基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法
阅读：245发布：2020-06-25
专利汇可以提供基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种DTN网络路由方法。DTN(Delay/Disruption Tolerant Networking)网络是从星际网络、卫星网络、Ad Hoc网络和 传感器 网络等受限网络中抽象出来的一种特殊的网络模型，其典型特征是 节点 之间的链路延时很长或存在间歇性中断。由于DTN网络在受限网络环境下具有明显的技术优势，目前已成为战场通信、深空通信和应急通信等领域的研究热点，其研究成果已经在一些领域得到了实际应用。研究了DTN网络异步路由 算法 ，对几种典型算法进行了分析对比，指出了存在的主要问题。在此 基础 上建立了DTN时变网络模型和节点 位置 预测模型 ，提出了基于节点位置预测的路由算法，并通过仿真验证了该算法的合理性和有效性。，下面是基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法专利的具体信息内容。
1.一种基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法，其特征是步骤包括：
a)源节点S向目的节点D发送报文，报文中标明了目的节点名称、源节点名称、发送序号、发送时间以及地理位置；
b)如果源节点S的辐射范围内的节点收到信息，则首先验证该节点是否是目的节点，如果是，就转到步骤e)；
c)如果该节点不是目的节点，则判断目的节点是否处于该节点的转发范围，如果目的节点处于该节点的转发范围内，则向目的节点转发，转到步骤e)；
如果目的节点不处于该节点的转发范围内，则进一步判断转发路径上有中间节点，如果没有中间节点，则接收此报文并进行存储转发；
d)如果目的节点不在转发范围内，或转发路径上没有中间节点，则以预定概率p(0＜p＜1)接收存储报文，返回步骤b)；
e)如果目的节点接收报文，则返回确认信息，数据传输成功；如果目的节点不接收报文，则直接丢弃报文。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤c)中，转发路径的判断是以转发节点与目的节点之间的地理位置为准，在本节点到目的节点的方向上下俯仰α(0≤α≤45°)角范围之内有中间节点时，认定转发路径上有节点，若没有或超出这个范围，则认为转发路径上没有节点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤d)中，节点在接收存储报文后，进行随机移动，然后执行“存储-携带-转发”的路由方式向其它节点方向运动。
基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法
一技术领域
[0001] 本发明涉及一种延迟容断网络(DTN)的路由算法，主要是一种基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法，属于无线通信网络领域。二背景技术
[0002] 延时容断网络(Delay/Disruption Tolerant Networking，DTN)是Kevin Fall博士于2003年在原有通信体制(TCP/IP)不能很好地发挥效能的情况下而提出的一种新思想，用于解决某些受限环境下的网络连接问题。在这些受限环境中，传统网络的基本假设常常被或多或少的破环了，如陆地移动环境中，端到端的链路经常被中断；卫星通信/深空通信的最大往返时间可能要长达几秒钟或几分钟甚至更长；军事通信会受到强烈的电磁干扰，使得链路质量很差，系统丢包率要上升几个量级；另外无线传感器网络、应急通信网络等特殊场景下终端的能量、发送功率、待机时间严重受限。DTN网络是一种通用的容忍中断延迟的、面向消息的、基于捆绑层的覆盖式体系结构，简称延时中断容忍网络或延时容断网络。
[0003] 基于TCP/IP协议的Internet网络已经在互联全球异构网络上取得了巨大的成功，为一系列面向Internet网络的应用协议提供了广泛的服务，包括端到端的数据交付、可靠的双向数据流和信息交付、基于策略的聚集路由发现以及数据共享。但是，这些协议的良好运行都是基于一定的前提条件，如稳定的端到端连接、端到端的可靠数据传输、较低的传输延迟和差错率。而战术电台的通信环境往往是山区、战场、城市等受限网络环境，经常受到地形、天气和电磁干扰等因素的影响。在这些环境下，通信常常因各种因素影响而产生中断，从而导致数据丢失或通信断链。战术电台之间的通信是建立在通信终端之间始终有通信路由的基础之上的，但对于受限网络环境，情况要艰难得多。通信终端之间的路由并不稳定，如在战场环境下，部队或战士通信所用的无线信号都比较靠近地面，十几米高的小坡或建筑物就可能对通信造成影响，使通信链路不稳或被迫中断，这可能造成重要信息丢失甚至无法通信，给部队带来巨大的损失甚至生死的考验。
[0004] DTN网络的独特性就在于不论是否存在稳定的端到端连接，都能可靠地收发数据。针对战术电台组网现状，采用DTN技术，使每个通信节点都有存储功能，并能于再次连通时把保存的信息发送出去，这种能力在战斗或重大灾难中可能成为致胜的关键。对DTN异步路由算法技术展开研究，在确保战术电台原有通信效能的同时，提高电台的连通能力和通信可靠性，增强战术电台在受限网络环境下的通信能力。
三发明内容
三发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法，使得DTN网络能够应对各种复杂的通信环境，增强路由选择的可靠性和有效性，提高整个通信网络的通信性能。
[0006] 一种基于节点位置预测的DTN网络异步路由算法，具体步骤包括：
[0007] a)源节点S向目的节点D发送报文，报文中标明了目的节点名称、源节点名称、发送序号、发送时间以及地理位置；
[0009] c)如果该节点不是目的节点，则判断目的节点是否处于该节点的转发范围，如果目的节点处于该节点的转发范围内，则向目的节点转发，转到步骤e)；
[0010] 如果目的节点不处于该节点的转发范围内，则进一步判断转发路径上有中间节点，如果没有中间节点，则接收此报文并进行存储转发；
[0011] d)如果目的节点不在转发范围内，或转发路径上没有中间节点，则以预定概率p(0＜p＜1)接收存储报文，返回步骤b)；
[0012] e)如果目的节点接收报文，则返回确认信息，数据传输成功；如果目的节点不接收报文，则直接丢弃报文。
[0013] 所述步骤c)中，转发路径的判断是以转发节点与目的节点之间的地理位置为准，在本节点到目的节点的方向上下俯仰α(0≤α≤45°)角范围之内有中间节点时，认定转发路径上有节点，若没有或超出这个范围，则认为转发路径上没有节点。
[0014] 所述步骤d)中，节点在接收存储报文后，进行随机移动，然后执行“存储-携带-转发”的路由方式向其它节点方向运动。
[0015] 本方法的理论依据说明如下：
[0016] 异步路由算法
[0017] 路由算法(Routing Algorithm)一直是网络通信的一项关键技术，它负责确定一个进来的分组应该被传送到哪一条输出线路上，以实现将分组从信源经选定的路由发送到信宿节点。DTN网络与传统网络相比又具有特有的属性和要求，具体对比如图1、图2所示。
[0018] 相对于传统网络的路由方式，DTN网络路由方式的主要特点在于：
[0019] a)传统网络是基于端到端的方式进行路由转发的，在链路创建的一段时间内，整条链路认为是保持静态不变的，而DTN网络的路由转发是基于逐跳的方式，即在收发过程中不能保证整条链路的持久可靠。
[0020] b)传统网络信息的路由转发基本上是在同步或准同步的情况下进行的，而DTN网络的显著特点就是允许在异步条件下进行信息的路由转发。
[0021] c)传统网络路由信息的获得仅仅是基于当前网络状态，不考虑网络的历史状态和未来状态，而DTN网络由于不能保证实时同步，路由信息的获得就不仅要依据当前状态，还要依据历史信息和当前信息预测出将来可能出现的网络状态，选择可靠性高的路径进行转发。
[0022] d)传统网络的路由可以抽象为一张静止同步图，而DTN网络由于要考虑网络的历史状态和未来状态，可以看作是一张时变动态图。
[0023] e)传统网络的路由算法在分析运算查找之后，一般只是给出特定原则下的一条最优路径，然后将数据依此转发，而DTN网络则要考虑网络的随机中断和可变延时特性，结合保管传输和存储转发等机制，综合分析各条链路的可靠性和稳定性，给出一组可选路由，进行可靠转发。
[0024] DTN网络模型
[0025] 如何从理论上对DTN网络进行描述和刻画，一直是DTN网络研究的关键问题。国际上一些学者进行了有益的尝试和验证，提出了基于高维欧式空间的移动模型和基于概率空间的数学模型。对DTN网络的抽象模拟，最大的问题是链路状态以及网络状态都会随时间不断变化，这使得传统的图论难以进行准确描述，需额外增加时间参数进行描述。把整个DTN网络抽象为一张随时间不断演进的时空图，如图3所示，在传统的图论分析中加入一个时间参量，建立数学模型，然后进行研究分析验证。
[0026] a)时变网络。通过在传统图论中加入时间参量，来表征DTN网络拓扑随时间变化的特性，其拓扑关系可以表示为：
[0027] G(t)＝(V(t)，E(t)) (1)
[0028] 其中：V——网络节点；
[0029] E——节点联系；
[0030] t——时间参量。
[0031] 如果对于 都有G(t1)＝G(t2)，则此网络称为静态网络；
[0032] 如果对于 都有G(t1)≠G(t2)，则此网络是完全动态网络；
[0033] 如果 使得G(t1)＝G(t2)，其中T＝[t1，t2]，则G(t)为时变网络。在这个网络中，在一段时间内某些节点之间关系相对稳定，可以建立起一条端到端的路径。
[0034] b)动态演进网络。对于给定的时变网络G(t)以及时间序列T＝t0，t1，…tk，其中ti＝[t′i，t″i]表示离散化的时间段。随着时间的推进，整个网络会不断发生演化，节点之间的联系也会发生变化，此时节点之间联系E也将是关于时间t的函数，并且产生一系列动态子图：
[0035] Gsub＝G1，G2，…，Gk (2)
[0036] 如果这些动态子图满足：
[0037]
[0038] 则称该时变网络G(t)为动态演进网络，即整个网络是完备且可分的。这意味着整个DTN网络中节点之间在某些时间内可能并不存在端到端的连接，但是随着时间的推进，通过借助中间节点可以实现部分的互联互通，最终实现异步的端到端连接，这也是DTN网络一种常见的表现形式。
[0039] c)异步转发路径。在动态演进网络G(t)中，随着时间的推进，整个网络是在不断地向前演变，网络中节点之间的联系有时是阶段性的。但是如果能够恰当的利用节点的阶段连接，通过采取“存储-携带-转发”的方式或“存储-等待-转发”的方式，也有可能实现数据的分段传输，可以说是找到了一条“时间上的异步转发路径”，将任意节点a，b之间的路径p(a，b)表示为时间演进序列：
[0040] p(a，b)＝((a，x1，t1)，(x1，x2，t2)，…，(xi，b，tk)) (4)[0041] 其中：xi∈V表示网络中的各个中间转发节点；
[0042] ti≤ti+1表示节点转发时间不断向前演进；
[0043] (xi，xi+1，ti+1)表示在时间段ti+1之内节点xi与xi+1保持联系。
[0044] 基于Markov过程的节点位置预测模型
[0045] 在DTN网络中，各个节点的移动轨迹一般是不确定的，但是通过实际生活长期观测和现有数学理论可知，节点的运动一般是有规律可循的，通过分析节点的运动规律，对节点的运动轨迹做出一定程度的预测，可以加强数据转发的针对性和目的性，提高数据交付率。
[0046] 本文将节点的运动过程抽象为一个Markov随机过程，利用Markov过程的预测特性对节点位置进行预测。模型设置如下：
[0047] a)网络中所有节点在规定的范围内运动；
[0048] b)将这个规定的地理空间划分为m个区域；
[0049] c)网络中每个节点在这m个区域问以一定的概率进行随机运动；
[0050] d)网络中每个节点的运动是独立不相关的，节点的位置转移矩阵为：
[0051]
[0052] 其中：矩阵M反映了各个位置之间的转移概率(可通过观察或自主学习获得)；
[0053] PLij表示节点从当前位置Li，下一时刻转移到位置Lj的概率；
[0054] 对于任意位置Li，满足状态空间的归一性：
[0055]
[0056] 利用上面的假设，结合网络实际和链路状态获得对应节点之间的转移矩阵，对于给定任何一个节点的当前位置，通过与转移矩阵M运算就可以预测出节点未来时刻的位置；然后利用这些位置信息，作为节点转发报文的依据，提高数据的交付率。
[0057] 基于节点位置预测的路由算法
[0058] 由于DTN网络链路的中断特性，网络的拓扑会经常发生变化，本文提出基于节点位置预测的路由算法，通过预测的方式对DTN网络节点的位置进行判定。
[0059] 路由算法基于如下假定：
[0061] b)网络节点可以对信息副本可靠存储，支持DTN网络“存储-携带-转发”和“存储-等待-转发”的路由方式；
[0062] c)网络节点可以通过外部定位方式获得自身和目的节点的位置信息；
[0064] 图1是传统网络路由示意图
[0065] 图2是DTN网络路由示意图
[0066] 图3是时变网络中S到D的转发路径
[0067] 图4是预测路由算法流程图五具体实施方式
[0068] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0069] 以图3为例，整个网络由2个移动节点和6个静止节点组成，随着时间的推进，网络拓扑不断演进，整个网络是一个随时间演进的动态网络。
[0070] 通信目的：数据源节点S发送信息给目标节点D。
[0071] 传输过程：S将数据发送给中间节点NO，NO在转发给节点N2的同时自己保留了一份副本，然后向节点方向运动，采取“存储-携带-转发”的路由方式；节点NO在运动的过程中遇到了节点N4，转发数据，然后继续运行，直至运动到目的节点D范围之内。同时数据经N4转发后到达N5节点，N5由于不能任意移动，采取“存储-等待-转发”的路由方式，等待与目的节点的连接。目的节点D在移动的过程中，同时收到N0和N5发来的信息，经过取舍确认后完成整个数据收发过程。
[0072] 图4所示预测路由算法具体流程如下：
[0073] a)源节点S向目的节点D发送报文，报文中标明了目的节点名称、源节点名称、发送序号、发送时间以及地理位置等相关信息；
[0074] b)辐射范围内的节点收到信息，首先验证本节点是否是目的节点，如果是就接收报文，返回确认信息，数据传输成功；
[0075] c)如果本节点不是目的节点，则以位置预测为依据判断是否存储该报文，如果目的节点处于转发路径上或转发路径上有节点则接收此报文并进行存储转发；
[0076] d)如果目的节点不在转发范围内，或转发路径上没有节点，则以预定概率p(0＜p＜1)接收存储报文；
[0077] e)节点在接收存储报文后，进行随机移动，然后执行“存储-携带-转发”。
[0078] 其中，转发路径的判断是以转发节点与目的节点之间的地理位置为准，在本节点到目的节点的方向上下俯仰α(0≤α≤45°)角范围之内有中间节点时，认定转发路径上有节点，若没有或超出这个范围则认为转发路径上没有节点。
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