一种基于星图的物联网多跳传输方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于星图的物联网多跳传输方法。

背景技术：

随着iot(物联网)的出现，未来的5g系统中将会有大量具备短距离通信能力的低功耗设备连接到网络中，多跳传输是iot通信系统的主要传输方式。在无线多跳网络中，长跳路由适用于对延迟敏感的应用，短跳路由适用于发射功率消耗较少的应用。iot网络中大多数为低功耗设备，在相同的qos下消耗更少的功率是关键，但是对于iot网络中低时延的通信场景，确保较低的端到端时延同样非常重要。因此单一的长跳路由和短跳路由并不能满足iot网络中低功耗设备对时延要求较高的场景。

此外，尽管一些路由方案可以改善iot中信息传输的时延或可靠性，但是目前没有一种方案综合考虑时延和可靠性的问题。

由此可见，在iot网络中，现有技术存在无法同时满足降低传输时延和提升网络可靠性的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术物联网中的多跳传输时延高、传输可靠性低的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于星图的物联网多跳传输方法，该方法包括以下步骤：

s1.基于星图在划定的通信区域中部署sn节点；

s2.基于最近邻居路由方案，srn节点经由rn节点将数据包传输至ssn节点；

s3.基于星图的最短路由方案，ssn节点经由sn节点将数据包传输至dsn节点；

s4.基于最近邻居路由方案，dsn节点经由rn节点将数据包传输至drn节点；

所述物联网包括sn节点、rn节点、srn节点、drn节点，其中，sn节点为具备长距离通信能力的节点，rn节点为只具备短距离通信能力的节点，srn节点为源节点，drn节点为目的节点，ssn节点为距离源节点最近的sn节点，dsn节点为距离目的节点最近的sn节点。

具体地，rn节点服从参数为λrn的泊松分布且没有身份的差异。

具体地，基于星图sn,k在划定的通信区域中部署sn节点，包括以下步骤：

s101.将通信区域的内切圆作为圆形区域；

s102.将该圆形区域均匀划分为n个扇形区域；

s103.将每个扇形区域的内接圆半径缩小，缩小后的圆心坐标与该扇形区域的内接圆圆心一致；

s104.在每个缩小后的圆上均匀部署(n-1)！/(n-k)！个sn节点，其中，n、k是决定星图sn,k中sn节点数量的参数，1≤k≤n。

具体地，步骤s103中缩小比例为(0.5,1)。

具体地，步骤s2具体为：

s201.对于每一跳的发射节点来说，以srn与ssn之间的连线或者该连线的平行线为起始边，以发射节点为中心，逆时针旋转角度φ/2，然后再顺时针旋转角度φ/2，从而形成角度为φ的扇形区域；

s202.每一个rn节点将沿着目的地的方向，选择在角度为φ的扇形区域中最近的rn节点作为其下一跳。

具体地，基于星图的最短路由方案，ssn节点经由sn节点将数据包传输至dsn节点，具体包括以下步骤：

s300.按照每个子区域内sn的身份标识符的最后一位数字相同的规则，随机给每个sn分配一个身份标识符，ssn节点的身份标识符为issn＝u1…us…uk，dsn节点的身份标识符为idsn＝v1…vs…vk；

s301.基于ssn节点和dsn节点的身份标识符，计算集合v、u和z，其中，v表示issn中没有且idsn中有的数字的集合，u表示issn中有且idsn没有的数字的集合，z表示issn中有且idsn中有的数字集合；

s302.判断ssn节点身份标识符的第一个数字u1是否等于dsn节点身份标识符的第一个数字v1，若是，则进入步骤s303，否则，进入步骤s304；

s303.判断集合u是否不为空集合，若是，从集合u中选择一个最大数字与u1进行位置交换，进入步骤s305，否则，进入步骤s306；

s304.判断u1∈z是否成立，若是，则找出v1…vs…vk中与u1相等的数字位于s位，则将u1与us进行位置交换，否则，进入步骤s305；

s305.判断u1∈u是否成立，若u1∈u成立，找到集合v中最小数字vt，t为vt在集合v中的位置，如果t＝1，判断集合v中是否有其他数字，若是，找到集合v中次小数字vt′，将vt′替换u1…us…uk中的第一位数字得到vt′…us…uk，否则，则将vt替换u1…us…uk中的第一位数字得到vt…us…uk，如果t≠1，则直接将vt替换u1…us…uk中的第一位数字得到vt…us…uk，完成替换之后就将替换数字从集合v中删除，判断v是否为空集，若是，结束u1与集合v中元素的替换，进入步骤s306，否则，进入步骤s304；若u1∈u不成立，进入步骤s306；

s306.判断u1…us…uk和v1…vs…vk是否排序一致，若是，结束基于星图的最短路由，否则，找出v1…vs…vk中与u1相等的数字位于s位，将u1与us进行位置交换得到us…u1…uk，结束基于星图的最短路由。

具体地，整个传输过程中的平均路径长度w的计算公式如下：

w＝w1+d+w2

＝l1/e(x)+d+l2/e(x)

其中，w1为srn到ssn之间的传输跳数，d为ssn到dsn之间的传输跳数，w2为dsn到drn之间的传输跳数，l1为srn与ssn的直线距离，l2为dsn和drn之间的直线距离，e(x)为每一跳实际传输距离映射到srn与ssn连线上的长度x的平均值。

具体地，物联网的平均聚集系数c的计算公式为：

其中，crn为rn的平均聚集系数，csn为sn的平均聚集系数，m为物联网中rn节点的数量，n为物联网中sn节点的数量。

具体地，物联网中sn节点的数量n＝n！/(n-k)！。

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的物联网多跳传输方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明在物联网中引入基于星图的最短路由方案，基于具备负载均衡最短路由特征的星图选择少量sns从而在rns之间建立通信捷径，使得rns之间的平均路径长度达到最少，能够降低物联网多跳传输网络的传输时延，使得物联网具有较小平均路径长度的同时具有较高的平均聚集系数，sns之间的负载均衡以及物联网具备的较高的平均聚集系数能够提升物联网的传输可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于星图的物联网多跳传输方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于星图s4,2部署sn节点的过程示意图；

图3为本发明实施例提供的srn与ssn之间多跳传输方案的示意图；

图4为本发明实施例提供的数据包整个传输过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

srn，sourceregularnode，源rn节点；

drn，destinationregularnode，目的rn节点；

ssn，sourcesupernode，源sn节点；

dsn，destinationsupernode，目的sn节点；

nnr，nearestneighbouringrouting，最近邻居路由方案。

如图1所示，本发明公开了一种基于星图的物联网多跳传输方法，该方法包括以下步骤：

s1.基于星图在划定的通信区域中部署sn节点；

s2.基于最近邻居路由方案，srn节点经由rn节点将数据包传输至ssn节点；

s3.基于星图的最短路由方案，ssn节点经由sn节点将数据包传输至dsn节点；

s4.基于最近邻居路由方案，dsn节点经由rn节点将数据包传输至drn节点；

所述物联网包括sn节点、rn节点、srn节点、drn节点，其中，sn节点为具备长距离通信能力的节点，rn节点为只具备短距离通信能力的节点，srn节点为源节点，drn节点为目的节点，ssn节点为距离源节点最近的sn节点，dsn节点为距离目的节点最近的sn节点。

步骤s1.基于星图在划定的通信区域中部署sn节点。

星图sn,k是cayley图的一种类型，n、k是决定星图sn,k中sn节点数量的参数，1≤k≤n。sn节点间的拓扑关系符合星图sn,k的形成规则，星图sn,k的顶点代表sn，顶点之间相连的边代表sn之间的通信关系。cayley图允许在节点上具有均匀负载的最短路由，任意两个sn之间都可以实现负载均衡的最短路由。

假定物联网中划定的通信区域，是以笛卡尔坐标系原点为中心，边长为2r的正方形。在通信区域中，基于星图sn,k部署sn节点，包括以下步骤：

s101.将通信区域的内切圆作为圆形区域。

以原点为中心，r为半径划定一个圆形区域以部署sn。

s102.将该圆形区域均匀划分为n个扇形区域。

基于星图sn,k可以被分为n个星图sn-1,k-1的性质，将圆形区域划分为n个部分，每一部分是弧度为ω＝2π/n的扇形区域。具体地，第一个子区域为以x轴为起始轴，绕原点逆时针旋转ω角度的扇形区域，该扇形区域的内接圆半径为r，内接圆圆心的坐标为o1＝(r/tan(π/n),r)，其他子区域的内接圆圆心om(1＜m≤n)的坐标通过将o1的坐标逆时针旋转ω×(m-1)的角度获得。

s103.将每个扇形区域的内接圆半径缩小，缩小后的圆心坐标与该扇形区域的内接圆圆心一致。

为了防止部署的不同子区域的sn节点重合，将每一个扇形区域的内接圆半径按照一定比例缩小，缩小后的圆的半径为r′＝δr，其中，0.5＜δ＜1，缩小后圆的圆心坐标与扇形区域内接圆的圆心坐标一致。

s104.在每个缩小后的圆上均匀部署(n-1)！/(n-k)！个sn节点。

每个子区域内部署的sn节点的个数为n′＝(n-1)！/(n-k)！，该n′个节点均匀地分布在以om为圆心，r′为半径的圆上。

在物联网中rn的数量为m，sn节点的数量为n＝n！/(n-k)！。本发明是在具有大量rn的通信区域内部署少量的sn，因此满足n＜＜m。

如图2所示，基于星图s4,2，圆形区域被划分为4个部分，每部分是弧度为ω＝π/2的扇形区域。第一个子区域为以x轴为起始轴，绕原点逆时针旋转ω＝π/2角度的扇形区域，其内接圆半径为r，内接圆圆心o1的坐标为(r/tan(π/4),r)，其他子区域的内接圆圆心om(1＜m≤4)的坐标通过将o1的坐标逆时针旋转ω×(m-1)的角度获得。此时，n＝4，k＝2，每个子区域的sn的个数为3，而且均匀地分布在以om为圆心，r′为半径的圆上。

步骤s2.基于最近邻居路由方案，srn节点经由rn节点将数据包传输至ssn节点。

为了将数据包传输至目的节点drn，源节点srn首先将数据包传输至距离自身最近的sn即ssn。srn与ssn之间传输采用nnr多跳传输方案。

如图3所示，对于每一跳的发射节点来说，以srn与ssn之间的连线或者该连线的平行线为起始边，以发射节点为中心，逆时针旋转角度φ/2，然后再顺时针旋转角度φ/2，从而形成角度为φ的扇形区域。每一个rn节点将沿着目的地的方向，选择在角度为φ的扇形区域中最近的节点作为其下一跳，每一跳传输的距离为rrn。通过利用扇区中所有可用的中继并且最小化跳距离来保证每个单跳链路的链路质量。

rn节点服从参数为λrn的泊松分布且rn间没有身份的差异。每一跳传输距离rrn的平均值为

每一跳实际传输距离rrn映射到srn与ssn连线上的长度x与实际传输距离rrn的比值计算公式如下：

其中，φ为以发射节点为中心的扇形区域的角度，φ为相对于srn和ssn相连直线的发射角。

每一跳实际传输距离rrn映射到srn与ssn连线上的长度x的平均值计算公式如下：

srn与ssn之间的传输跳数w1的计算公式如下：

其中，l1为srn与ssn的直线距离。

步骤s3.基于星图的最短路由方案，ssn节点经由sn节点将数据包传输至dsn节点。

ssn和dsn之间的路由问题，转化为星图sn,k两个节点之间的路由问题。星图sn,k的每个节点都由一个序列号表示，即每个节点都有一个身份标识符。星图sn,k的节点集为{p1…ps…pk|ps∈{1,2,...,n},ps≠ptfors≠t}。

按照每个子区域内sn的身份标识符的最后一位数字相同的规则，随机给每个sn分配一个身份标识符，然后根据星图sn,k相邻节点的形成规则建立通信链路。

ssn节点的身份标识符为issn＝u1…us…uk，dsn节点的身份标识符为idsn＝v1…vs…vk，通过ssn节点和dsn节点身份标识符之间的置换，得到ssn节点和dsn节点之间的最短路由。

s301.基于ssn节点和dsn节点的身份标识符，计算集合v、u和z，其中，v表示issn中没有且idsn中有的数字的集合，u表示issn中有且idsn没有的数字的集合，z表示issn中有且idsn中有的数字集合。

s302.判断ssn节点身份标识符的第一个数字u1是否等于dsn节点身份标识符的第一个数字v1，若是，则进入步骤s303，否则，进入步骤s304。

s303.判断集合u是否不为空集合，若是，从集合u中选择一个最大的数与u1进行位置交换，进入步骤s305，否则，进入步骤s306。

s304.判断u1∈z是否成立，若是，则找出v1…vs…vk中与u1相等的数字位于s位，则将u1与us进行位置交换，否则，进入步骤s305。

s305.判断u1∈u是否成立，若u1∈u成立，找到集合v中最小数字vt，t为vt在集合v中的位置，如果t＝1，判断集合v中是否有其他数字，若是，找到次小数字vt′，将vt′替换u1…us…uk中的第一位数字得到vt′…us…uk，否则，则将vt替换u1…us…uk中的第一位数字得到vt…us…uk，如果t≠1，则直接将vt替换u1…us…uk中的第一位数字得到vt…us…uk，完成替换之后就将替换数字从集合v中删除，判断v是否为空集，若是，结束u1与集合v中元素的替换，进入步骤s306，否则，进入步骤s304；若u1∈u不成立，进入步骤s306；

s306.判断u1…us…uk和v1…vs…vk是否排序一致，若是，结束基于星图的最短路由，否则，找出v1…vs…vk中与u1相等的数字位于s位，将u1与us进行位置交换得到us…u1…uk，结束基于星图的最短路由。

进入步骤s306时，u1…us…uk和v1…vs…vk的数字相同。

例如，issn＝3241，idsn＝1234，此时u1u2u3u4＝3241与v1v2v3v4＝1234的数字都是相同的，但是数字的排序不一样，在u1u2u3u4＝3241中第一位置上的数字3位于v1v2v3v4＝1234中的第三位，则将u1u2u3u4＝3241中第一位置上的3与第三位上的数字进行位置交换，得到u1u2u3u4＝3241→[u1u2u3u4]1＝4231。在[u1u2u3u4]1＝4231中第一位置上的数字4位于v1v2v3v4＝1234中的第四位，则将[u1u2u3u4]1＝4231中第一位置上的4与第四位置上的1进行位置交换，得到[u1u2u3u4]1＝4231→[u1u2u3u4]2＝1234，最终使得[u1u2u3u4]2＝v1v2v3v4，结束路由。

上述步骤中进行位置交换以及数字替换的总次数即为从ssn和dsn之间的传输跳数d。

根据星图sn,k的最短路由方案，ssd和dsn之间的传输跳数d的最大值计算公式如下：

基于星图sn,k具有负载均衡的最短路由的特征，sn在实现最短路由的同时，sn之间的负载是均衡的，从而提升了sn之间数据包传输的可靠性。

如图4所示，基于星图s4,2部署sn，星图s4,2的节点集为{p1p2|pi∈{1,2,3,4},i∈{1,2}}，而且p1≠p2。每个子区域的sn的身份标识符的最后一个数字p2都是相同的。例如，节点42、12、32属于同一个子区域。每个sn都有一个身份标识符p1p2，如ssn的身份标识符为24，dsn的身份标识符为13。当issn＝24，idsn＝13时，等效于u1u2＝24，v1v2＝13。ssn和dsn的路由方案如下：issn中没有而idsn中有的数字集合为v＝{1,3}，issn中有而idsn中没有的数字集合为u＝{2,4}，issn以及idsn中都有的数字集合为z＝θ。首先u1≠v1而且u1∈{2,4}，则将集合{1,3}中最小而且不是位于idsn第一位的数字3替换u1，得到34，即u1u2＝24→[u1u2]1＝34，完成此步操作之后，v＝{1}，u＝{4}，z＝{3}。3位于idsn＝13的第二位，所以将[u1u2]1＝34中的3与4进行位置交换，得到43，即[u1u2]1＝34→[u1u2]2＝43，完成此步操作之后，v＝{1}，u＝{4}，z＝{3}。继续将集合v＝{1}中的1替换43中的4，从而得到13，即[u1u2]2＝43→[u1u2]3＝13，完成此步操作之后，v＝θ，u＝θ，z＝{1,3}，此时[u1u2]3＝v1v2，结束路由过程。ssn到dsn的路由过程可表示为24→34→43→13，传输总跳数为3。当位于(-r,-r)处的srn将数据包传输至ssn后，ssn经过3跳长距离的传输将数据包传输至dsn，然后dsn再将数据包传输至位于(r,r)处的drn。

步骤s4.基于最近邻居路由方案，dsn节点经由rn节点将数据包传输至drn节点。

dsn和drn之间的数据包传输采用nnr多跳传输方案。dsn和drn之间的传输跳数w2的计算公式为：

w2＝l2/e(x)

其中，l2为dsn和drn之间的直线距离。

选取平均路径长度以及平均聚集系数，比较本发明所提出的多跳传输方法和只采用nnr方案传输方法的优劣。其中，平均路径长度表示数据包从源节点到目的节点传输的平均跳数，平均聚集系数表征节点的聚集程度。

根据步骤s2得到的srn到ssn之间的传输跳数w1，步骤s3得到的ssn到dsn之间的传输跳数为d，步骤s4得到的dsn到drn之间的传输跳数w2，从而可以得到本发明整个传输过程中的平均路径长度w，计算公式为：

w＝w1+d+w2

＝l1/e(x)+d+l2/e(x)

如果srn和drn之间只采用nnr方案传输，则平均路径长度的计算公式为：

w′＝l/e(x)

其中，l为srn与drn之间的直线距离。

因n＜＜m，rn节点数量较多，所以rn节点每一跳传输的距离相比于srn和drn之间的实际传输距离是一个比较小的值。当srn与drn之间的直线距离l满足l＞＞l1,l＞＞l2时，有(l-l1-l2)/e(x)＞max(d)，所以有w＜w′，即本发明所提出的多跳传输方法相较于nnr方案能够有效降低物联网中数据包传输的平均路径长度。

本发明的物联网平均聚集系数c的计算公式为：

其中，crn为rn的平均聚集系数，csn为sn的平均聚集系数。

因物联网通信区域内rn的数量m与sn的数量n满足关系m＞＞n，因此c≈crn，表明在物联网中部署的少量sn并没有影响网络的平均聚集系数。本发明所提出的多跳传输方法能够使得物联网的平均聚集系数仍然能够保持在较高的水平。

本发明提出的一种基于星图的多跳传输方案，相较于nnr方案，能够使得物联网中数据包传输的平均路径长度降低，然而平均聚集系数仍然保持在较高的水平，使得物联网展现出很好的小世界特性。较小的平均路径长度使得数据传输时延降低，较高的平均聚集系数使得数据传输的可靠性升高。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。