机会群智感知网络中态势感知的自适应数据传输方法

摘要

本发明涉及一种机会群智感知网络中态势感知的自适应数据传输方法，属于无线传感器网络和移动自组织网络技术领域。在该方法中，网络中的节点根据自身情况以及网络的历史信息，估计自身的节点剩余能量、与目的节点的相遇概率、消息传输的跳数，然后节点利用其所在的局部拓扑信息，对当前所处的网络环境做出判断并进行合适的数据传输机制的选择。通过本方法，可以对网络中存在的连通MANET子网进行准确的识别并在数据传输过程中充分地利用，使其不易受到节点移动性，网络拓扑的时变性影响，在提高数据传输成功率降低网络开销的同时，提高数据传输策略的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络和移动自组织网络技术领域，涉及一种机会群智感知网络中态势感知的自适应数据传输方法。

背景技术

随着物联网、大数据等信息技术的飞速发展和应用研究的不断加深，通信网络系统的多网、多技术融合趋势逐年上升，信息化发展即将产生重大的变革和新的突破—利用移动终端中丰富多样的传感器，提供以人为中心的感知与计算。在此背景下，群智感知技术应用而生。群智感知是物联网新型感知模式—“prosumer”，与传统有意识部署的固定无线传感器网络(Wireless sensor network，WSN)的“consumer”模式不同，它是将众包思想与移动感知相结合，将普通用户的移动设备，如手机、pad、智能手表等作为基本的感知单元，通过移动互联网进行有意识或无意识的协作，从而实现感知任务分发与感知数据收集等操作，最终完成大规模的、复杂的社会感知任务。但随着感知规模的扩大，由于节点移动、稀疏性分布、时变的网络拓扑、以及资源受限等特点，使得传统的WSN或移动自组织网络(Mobile Ad hoc Network,MANET)等需要建立端到端连接的通信模式难以有效运行。

目前，大量的移动设备嵌有丰富的无线通信接口和传感功能器件，并创造了大量的接触机会。机会群智感知网络就是不需要任何的通信基础设施，利用移动设备之间机会型的接触建立起的多跳传输移动机会网络。在此网络中，移动设备可以随时随地的到达任何地点，进行随时随地的感知，所产生的数据利用随人移动带来的通信机会进行传输，完成感知任务，不受通信链路在时间域或空间域非连通特性影响。而且群智感知网络因其广泛的时空覆盖、低廉的成本、优秀的可扩展性以及透彻的感知，一经出现就迅速得到了产业界和商业界的关注和高度重视。目前，群智感知网络在健康护理、智能交通、社交网络、以及环境监测等不同领域得到了发展和应用。然而，群智感知作为一种新的研究领域，在大规模应用研究中仍有很多问题亟待解决。例如，由于人群移动具有自主性和随机性，很难存在端到端的连通路径。如何设计轻量级、分布式的机会数据传输策略，满足大规模的自主组网需求，是目前机会群智感知网络研究中迫切需要解决的关键科学问题之一。

由于节点的移动性、射频关闭、以及节点资源受限等因素会导致网络拓扑实时动态变化，因此，设计高效可行的自适应数据传输策略绝非易事。目前机会群智感知中数据传输策略分为两种：一种是采用端到端的数据传输方式，另一种则是采用“存储-携带-转发”的逐跳数据传输方式。即网络拓扑建立在任意两节点之间存在端到端传输路径或网络中任意两节点之间无通信链路的假设基础之上，然而这种假设在真实的大规模群智感知网络模型很少存在，因为由于节点移动以及节点分布稀疏的差异性，会造成网络拓扑实时动态变化，以致于整个网络拓扑产生分割现象，即网络拓扑由多个连通子网构成，在连通子网内部可以采用端到端的通信方式，而在不同的子网之间无法进行通信。也就是说，在大规模的群智感知网络环境中单独采用端到端的数据传输方式会产生“路由空洞”问题，以致造成数据成功投递率较低的问题；而单独采用“存储-携带-转发”在增加网络的鲁棒性同时会增加传输的时延和网络的开销。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机会群智感知网络中态势感知的自适应数据传输方法，用于解决目前群智感知网络中的“路由空洞”问题，以提高消息的成功投递率以及降低网络的开销。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机会群智感知网络中态势感知的自适应数据传输方法，在该方法中，网络中的节点根据自身情况以及网络的历史信息，估计自身的节点剩余能量、与目的节点的相遇概率、消息传输的跳数，然后节点利用其所在的局部拓扑信息，对当前所处的网络环境做出判断并进行合适的数据传输机制的选择；具体包括以下步骤：

S1：网络中的每个节点通过获取网络信息、当前节点与网络中其他节点的相遇持续时间t_i,j、网络运行总时间t_total，同时结合传递性和时间衰退性，估计其与目的节点的相遇概率；

S2：网络中的每个节点根据以下三方面的能量消耗来估计自身节点剩余能量：转发能耗E_t、接收消息能耗E_r以及路由发现能耗E_f；

S3：节点对网络拓扑的态势进行感知：移动节点首先广播发送一个Hello消息，然后该区域中的其他移动节点在接收到Hello消息后，更新自己的邻居列表；然后移动节点统计邻居节点的信息，包括邻居节点个数以及邻居节点的移动速度，依据节点所在局部环境中节点的物理密度ρ、连通密度P(k-con)以及节点的相对移动速度对网络的拓扑态势做出判断；

S4：依据网络拓扑态势判断结果，对数据传输策略进行选择，若节点位于稳定的连通子网，则采用端到端的数据传输策略；否则采用“存储-携带-转发”的数据传输策略。

进一步，在步骤S3中，节点对网络拓扑的态势进行感知具体包括以下步骤：

S31：网络中所有节点周期性地在一跳范围内广播生命周期为1的Hello消息，Hello消息包含本节点邻居列表及对应的移动速度、节点剩余能量，以及本节点已知的目的节点对应的投递概率等；

S32：节点收到Hello消息后，首先进行链路状态的建立与维护；然后，节点将收到的邻居节点的信息(节点移动速度、节点剩余能量、以及本节点已知的目的节点对应的相遇概率等)与节点自身维护的邻居节点信息进行比较更新，并根据成功接收的Hello消息，统计邻居节点个数以及对应节点的移动速度，对当前的拓扑态势做出判断，判断其是符合MANET(Mobile Ad hoc Network)还是DTN(Delay Tolerant Networks)网络特性；

S33：网络中的节点倘若在规定的3个周期内没有接收到其邻居列表中节点发来的Hello消息，则认为两者之间的链路已经断开，那么该节点从其邻居列表中删除对应链路断开的信息。

进一步，在本方法中，利用最优停止理论进行中继节点的选择，从而将中继节点选择问题转化为“对于消息m来说，节点n_i是否是性能最优的节点”问题，避免“热点”的频繁传输消息，解决“路由空洞”问题。

本发明的有益效果在于：本发明提出的机会群智感知网络中态势感知的自适应数据传输策略，能够充分考虑节点以及节点之间的各方面因素，从而可以充分利用节点之间连接的差异性进行自适应的路由机制转换，提高消息的投递率以及降低网络的开销；并且在进行中继节点选择时，利用最优停止理论避免“热点”的频繁传输消息，从而很好的解决“路由空洞”问题，延长网络的寿命。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为机会群智感知网络示意图；

图2为源节点S和目的节点D位于不同分割子网示例图；

图3为源节点S为信息孤岛，目的节点为分割子网示例图；

图4为态势感知的自适应数据传输策略示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图4为态势感知的自适应数据传输策略示意图，本发明具体包括以下步骤：

S1：网络中的每个节点通过获取网络信息、当前节点与网络中其他节点的相遇持续时间t_i,j、网络运行总时间t_total，同时结合传递性和时间衰退性，估计其与目的节点的相遇概率；

S2：网络中的每个节点根据以下三方面的能量消耗来估计自身节点剩余能量：转发能耗E_t、接收消息能耗E_r以及路由发现能耗E_f；

S3：节点对网络拓扑的态势进行感知：移动节点首先广播发送一个Hello消息，然后该区域中的其他移动节点在接收到Hello消息后，更新自己的邻居列表；然后移动节点统计邻居节点的信息，包括邻居节点个数以及邻居节点的移动速度，依据节点所在局部环境中节点的物理密度ρ、连通密度P(k-con)以及节点的相对移动速度对网络的拓扑态势做出判断；

S4：依据网络拓扑态势判断结果，对数据传输策略进行选择，若节点位于稳定的连通子网，则采用端到端的数据传输策略；否则采用“存储-携带-转发”的数据传输策略。

图1为机会群智感知网络示意图，下面对本实施例进行详细说明：

1、消息中继节点的选择算法

在网络中每个节点根据网络的历史信息、当前节点与网络中其他节点的相遇持续时间t_i,j、网络运行总时间t_total，同时结合传递性和时间衰退性，计算维护其与目的节点间的相遇概率。而且，网络中的每个节点都被赋予一个初始能量E_init，节点剩余能量用E_res表示。在本实施例中，节点的能量消耗主要分为三个方面：转发消息能耗E_t、接收消息能耗E_r与路由发现能耗E_f，另外在所研究的网络中具有以下假设:

1)E_t和E_r依据每次接收或发送一个数据包计算，E_f为每秒钟进行路由发现的扫描能耗，并且节点能量耗尽时不再进行扫描和信息的收发。

2)网络中的节点不能进行电源供给，即在参与网络过程中不能进行电池的更换以及充电操作。

其中，转发消息能耗主要指节点为其相遇的节点转发携带消息所消耗的能量；与转发能耗类似，节点的接收能耗主要指节点接收消息的能量消耗。通常认为，节点的转发能耗和接收能耗与节点接收和转发的消息数目成正比。路由发现能耗则是指为感知邻居节点，进行信道扫描所消耗的能量。假设节点发送单位字节所需的能量消耗为e_t，消息大小为C_i，发送了m个数据包，那么E_t为：

$E_i=e_i\times \underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{C}_i---\left(1\right)$

假设节点接收单位字节所需的能量消耗为e_r，消息大小为C_i，接收了n个数据包，那么E_r为：

$E_r=e_r\times \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{C}_i---\left(2\right)$

假设节点单位时间的扫描能耗为e_f，扫描时长为Δt，那么E_f为：

E_f＝e_f×Δt(3)

节点的总能耗E_c和节点的剩余能量E_res为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_c=E_t+E_r+E_f\\ E_{res}=E_{init}-E_c\end{array}\right)---\left(4\right)$

为了进一步降低开销，需要对消息转发提出更高的要求，即确保消息转发给系统中具有最高性能的节点。从概念上来讲，就是希望网络中生成的消息副本数尽量的少，并且选择一些最佳性能的节点携带消息。最优停止理论是研究何时停止最为有利的数学理论，利用最优停止理论可以将路由问题转换为“对于消息m来说，节点N_i是不是性能最高的节点？”问题。

在机会群智感知网络中消息暂带者选择的好坏与跳数成反比，与节点的剩余能量、节点的相遇概率成正比。则节点的效应值表示如下：

$R=\frac{{\mathrm{pE}}_{res}}{T}---\left(5\right)$

其中p表示节点与目的节点的相遇概率，T表示数据包的传递跳数，p的计算公式如下：

$p_{(a,b)}=p_{(a,b)old}+(1-p_{(a,b)old})\times \frac{t_{ij}}{t_{total}}---\left(6\right)$

p_(a,b)＝p_(a,b)old×γ^k(7)

p_(a,c)＝p_(a,c)old+(1-p_(a,c)old)×p_(a,b)×p_(b,c)×β>

当节点a，b相遇时，按公式(6)更新计算节点a，b的相遇概率；当节点一段时间没有相遇时，其概率按公式(7)衰退，其中γ是衰退因子，k为距离上次衰退的总时间与衰退周期的比；节点a按公式(8)更新其通过节点b到节点c的投递概率。

2、态势感知方法

根据不同的应用领域，网络态势又可分为安全态势、拓扑态势、传输态势、生存态势等。在本实施例中，态势感知指的则是网络拓扑态势的感知，其基本原理是：移动节点首先广播发送一个Hello消息，然后该区域中的其他移动节点在接收到Hello消息后，更新自己的邻居列表。具体过程如下：

a)网络中所有节点周期性地在一跳范围内广播生命周期为1的Hello消息，Hello消息包含本节点邻居列表及对应的移动速度、节点剩余能量，以及本节点已知的目的节点对应的投递概率等；

b)节点收到Hello消息后，首先进行链路状态的建立与维护；然后，节点将收到的邻居节点的信息(节点移动速度、节点剩余能量、以及本节点已知的目的节点对应的相遇概率等)与节点自身维护的邻居节点信息进行比较更新，并根据成功接收的Hello消息，统计邻居节点个数以及对应节点的移动速度，对当前的拓扑态势做出判断(符合MANET还是DTN网络特性)；

c)网络中的节点倘若在规定的3个周期内没有接收到其邻居列表中节点发来的Hello消息，则认为两者之间的链路已经断开，那么该节点从其邻居列表中删除对应链路断开的信息。

3、数据传输策略的自适应转换机制

为了提高消息的投递率，降低投递时延，需要对网络中的MANET子网(或部分路径片段)做出准确的识别和判断。由于机会群智网络中的节点具有高度自组织性、动态性，因此在复杂环境下一个重要而基础的问题是维护节点间的连通性。连通性是MANET进行数据传输的基本条件。因此，本发明在节点的移动性、邻居节点数目以及具有k-连通网络的基础上，提出了MANET子网动态检测方法。

网络节点密度和节点移动速度是影响MANET网络性能的主要因素，其中网络节点密度可以分为物理密度和连接密度。物理密度是指覆盖区域内节点的数目；连接密度是指覆盖区域内连接的节点数目。当在特定区域内，大量节点彼此之间挨得很近时，物理密度认为是密集的，反之则是稀疏的。然而，当检测网络中MANET子网时，还应该考虑在特定区域内网络的连通性。

基于通信范围内节点数，网络密度定义如下：

节点周围节点数目表示该节点的度d；

节点度d＝0则认为该节点是与网络相隔绝的；

d_min表示节点最小节点度，并且认为是网络中所有节点度的最小值；

如果网络中任意节点之间都存在一条链路，则认为网络是连通的，否则认为网络是分割的；

一个连通的网络总是满足最小节点度d_min＞0，反之则是不正确的；

如果网络中每对节点之间都存在相互独立的k条链路连接它们，则认为网络是k-连通的。

节点密度计算如下所示：

P(k-con)≈(1-e^-μ)ⁿ(9)

μ＝ρ*π*r²(10)

ρ＝n/A (11)

其中：

P(k-con)表示k-连通概率；n表示邻居节点数目；r为节点的通信半径；ρ表示节点密度；A表示预定义面积大小。在本发明中k值设置为1，这意味着对于任何给定的网络，如果满足P(k-con)≥0.95，其中k＝1，则认为网络是密集的，而且在给定的区域中节点之间存在1条相互独立的链路，即网络认为是1-连通的。

假设节点通信范围内的每个邻居节点速度为v_i，γ_th为相对移动速度阈值，则节点相对移动速度计算如下：

$v_{avg}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_i---\left(12\right)$

$\frac{|v_i-v_{avg}|}{v_{avg}}\le {\gamma }_{th}---\left(13\right)$

如果满足P(k-con)≥0.95且则节点所在的网络符合存在部分路径片段，适合采用MANET的数据传输模式；否则，采用“存储-携带-转发”的DTN数据传输模式。

4、路由发现过程

利用消息暂时携带者的思想：如果目的节点不可达，但是其他节点距离目的节点较近或与目的节点频繁接触，那么可以将这些节点作为消息的暂时携带者，将消息转发给消息的暂时携带者，然后利用节点之间的接触机会，最终将消息投递至目的节点。本发明中路由发现过程分为两种情况：一种是源节点采用MANET数据传输方式；另一种是源节点采用DTN数据传输方式。

4.1从MANET至DTN的异步数据传输策略

如图2(a)所示，当源节点和目的节点位于不同的分割子网时，源节点S首先发起AODV的RREQ寻找到目的节点的路径，同时将到目的节点的投递阈值p_th设置在[0，1]之间，如果可以找到目的节点，则按AODV进行常规路由；否则，源节点所在的MANET子网中到目的节点相遇概率p大于p_th的所有节点向源节点回复RREP，然后源节点S根据公式(5)判断性能最优的消息暂时携带者，并将数据包转发至该节点，如图2(b)所示选择R₂作为消息的暂时携带节点，然后由R₂节点转换为“存储-携带-转发”的DTN数据传输模式。R₂携带消息运动，并依据最优停止理论寻找到下一消息中继节点R₃。如图2(c)当R₃节点携带消息达到目的节点所在的MANET子网时，再次转换为MANET的数据传输模式。

4.2从DTN至MANET的异步数据传输策略

如图3(a)所示，当源节点S采用“存储-携带-转发”的DTN数据传输方式，而目的节点位于连通的MANET子网时，首先，S根据公式(5)进行中继节点的选择，选择R₄作为中继节点；如图3(b)所示，当R₄到达目的节点所在的MANET子网时，递交数据包给相遇节点N，然后节点N在其所在的MANET子网内发起RREQ寻找到目的节点的路径，目的节点D收到RREQ后向节点N回复RREP；如图3(c)所示，节点N最终将数据包发送至目的节点D。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。