一种面向时延容忍网络的端到端通信方法与系统

摘要

一种面向时延容忍网络的端到端通信方法，1)测算端到端之间的数据传输需求；端到端之间需要交互的数据主要分为：业务数据、时间数据和位置数据；用户数据是根据具体的业务要求而定，包括传感器数据、语音数据、图像、视频数据；时间数据和位置数据统称为时空数据；传输的数据由位置信息、运动状态以及业务数据组成，业务数据会根据采集数据的大小而产生大的变化；2)评估通信的传输能力；3)进行数据托管，数据托管是源节点与目的节点之间受限于连通性和通行能力时为了保障数据完备和交换转发而采用的服务方式，利用基站与节点通信的连接利用空闲时间来将数据存储在基站本地，依托基站进行数据代理转发。

说明书

技术领域

本发明属于端到端通信技术和延迟容断网络领域，具体涉及一种面向容时容断网络的端到端通信方法与系统。

背景技术

随着通信和网络技术的不断发展，通信网络基础设施越发先进，Internet网络取得了空前的成功。然后，这类通信网络有许多的假设例如：必须存在持续的端到端的路径；任意收发节点对之间的较小且相对一致，通信链路误码率及丢包率要低，应用程序无须考虑通信性能等。

但是，很多网络应用场景是无法满足上述假设条件的，且具有以下问题和特征：1)对于在一些特定的网络环境和条件下，诸如灾害应急通信，野外通信、车联网、传感器网络等实际通信网络场景，地面无线通信基站之间存在覆盖空白地区，形成通信孤岛；2)卫星通信可以解决地面无线覆盖的间隙，但由于性价比、设备尺寸、通信频度、功耗无法限制了移动节点使用，比如现在的北斗一代卫星短报文通信的通信性能是每次最多提供120个汉字或1680比特的短报文通信服务，民用通信容量仅有78字节；民用通信频率为60秒/次。3)移动节点为了控制功耗，无法长期保持通信状态。综合来看，这些实际非理想网络中可能由于节点高速移动性、稀疏、交替活跃，或者出于安全原因而实施无线电静默，或者遭受恶意攻击等造成网络间歇性的连接，这导致报文在传输过程中不能确保端到端的路径，这类通信网络也被称为时延容忍网络(DTN，Delay Tolerant Networks)。

时延容忍网络间歇性连接的原因有很多，比如，当前时刻没有连接两个节点的端到端路径，节点为节约资源暂时关闭电源，节点移动导致拓扑变化，都会造成连接中断。网络中断可以有一定规律，如卫星网络；也可以是随机的，如传感器网络。

发明内容

本发明的目的是，针对上述时延容忍网络特征的通信限制，造成端到端之间的间歇性通信问题，如果确保端到端之间可靠通信成为一个挑战性问题。本发明通过预测分析运动通信节点的轨迹，进而预测运动通信节点的通信能力，对比待传输的实时数据，通过影响移动节点的轨迹，调控节点的通信间隔，在加上引入数据托管代理机制，确保端到端之间的数据可靠传输。

本发明针对时延容忍网络间歇性连接问题，分析研究节点之间的可靠通信问题，为了实现端到端之间的数据可靠传输，本发明综合轨迹预测、通信能力预测、托管传输、轨迹调控等方法为一体，提出了一种面向时延容忍网络的端到端通信方法。本发明首先预测端到端的通信要求，通过轨迹预测计算下一个时间片的端到端连接情况，如果不满足通信要求，可以选择轨迹调控和托管传输，使得端到端连接带来的通信能力能够适配通信要求，从而实现数据的有效传输。

本发明技术方案是：一种面向时延容忍网络的端到端通信方法，其步骤如下，

(1)测算端到端之间的数据传输需求；端到端之间需要交互的数据主要分为：业务数据、时间数据和位置数据；用户数据是根据具体的业务要求而定，包括传感器数据、语音数据、图像、视频数据；时间数据和位置数据统称为时空数据，这是业务数据的基准，重要性突出，传输优先级最高；

在不同的时刻会对数据的传输有着不同的要求，传输的数据由位置信息、运动状态以及业务数据组成，业务数据会根据采集数据的大小而产生大的变化，因此，对于每个时间片内，假定其平均的传输速率为C_i,所以在整个通信的过程中总的数据容量为i代表时间片的总数，T_i和C_i表示所有时间片和时间片内的平均传输速率；

(2)评估通信的传输能力；

步骤1：节点的连通性预测，节点在网络发生中断后，会开始进行未来一段时间内的连通性预测。设定一个时间间隔t作为预测连通性的时间范围，节点根据收到的目的节点的位置信息和运动状态对目的节点的运动轨迹作出初步预测，在结合自身的运动轨迹会对这一段时间t内的通行进行判断；

连通性时长分为能够直接端到端连通的时长t_d和仅能与基站进行通信的时长t_b两种；这两部分的时长根据两个节点的速度、运行方向和基站信号的覆盖范围计算。

步骤2：节点的通信能力计算

由步骤1得到的连通性预测情况，将节点在该段时间t内的通信能力分成两部分来计算，一部分是直接端到端通信，另一部分是基站与节点间的通信；

前者是直接通信的方式，对应的时间即为步骤1中的端到端通信时长t_d，通过公式计算累计能够传输的数据量R(t)表示对于每个单位时间内通信的传输速率；

后者是基站与节点通信，采用数据依托基站代理转发的方式来扩大t时间内的传输数据量，对应的时间就是步骤1中的与基站进行通信时长t_d,同前者的计算方式相同，在这一段时间内累计可以缓存的数据量R_b(t)表示在基站中节点与其通信的传输速率(包括上行和下行速率)。

所以节点预测在时间段t内的通信能力总量是C_M＝C+C_b,而所需传输的数据量D就根据第一部分的公式可以得到D＝∑C_it_i,然后比较C_M与D的大小。

1)C_M>＝D,说明未来t时间内的连通性和通信能力能维持两个节点以当前的轨迹进行移动和业务处理；

2)C_M<D,说明未来t时间内的连通性所提供的通信能力无法完成数据的传输,需要对当前两个节点的运动状态和移动轨迹进行调控，此时需要将通信能力主要来传输位置信息和运动状态，方便轨迹调控增大通信能力；

(3)轨迹调控；当节点预测的连通性所提供的通信能力不足以支撑时间段t内的数据传输时，会进行轨迹的调控，使得在t时间段内能够获得更多的连通机会，从而会提高连通性和通信能力；

当两个节点通信中断时，双方会向对方每隔T_n发送当前定位信息和运动状态，双方节点会根据这些数据进行轨迹预测和调控；

对于某源节点A，在每隔T_n接收到目的节点B的位置信息后，需要对目的节点B下一个T_n内的的运动轨迹作出预测并决策是否调控自身的运动轨迹，假定B_i是某一时刻的位置信息，V_B是B_i位置时的速度，V_A是A点现在的速度，基站的信号覆盖范围是一个半径为r的圆P。

步骤1：计算出点B_i的预测点B_i’，预测时将历史信息中最近的两个点的数据作为其预测轨迹的基础，在假定其方向和速度都不变化的情况下预测出其下一个可能的位置即为B_i’。点B₃’到B₅’则是通过预测得到的预测点。

步骤2：得到预测点后，点A将根据点B的预测位置同圆P的位置进行估算，得出B点与圆的距离D_B和自身与圆P的距离D_A。

步骤3：计算运动方向，通过改变自身运动方向使得能够与点B同时到达圆P的边界，D_B和D_A是两个端点A和点B距离圆心P的距离，r为P的半径，D_A’是修正过方向后的点A距离圆P边界的距离，α是运行方向的角度即为所求。公式如下：

∵

∴

∴

步骤4：更改方向后开始移动，并且重新按照(2)评估当前轨迹运行时通信的连通性和通信能力是否满足传输条件，若满足就退出轨迹调控，保持方向继续移动和业务处理。若不满足，那么在下一个T_n间隔后收到B点的最新位置B_i，然后跳转至步骤1循环此过程。

本发明的有益效果是：本发明综合轨迹预测、通信能力预测、托管传输、轨迹调控等方法为一体，能够准确预测出未来一段时间内的端到端连通性和运动轨迹，并依此不断自行更改运动方向来获取最大的连通性可能和通信能力，使得节点间能在DTN的网络环境下保持可靠地通信连接，得以完成数据的交换和业务的处理，保障了端到端的可靠通信在恶劣环境和信号稀缺的地区得以实现。

四、附图说明

图1为本发明的预测拓扑图；

图2为本发明连通性时长图；

图3为本发明轨迹调控模型图；

图4为本发明方向计算模型图；

图5为本发明缓存数据格式图；

图6为本发明发送方数据依托流程图；

图7为本发明接收方数据依托流程图；

图8为本发明总体流程图；

图9为本发明系统节点构成图；

图10为本发明业务巡线系统组成示意图。

五、具体实施方式

(1)测算端到端之间的数据传输需求

端到端之间需要交互的数据主要分为：业务数据、时间数据和位置数据。用户数据是根据具体的业务要求而定，比如传感器数据、语音数据、图像、视频数据。时间数据和位置数据可统称为时空数据，这是业务数据的基准，重要性突出，传输优先级最高。对于业务数据和时空数据，如果发生网络中断，无法传输数据，节点需要能够本地缓存，直到网络恢复连接。

由于端点之间的通信方式不同，以及处理的业务不同，在不同的时刻会对数据的传输有着不同的要求，传输的数据由位置信息、运动状态以及业务数据组成，业务数据会根据采集数据的大小而产生大的变化，因此，对于每个时间片内，假定其平均的传输速率为C_i,所以在整个通信的过程中总的数据容量为i代表时间片的总数，T_i和C_i表示所有时间片和时间片内的平均传输速率。

(2)评估通信的传输能力

步骤1：节点的连通性预测

节点在网络发生中断后，会开始进行未来一段时间内的连通性预测。设定一个时间间隔t作为预测连通性的时间范围，节点根据收到的目的节点的位置信息和运动状态对目的节点的运动轨迹作出初步预测，在结合自身的运动轨迹会对这一段时间t内的通行进行判断。示意图为图1。

图1中A、B两点为两个节点，虚线为中断网络后t时间内预测的路径，默认为匀速直线运动，细虚线代表中间过程中会运动到的位置，根据上文所说的通信方式，图中黑线标示的是能够直接端到端连通的路径，粗虚线表示仅能与基站进行通信的路径段。连通性时长分为能够直接端到端连通的时长t_d和仅能与基站进行通信的时长t_b两种，这两部分的时长根据两个节点的速度、运行方向和基站信号的覆盖范围计算。通过运动轨迹和速度计算出的连通性时长如图2所示，其中节点连接部分代表真实的端到端通行的连接时长，取自接收节点与基站的连通时间和发送节点与基站连通时间的交集，在图中表现为t₁到t₄,阴影部分则是每个节点与基站连接时的空闲时长，取自该节点与基站通信的时长减去节点连接的时长，对应接收结点，在图中表现为t₅到t₇，对应发送节点则是t₈到t₁₀。所以端到端通信时长t_d＝t₁+t₂+t₃+t₄,仅与基站通信时长t_b＝t₅+t₆+t₇以及t₈+t₉+t₁₀。

步骤2：节点的通信能力计算，参见图2

由步骤1得到的连通性预测情况，将节点在该段时间t内的通信能力分成两部分来计算，一部分是直接端到端通信，另一部分是基站与节点间的通信；

前者是直接通信的方式，对应的时间即为步骤1中的端到端通信时长t_d，通过公式计算累计能够传输的数据量R(t)表示对于每个单位时间内通信的传输速率；

后者是基站与节点通信，采用数据依托基站代理转发的方式来扩大t时间内的传输数据量，对应的时间就是步骤1中的与基站进行通信时长t_d,同前者的计算方式相同，在这一段时间内累计可以缓存的数据量R_b(t)表示在基站中节点与其通信的传输速率(包括上行和下行速率)。所以节点预测在时间段t内的通信能力总量是C_M＝C+C_b,而所需传输的数据量D就根据第一部分的公式可以得到D＝∑C_it_i,然后比较C_M与D的大小。

1)C_M>＝D,说明未来t时间内的连通性和通信能力可以维持两个节点以当前的轨迹进行移动和业务处理。

2)C_M<D,说明未来t时间内的连通性所提供的通信能力无法完成数据的传输,需要对当前两个节点的运动状态和移动轨迹进行调控，此时需要将通信能力主要来传输位置信息和运动状态，方便轨迹调控增大通信能力。

(3)轨迹调控

当节点预测的连通性所提供的通信能力不足以支撑时间段t内的数据传输时，会进行轨迹的调控，使得在t时间段内能够获得更多的连通机会，从而会提高连通性和通信能力，轨迹调控的模型如图3所示：

图3中A、B两个点是两个需要相互通信的端点，实线表示的是两个端点通过不断预测对方位置然后不断规划路径后实际运动轨迹，虚线表示的端点在某时刻的预测轨迹。圆P表示的是附近基站信号的覆盖范围，半径为r，当A、B两点都到达P内时，则标志着A、B能够建立通信连接。

当两个节点通信中断时，双方会向对方每隔T_n发送当前定位信息和运动状态，双方节点会根据这些数据进行轨迹预测和调控；

以源节点A为例，在每隔T_n接收到目的节点B的位置信息后，需要对目的节点B下一个T_n内的的运动轨迹作出预测并决策是否调控自身的运动轨迹，假定B_i是某一时刻的位置信息，V_B是B_i位置时的速度，V_A是A点现在的速度。

步骤1：计算出点B_i的预测点B_i’，预测时将历史信息中最近的两个点的数据作为其预测轨迹的基础，在假定其方向和速度都不变化的情况下预测出其下一个可能的位置即为B_i’。点B₃’到B₅’则是通过预测得到的预测点。

步骤2：得到预测点后，点A将根据点B的预测位置同圆P的位置进行估算，得出B点与圆的距离D_B和自身与圆P的距离D_A。

步骤3：计算运动方向，通过改变自身运动方向使得能够与点B同时到达圆P的边界，方向的计算如图4所示,图中D_B和D_A是点A和点B距离圆心P的距离，D_A’是修正过方向后的点A距离圆P边界的距离，α是运行方向的角度即为所求。公式如下：

∵

∴

∴

步骤4：更改方向后开始移动，并且重新按照第二部分评估当前轨迹运行时通信的连通性和通信能力是否满足传输条件，若满足就退出轨迹调控，保持方向继续移动和业务处理。若不满足，那么在T_n时间后收到B点的最新位置B_i，然后跳转至步骤1循环此过程。

(4)数据托管

数据托管是源节点与目的节点之间受限于连通性和通行能力时为了保障数据完备和交换转发而采用的服务方式，如第二部分中计算连通性一节已经说到，利用基站与节点通信的连接利用图2中所说的空闲时间(阴影部分)来将数据存储在基站本地，依托基站进行数据代理转发。此外，除了固定的基站点，还可以将数据与运动轨迹中遇到的移动节点进行交换，这些移动节点必须是依据位置预测方法有大概率出现在目的节点运行的路径上或是基站上，移动节点的存储转发代理只是作为固定基站节点的补充来实现。

在通信中断时，数据会先缓存在本地，等到了能够发起连接时(包括端到端连接、端到基站的连接以及端与移动节点的连接)，源节点会将通信数据缓存在该节点的本地存储空间中，由中间节点作为代理进行数据的转发操作，存储数据于中间节点的行为并不唯一，也就是说当源节点存储一份数据于中间节点P1时，当它经过另一中间节点P2时倘若途中尚未与目的节点通信，那么它会将这份数据再缓存至P2节点，中间节点的选择也会与对目的节点运动轨迹的预测相关联，数据会缓存在目的节点大概率经过的节点且缓存的次数也会有一定的阈值,大小取为节点运动轨迹中所遇其他节点(包括固定基站节点和移动节点)数量的一半。当目的节点进入中间节点连接范围时，中间节点会将其缓存的数据转发给目的节点并清除本地的缓存，此外，该中间节点会向整个节点网络发出信号表示此份数据已经成功转发并清除所有的副本。

缓存数据为了方便基站或者终端转发，数据的格式是特定的，具体格式如图5缓存数据格式图所示。

图5中起始位、校验位和终止位是统一的格式，确保数据的完整性。接收标志表示这份数据是否被成功转发过，由接收方向发送方确认转发信息的标志，转发失败则会进行重新转发操作。发送方和接收方顾名思义，是数据传递的两端。长度即为通信数据的长度，数据时间则是发送方开始缓存数据的时间，用以接收方判断数据的顺序以及数据是否过时。整个存储转发流程分为发送方和接收方，分别由图6和图7表示：图6发送方数据依托流程图；

对于发送方：

第一步：生成通信数据，准备发送。

第二步：判断是否与目的节点通信连接中，若是，直接发送数据，若否进入下一步。

第三步：判断是否处于中间节点范围内，若否，将通信数据封装完后直接缓存在本地，若是，进入下一步。

第四步：判断当前中间节点能否成为缓存地和转发代理，通过对另一终端运动轨迹的预测，将运动轨迹范围内的基站作为缓存地。若否，则将数据缓存在本地；若是，则进入下一步。

第五步：将通信数据封装并缓存在中间节点内，由中间节点作为转发代理。

第六步：等待下一次数据产生，并跳转至第一步。

对于接收方(图7)：

第一步：判断是否与目的节点通信连接，若是，则直接接收对方的数据，若否，进入下一步。

第二步：判断是否位于中间节点范围内，若否，直接跳至第五步。若是，进入下一步。

第三步：判断当前中间节点内是否有接收方为自己的未接受的数据，若无，跳转至最后；若有，则进入下一步。

第四步：接收数据并清空副本。

第五步：等待下一次数据的接受。

(5)总体流程图(图8)

本发明的系统由若干移动节点、基站节点组成，如图9系统节点构成图所示。移动节点负责采集数据、通信能力和数据存储能力，支持移动节点之间的通信、移动节点与基站节点之间通信，以及移动节点通过基站通信。基站节点负责移动节点的接入和通信，且具有数据存储能力。

在具体的实例中，以野外山区的电力线巡线为场景，来说明本发明的技术方案实时。具体来说，系统由移动节点和基站节点；移动节点分两种：无人机移动节点、巡检员移动节点；基站节点是带有无线WIFI热点基站的巡检车辆。

移动节点选用的无线通信模块是SIM7600CE和北斗卫星通信模块。SIM7600CE是一款4G全网通开发模块，支持WIFI通信。北斗卫星通信模块采用了TM8450北斗芯片，该芯片集成度高，功耗低，兼容北斗一代二代和GPS定位导航信号，内置LNA，可以直接连接无源天线，接收信号灵敏度为-127dBm，定位精度2.5m，捕获实践热启动时间小于2s，同时具有较高的可靠性，适合不同环境中使用。民用的支持北斗短报文通信每次发送的字节只有78个，而且发送的频率为60秒一次，可以满足系统在移动节点偏离基站节点后，对于时空信息和简单控制数据的通信需要，通过北斗通信模块，移动节点之间实现简单的数据通信，可以可以获得无人机的位置和发送控制指令。

巡检车辆上的无线基站的通信模块选用WIFI模块，支持移动节点之间、移动节点和基站节点之间的通信。

无人机与巡检车辆行进路线主要参考输电线路和公路方向，无人机在空中主要路线沿着输电线路方向，可以接收指令以任意的路径调整前进，而多辆巡检车辆指挥车只能沿着道路一路穿行。无人机采取匀速飞行，速度为约15m/s，，它作为不断采集数据的一端需要向指挥车终端连续通信发送数据。巡检车辆一般固定在观测输电铁塔附近，在接收完无人机巡检和巡检员上报的数据和指令后，巡检车辆可进行位置移动，它作为接收方需要接收无人机发送的数据，且会根据无人机的预定航向和实际轨迹作出位置预测，依此来规划自身的路径并预测下一次通信的时间。如果无人机飞出了巡检车辆的通信范围，无人机节点将数据保存在自己的SD卡中，通过北斗短报文定时把自己的时空位置发给巡检员。巡检员会根据业务数据的要求，测算无人机下一次的端到端通信时间和通信能力，如果不满足无人机数据传输要求，无人机可将采集的数据让巡检车辆基站节点托管暂存，等巡检员进入巡检车辆热区后，获得业务数据；如果无人机的接入巡检员节点和巡检车辆基站节点时间过短，可以由巡检员根据无人机上报的位置信息轨迹，发出轨迹控制指令，修正控制无人机轨迹，或让巡检车辆移动位置，使得测算的移动节点通信能力满足数据通信要求。图10业务巡线系统组成示意图。