系强度为零。
进一步地，所述步骤s6具体包括以下分步骤：
s61、确定新的路由策略思路，基于前两节定义的能量传输行为、数据传输行为、动态信息传输功率、动态能量传输功率、时间社会关系强度和能量社会关系强度，可以得出以下策略思路：为了减少传输内容的能量，采用动态信息发送功率；为了减少内容扩散延迟，同时减少网络中副本数量，节约用户的缓存空间，在用户相遇时，设置时间社会关系强度阈值wth来控制内容转发的对象使得内容总是向那些与目的地有更大的信息传输相遇机会的用户节点，同时也控制了复制的内容副本数；为了减少内容扩散的总体能量消耗，通过减少内容延迟，即也可以通过设置时间社会关系强度阈值wth来减少总的用户广播信息次数；为了均衡节点之间的能量，防止节点过早死亡，提升网络整体性能，利用能量传输行为和动态能量传输功率，设置接收能量的电池能量阈值eth和发送能量的电池能量阈值etth和能量社会关系强度来进行必要且有效的能量传输，从而协调各个节点间的能量；
s62、提出新的基于时间和能量社会关系强度的内容扩散协议；
进一步地，所述步骤s62包括以下步骤：
s621、用户移动；
s622、根据长时间用户之间相遇历史记录，存储用户信息机会联系记录；
s623、根据用户信息机会联系记录，计算出各对用户之间的时间社会关系强度；
s624、用户移动过程中，判断有内容的用户在信息传输范围内是否与其他用户相遇，若相遇则执行s625，否则执行s626；
s625、判断相遇用户是否没有内容，并且相遇用户与有内容用户的时间社会关系强度大于预设的阈值，当相遇用户满足没有内容且与有内容用户的时间社会关系强度大于预设的阈值时，有内容用户使用自适应信息功率将内容发送给相遇的其他用户；若目的用户收到内容则结束内容传输过程，否则执行s626；
s626、判断用户的电池能量状态是否少于设定的接收能量电池能量阈值eth，若少于则执行s627，否则返回s621；
s627、判断用户是否在其他用户的能量传输范围内，若是则执行s628，否则返回s621；
s628、判断用户之间是否存在必要的能量传输行为，即判断相遇的其他用户中是否存在电池能量状态大于设定的发送能量电池能量阈值etth的用户，若是则计算满足必要的能量传输行为的各用户对之间的能量社会关系强度，选择最大能量社会关系强度的用户，并使用动态能量传输功率为此用户传输一次能量，结束能量传输过程，并返回s621；否则直接返回s621。
本发明的有益效果是：本发明研究了基于数能协同技术的移动机会网络中时延耐受性内容扩散机理，引入数能协同技术；采用基于时间社会关系强度和能量社会关系强度选择：移动用户基于时间社会关系强度选择内容扩散对象，同时根据实际状态，动态地选择内容转发功率，并且引入了能量传输行为，考虑了能量状态并根据能量社会关系强度来选择传输，使用户之间更加灵活地进行能量利用与管理，能够使内容扩散更快，同时提升网络整体性能。
附图说明
图1为本发明的内容扩散协议设计方法流程图；
图2为本发明的内容扩散协议流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明的一种机会网络中时延耐受性内容扩散协议设计方法，由系统模型建立、社会关系强度分析和路由转发过程设计三个部分组成，具体流程如图1所示，包括以下步骤：
s1、确定一个基于数能协同的机会网络场景模型；具体实现方法为：在一个方形的l×l有界区域内，分布着较为稀疏的n个移动用户(mobileusers，记为mus)，其中n≥1；设移动用户的电池容量均为e，且都配置能量转换电路，即移动用户可以接收对其传输的能量信号，并通过能量转换电路将无线信号转换为电能以供后续使用，其中能量转换电路门限为α，且假设能量转换效率为1；
机会网络中存在两种传输行为：即信息传输行为和能量传输行为；信息传输行为表现为移动用户在信息传输能力范围内向其他用户发送信息，能量传输行为表现为移动用户在能量传输能力范围内为其他用户传输无线能量信号，其他用户接收此信号并转化为电能使用；值得注意的是，基于能量传输和信息传输接收要求的不同，其两种行为的可靠传输范围也不同，假设信息传输范围为rc，能量传输范围为re；用户a的能量传输范围内有用户b，用户b和用户c都在a的信息传输范围内，则a和b之间进行能量传输，a和c之间进行信息传输。
显而易见，对于信息传输行为和能量传输行为而言，只要在用户的不同的可靠传输范围之内，该行为有可能发生，但即使所有的可靠传输范围一致，节点在传输范围内所处位置也不同，如果采取固定的发送功率进行信息和能量的传输，难免会造成用户节点的能量浪费。因此，本发明在固定各用户的信息传输和能量传输的可靠传输范围基础上，基于物理层模型去动态地自适应调节用户发送功率。
s2、求解信息传输的功率；具体实现方法为：假设移动用户mui与移动用户muj相遇，且mui向muj转发信息，发送端的信息发送功率为pt,i，接收端与发射端之间的距离为ri,j(t)；
发送信号经过单入单出的无线链路到达接收端之前，会经历ω(ri,j(t))的路径损耗，概率密度函数为fχ(χi,j(t))的随机阴影衰落χi,j(t)，以及概率密度函数为fh(hi,j(t))的随机多径衰落hi,j(t)；其中，阴影衰落χi,j(t)、多径衰落hi,j(t)和距离ri,j(t)都是不相关的，且在一个联系时间内保持不变，但各个联系时间之间不同；同时，到达接收端的接收信号，还会受到功率为
假设在传输范围内通过动态调节功率使每次转发行为都是成功可靠的，且对于所有用户，其接收信噪比大于门限值γ，那么接收信号所包含的信息可以成功恢复，即完成一次可靠传输；则信息发送端的发送功率需要满足：
为了节省能量，信息以最小功率发送，因此，信息传输功率表示为：
s3、求解能量传输的功率；具体实现方法为：采用与数据传输相同的物理层参数来描述能量传输行为的物理模型；不同的是，基于两种传输行为的不同，其规定的可靠传输距离有很大差距。
假设能量发送端的信号发送功率为prt,i，接收端与发射端之间的距离为tri,j(t)；同时，到达接收端的接收信号，会受到功率为
为了节省能量信号的路径损耗，设每次能量信号的接收功率刚好为电路门限α；因此，能量传输功率表示为：
在实际应用中，噪声功率比电路门限小很多，可忽略。
s4、求解时间社会关系强度；具体实现方法为：通过数学建模的方式，根据一定时间内一对用户之间的信息机会联系记录，定量化描述该对用户之间的时间社会关系强度；基于用户信息机会联系记录的社会关系强度，通过三种指标进行量化：联系频率、平均联系间隔时间和平均联系时间；然而，这三种量化方法的单独使用并不能准确的描述基于用户机会信息联系记录的社会关系强度；
进一步考虑信息机会联系的规律性，将用户mui与用户muj之间的“时间社会关系强度”用下式表示：
其中t表示观察期的长度；f(t)＝tnext-t，其中tnext是该对用户下一个信息联系开始的时刻；tinter,x表示用户mui与用户muj在观察期内的第x个联系间隔时间；如果在时刻t时，用户mui与用户muj处于联系阶段，那么f(t)＝0。
s5、求解能量社会关系强度；具体实现方法为：在用户移动过程中，只要用户之间距离满足能量传输范围，就能够传递能量；因此，对于用户移动记录，不仅存在信息机会联系记录，也存在能量机会联系记录；对于能量传输，为了节约能量消耗且均衡各用户的能量，通过用户移动位置和各用户的电池能量状态定义能量社会关系强度来衡量能量传递有效性；用户对之间的传输距离越近，传输损耗也就越小，或发送能量信号的用户的电池能量越大，所有用户之间的电池能量也就更加均衡，这些都表明能量传输行为越有效；然而，基于能量传输仍存在一定损耗，为了保证能量传输的必要性，需要设置接收能量的电池能量阈值eth和发送能量的电池能量阈值etth；假设在某个时刻，用户mui共处于k个用户的能量传输范围re内，每个节点与用户mui的距离为ri,j(t)，其中j＝1,...,k，每个节点的能量为ej；那么，当用户mui的能量小于阈值eth，且k个用户中存在m个用户的能量大于阈值etth时，进行能量传输行为；即存在必要的的能量信号发送方和能量信号接收方，才进行必要的能量传输行为；
因此，基于用户移动位置变化和能量状态，在时刻t，用户mui与能量传输范围内的k个用户相遇，且用户mui的能量小于接收能量的电池能量阈值eth，每个用户与mui的距离为ri,j(t)，其中j＝1,...,k，每个用户的能量为ej，且k个用户中存在m个用户的能量大于发送能量的电池能量阈值etth，1≤m≤k，则用户mui和任一用户muj的能量社会关系强度为：
对于没有必要的能量传输行为的用户对，其能量社会关系强度为零。
s6、制定基于时间和能量社会关系强度的内容扩散协议；包括以下分步骤：
s61、确定新的路由策略思路，基于前两节定义的能量传输行为、数据传输行为、动态信息传输功率、动态能量传输功率、时间社会关系强度和能量社会关系强度，可以得出以下策略思路：为了减少传输内容的能量，采用动态信息发送功率；为了减少内容扩散延迟，同时减少网络中副本数量，节约用户的缓存空间，在用户相遇时，设置时间社会关系强度阈值wth来控制内容转发的对象使得内容总是向那些与目的地有更大的信息传输相遇机会的用户节点，同时也控制了复制的内容副本数；为了减少内容扩散的总体能量消耗，通过减少内容延迟，即也可以通过设置时间社会关系强度阈值wth来减少总的用户广播信息次数；为了均衡节点之间的能量，防止节点过早死亡，提升网络整体性能，利用能量传输行为和动态能量传输功率，设置接收能量的电池能量阈值eth和发送能量的电池能量阈值etth和能量社会关系强度来进行必要且有效的能量传输，从而协调各个节点间的能量；
s62、提出新的基于时间和能量社会关系强度的内容扩散协议；内容扩散协议流程如图2所示，具体包括以下步骤：
s621、用户移动；
s622、根据长时间用户之间相遇历史记录，存储用户信息机会联系记录；
s623、根据用户信息机会联系记录，计算出各对用户之间的时间社会关系强度；
s624、用户移动过程中，判断有内容的用户在信息传输范围内是否与其他用户相遇，若相遇则执行s625，否则执行s626；
s625、判断相遇用户是否没有内容，并且相遇用户与有内容用户的时间社会关系强度大于预设的阈值，当相遇用户满足没有内容且与有内容用户的时间社会关系强度大于预设的阈值时，有内容用户使用自适应信息功率将内容发送给相遇的其他用户；若目的用户收到内容则结束内容传输过程，否则执行s626；
s626、判断用户的电池能量状态是否少于设定的接收能量电池能量阈值eth，若少于则执行s627，否则返回s621；
s627、判断用户是否在其他用户的能量传输范围内，若是则执行s628，否则返回s621；
s628、判断用户之间是否存在必要的能量传输行为，即判断相遇的其他用户中是否存在电池能量状态大于设定的发送能量电池能量阈值etth的用户，若是则计算满足必要的能量传输行为的各用户对之间的能量社会关系强度，选择最大能量社会关系强度的用户，并使用动态能量传输功率为此用户传输一次能量，结束能量传输过程，并返回s621；否则直接返回s621。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
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