一种分区域机会传感网络连通性的评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物联网技术领域，具体涉及一类分区域机会传感网络连通性的评价方 法。
【背景技术】
[0002] 机会传感网络（Opportunistic Sensor Networks)具有移动自组织网络MANETs (Mobile Ad Hoc Networks)和延迟容忍网络DTNs(Delay Tolerant Networks)的特点，是 一种利用节点移动带来的相遇机会实现数据传输的自组织网络，节点间通过存储-携带-转 发的路由模式实现通信，消息在转发过程中延迟明显，传输过程中错误率较高。在湖泊或海 洋环境监测、战场监测、救灾系统和偏远山区通信等一类实际应用场景中，由于物理上的约 束、成本的考虑、节点损坏等原因，传感网络可能被分割成多个不连通的区域，形成分区域 机会传感网络，移动节点机会性地收集这些区域的消息实现网络的连通，场景如图1所示， 感知节点将消息转发给移动节点，移动节点通过一次或多次转发，最终将消息转发至Sink 节点。移动节点的缺失和感知节点的失效都可能导致网络的连通性下降，甚至出现网络瘫 痪的情况。因此，需要评价分区域机会传感网络的连通状况，从而采取相应策略改善其连通 性能，以满足实际应用的需要。
[0003] 目前，已有针对无线传感网络、延迟容忍网络DTNs的分层和连通性评价研究，但针 对分区域机会传感网络的相关研究有限。Harras K A和Almeroth K C在"Inter-regional messenger scheduling in delay tolerant mobile networks"【Proc·of World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks[C] .New York，USA:IEEE，2006:93-102】描述 了 DTNs随移动设备的增加导致网络出现分割和间歇连通的现象，利用移动消息Bundles实 现分割区域与互联网间的通信。Zhao D，Ma Η等人在"Differentiated probabilistic forwarding for extending the lifetime of opportunistic networks"【Proc·of Wireless Communications and Networking[C].Paris，France: IEEE，2012:3002-3007】描 述了将无线传感网络分为3层，通过中间层"数据驴"收集底层的感知数据，并投递至接入 点，移动节点连接感知节点和Sink节点，在两者之间起到枢纽的作用。
[0004] Harras K A和Almeroth K C在"Inter-regional messenger scheduling in delay tolerant mobile networks"【Proc·of World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks[C] .New York，USA: IEEE，2006:93-102】描述了米用消息投递成功率 和消息平均投递时延评价DTNs网络中三种不同区域调度策略（周期性、基于存储、按需求） 对网络连通性能的影响。Shah R C和Roy S等人在"Data mules:modeling and analysis of a three-tier architecture for sparse sensor networks"【Ad Hoc Networks, 2003，1(2):215-233】描述了采用消息投递成功率、消息投递时延、消息平均投递时延评价 DTNs的连通性。Medjiah S和Taleb T等人在"Sailing over data mules in delay-tolerant networks"[IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(1):5-13】描述了采用消息投递成功率、网络消息投递时延和网络负载等指标预测DTNs中移动节 点的连接情况。
[0005] 上述文献研究的对象是无线传感网络和延迟容忍网络DTNs，目前尚未见分区域机 会传感网络连通性的评价方法。本专利针对分区域机会传感网络的连通性提出一种可行的 评价方法，为湖泊或海洋环境监测、战场监测、救灾系统和偏远山区通信等一类实际应用提 供支撑。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是提供一种分区域机会传感网络连通性的评价方法。本发明首先 根据分区域机会传感网络的消息传输特点，将分区域机会传感网络划分为三层:底层、中间 层、顶层，感知节点处于底层，移动节点处于中间层，Sink节点处于顶层;然后通过区域消息 投递成功率、移动节点消息投递成功率计算得到子网消息投递成功率，通过区域消息平均 投递时延、移动节点消息平均投递时延计算得到子网消息平均投递时延；最后以子网消息 投递成功率和子网消息平均投递时延来评价分区域机会传感网络的连通性。
[0007] 本发明的具体步骤如下：
[0008] (1)本发明根据分区域机会传感网络消息传输的特点（感知节点将消息转发给移 动节点，移动节点通过一次或多次转发，最终将消息转发至Sink节点），将整个分区域机会 传感网络划分为三个层次，如图2所示，Sink节点相对静止，处于顶层，移动节点Fa、Fb、Fc处 于中间层，感知节点处于第3层，底层区域的感知消息依次通过中间层的移动节点转发至 Sink节点。
[0009] (2)计算区域消息投递成功率。假设区域j(j = l，2,3L n，n为最大区域个数）内时 亥Iji上感知节点消息投递至移动节点的数量为Rij，区域j (j = 1，2，3，L，η)内所有感知节点在 时刻i上产生的消息总数量为I i j。时间Τ内，区域j (j = 1，2，3，L，η)内感知节点消息投递至移 动节点的数量与区域内产生消息总数的比值为区域消息投递成功率如式（1)所示。随着 Ru的增大，区域消息投递成功率^增大，表明有更多的区域内消息被投递至移动节点。
[0011] (3)计算移动节点消息投递成功率。假设区域j( j = l，2,3L η)内时刻i投递至Sink 节点的消息数量为Jij，移动节点在时刻i从区域j (j = 1，2，3，L，n)接收到的消息总数为Qij。 时间T内，区域j(j = l,2,3,L,η)内消息投递至移动节点后，由移动节点投递至Sink节点的 数量与移动节点从该区域接收到的消息总数的比值为移动节点消息投递成功率仏，如式 (2)所示。随着的增大，移动节点消息投递成功率比增大，表明有更多的移动节点消息投 递至Sink节点。
[0013] (4)计算子网消息投递成功率。如图2所示，模型中每个区域作为一个子网，区域j (j = l，2,3，L，n)内消息最终投递至Sink节点的数量与区域j产生消息总数的比值为子网消 息投递成功率，如式(3)所示。随着子网消息投递成功率h增大，表明有更多的区域内消息 被投递至Sink节点。
[0014] 0j = ajPj (3)
[0015] (5)计算区域消息平均投递时延。假设区域」〇 = 1，2,3丄，1〇内第111条消息投递至 移动节点的时延为Tj(m)。时间T内，区域j (j = 1，2，3，L，n)内Sj条消息投递至移动节点的时 延平均值为区域消息平均投递时延，如式(4)所示。
[0017] (6)计算移动节点消息平均投递时延。假设区域」（」=1，2,3丄，1〇内消息投递至移 动节点后，由移动节点投递至S i n k节点的第m条消息的时延为τ」7 (m)。时间T内，区域j (j = l，2,3，L，n)内消息投递至移动节点后，由移动节点投递至Sink节点的S/条消息的投递时 延平均值为移动节点消息平均投递时延，如式(5)所示。
[0019] (7)计算子网消息平均投递时延。时间T内，区域j(j = l，2,3，L，n)内消息最终投递 至Sink节点的平均投递时延为子网消息平均投递时延。如式(6)所示，子网消息平均投递时 延〇』为区域消息平均投递时延^与移动节点消息平均投递时延％的和。
[0020] Φ/； (6)
[0021] 由于采用了上述方案，本发明具有如下优点：
[0022] (1)本发明充分考虑了分区域机会传感网络的消息传输特点，提出分区域机会传 感网络的连通性不仅与移动节点消息投递成功率有关，同时与区域消息投递成功率有关， 由两者计算得到的子网消息投递成功率能更好地评价分区域机会传感网络的连通性;提出 分区域机会传感网络的连通性不仅与移动节点消息平均投递时延有关，同时与区域消息平 均投递时延有关，由两者计算得到的子网消息平均投递时延能更好地评价分区域机会传感 网络的连通性。
[0023] (2)针对图1场景，区域Ra、Rb、Rc、Rd、Re的区域消息投递成功率、移动节点消息投 递成功率、子网消息投递成功率分别如图3、图4、图5所示。
[0024]图3中，5个区域的区域消息投递成功率均较高。与区域Ra、Rb、Rc相遇的移动节点 数相同，均为1，因此Ra、Rb、RC的区域消息投递成功率接近;与区域Rd、Re相遇的移动节点数 相同，均为2,因此Rd、Re的区域消息投递成功率接近，且均高于Ra、Rb、Rc的区域消息投递成 功率。
[0025]图4中，与区域Re相遇的移动节点数为2,其中一个移动节点为Fa，Fa与Sink节点相 遇，所以Re的移动节点消息投递成功率最高；区域Ra只与Fa相遇，所以其移动节点消息投递 成功率次之；区域Rc离Sink节点最远，其消息需经过多次移动节点的转发才可能到达Sink 节点，有些消息因为TTL(Time to Live)到期而被丢弃，因此Rc的移动节点消息投递成功率 最低。
[0026]由图3、图4的分析