一種無線自組織網絡的連通性修複方法
2023-04-23 08:30:26 2
一種無線自組織網絡的連通性修複方法
【專利摘要】本發明涉及一種無線自組織網絡的連通性修複方法，多個可行動裝置組成無線自組織網絡，其特徵在於：每個可行動裝置上均設置有轉發表維護模塊、位置調度請求模塊、位置調度應答模塊和輔助轉發模塊；轉發表維護模塊用於維護設備的數據包轉發統計表，數據包轉發統計表用於反映設備對網絡的貢獻度；該模塊嵌在設備的路由系統中；位置調度請求模塊用於處理設備提交的失效請求，並處理網絡中的位置調度應答數據包；位置調度應答模塊用於處理網絡中失效設備的位置調度請求，並完成設備位置調度操作；輔助轉發模塊用於替代失效設備進行數據包轉發。
【專利說明】一種無線自組織網絡的連通性修複方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無線自組織網絡的連通性修複方法。
【背景技術】
[0002]無線自組織網絡是由大量的可行動裝置組成，通過無線通信方式形成的一種多跳的自組織的網絡系統，廣泛應用於環境監測、軍事部署等領域。網絡連通是無線自組織網絡通信的基礎。然而，網絡設備的能量約束會引起設備失效，進而引發網絡鏈路失效，改變網絡原有的通信狀態和網絡連通性，甚至造成網絡隔離。因此，如何降低設備失效對網絡的影響，維持網絡的連通性，進而提高無線自組織網絡運行的穩定性是不可忽視的關鍵性技術問題。
[0003]目前國內外對於網絡連通修複方面的研究的主要採用兩種方法:1)使用專門的連通修復機器人。Derbakova等人提出一種與網絡覆蓋結合的連接修複方法，首先通過全網廣播衡量網絡連通狀況，然後對機器人的位置進行調度，保持網絡的連通度(Derbakova A, Correll N, Rus D.Decentralized self-repair to maintenanceconnectivity and coverage in networked mult1-robot systems[C]//Robotics andAutomation (ICRA), 2011IEEE International Conference on.1EEE,2011:3863-3868.)；CSIR0、USC和Dartmouth三個實驗室合作針對傳感器，地面機器人和空中機器人所組成的混合網絡，藉助空中設備估計網絡隔離的位置，然後對該處的網絡進行修補(Corke P, Hrabar S，Peterson R, et al.Deployment and connectivity repair of asensor net with a flying robot[M]//Experimental Robotics IX.Springer BerlinHeidelberg, 2006:333-343)。 以上研究均需要專門的修復設備設施，沒有考慮修復設備失效的問題。2)利用網絡睡眠設備進行網絡修復的方法。史庭俊等人針對異構傳感器網絡提出一種基於連通支配樹的異構傳感器網絡拓撲修復算法(HSNTR)，利用網絡睡眠設備，對骨幹網進行連通修復(史庭俊，方旭明，楊雲.基於連通支配樹的異構傳感器網絡拓撲修復算法[J].通信學報，2012，33 (10):77-85.)。這種方法只適用於冗餘度高的網絡，且只考慮了網絡的連通度和覆蓋度，沒有考慮設備失效對網絡傳輸穩定性的影響。
[0004]僅有2項專利涉及本發明研究領域。Microsoft的專利「Dynamic channelassignment and connectivity maintenance in wireless networks (20080117864)主要針對多信道無線網絡中的連通性問題提出了解決方案，只適用於多信道網絡。而Nokia公司的專利 Connection maintenance in wireless network with relays via CIDencapsulation (20080192673)」通過具體的中繼設備轉發數據包維護網絡通信,是一種數據包轉發協議，不涉及網絡設備失效問題。
[0005]從上述分析可以看出，現有技術中，針對無線網絡設備失效的連通修複方法存在的不足之處在於:1)需要專門的修復機器人，沒有考慮修復機器人失效的問題。2)需要複雜的通信過程，耗費網絡能量。3)只考慮網絡的連通度和覆蓋度，沒有考慮設備失效對網絡傳輸穩定性的影響。
【發明內容】
[0006]本發明目的在於提供一種無線自組織網絡的連通性修複方法，操作簡便，能夠有效降低失效設備對無線網絡的影響，維持網絡的連通性，提高無線網絡運行的穩定性。
[0007]實現本發明目的技術方案:
[0008]一種無線自組織網絡的連通性修複方法，多個可行動裝置組成無線自組織網絡，其特徵在於:每個可行動裝置上均設置有轉發表維護模塊、位置調度請求模塊、位置調度應答模塊和輔助轉發模塊；轉發表維護模塊用於維護設備的數據包轉發統計表，數據包轉發統計表用於反映設備對網絡的貢獻度；該模塊嵌在設備的路由系統中；位置調度請求模塊用於處理設備提交的失效請求，並處理網絡中的位置調度應答數據包；位置調度應答模塊用於處理網絡中失效設備的位置調度請求，並完成設備位置調度操作；輔助轉發模塊用於替代失效設備進行數據包轉發。
[0009]位置調度請求模塊處理設備提交的失效請求，通過如下方法實現，
[0010]設備即將停止工作時，通過接口向該設備的位置調度請求模塊發送請求，位置調度請求模塊接收請求後，將自身的數據包轉發統計表、自身的位置坐標和自身的網絡地址封裝到位置調度請求數據包中，以廣播的方式發送給網絡中所有的鄰居設備，提出位置調度請求。
[0011]位置調度應答模塊處理網絡中失效設備的位置調度請求，通過如下方法實現，
[0012]步驟1:提取位置調度請求數據包中的數據包轉發統計表、位置坐標和網絡地址；
[0013]步驟2:根據步驟I取得的數據包轉發統計表、網絡地址和自身的數據包轉發統計表以及自身的網絡地址，計算應答延時；
[0014]步驟3:根據步驟I取得的位置坐標和自身位置坐標、自身平均移動速度，計算移動延時；
[0015]步驟4:設置發送位置調度應答數據包的延期時間，開啟應答延時計時器，當計時到步驟2得到的應答延時後，將步驟3取得的移動延時、自身的網絡地址封裝到位置調度應答數據包中，向位置調度請求數據包中的網絡地址發送。
[0016]位置調度請求模塊處理網絡中的位置調度應答數據包，通過如下方法實現，
[0017]當位置調度請求模塊首次接收到網絡中鄰居設備發送的位置調度應答數據包後，
[0018]步驟1:提取位置調度應答數據包中的移動延時和網絡地址，將該網絡地址作為執行位置調度設備的網絡地址；
[0019]步驟2:將自身的路由表、自身的位置坐標、自身的網絡地址即失效設備的網絡地址和步驟I中取得的執行位置調度設備的網絡地址，封裝到位置調度完成數據包中，然後以廣播的方式發送給網絡中所有的鄰居設備；
[0020]步驟3:開啟移動延時計時器，當計時到步驟I取得的移動時延後，停止設備路由系統的轉發功能；
[0021]若位置調度請求模塊再次接收到其它鄰居設備的位置調度應答數據包，則直接丟掉該數據包，不做任何處理。
[0022]位置調度應答模塊完成設備位置調度操作，通過如下方法實現，
[0023]位置調度應答模塊在接收到網絡中失效設備發送的位置調度完成數據包後，[0024]步驟1:提取位置調度完成數據包中的執行位置調度設備的網絡地址，若取得的該網絡地址和自身網絡地址不同，則將應答延時計時器歸零，停止計時，不執行任何操作；否則繼續執行；
[0025]步驟2:提取位置調度完成數據包中的路由表、位置坐標和失效設備網絡地址；
[0026]步驟3:向設備運動系統發送移動命令，促使設備向步驟2中取得的位置坐標移動；
[0027]步驟4:當設備移動完成後，開啟輔助轉發模塊，將步驟2中取得的路由表與失效設備網絡地址提交給輔助轉發模塊。
[0028]輔助轉發模塊替代失效設備進行數據包轉發，通過如下方法實現，
[0029]輔助轉發模塊接收到位置調度應答模塊提交的路由表和失效設備網絡地址後，先將路由表與自身的路由表合併,再監聽網絡中的數據包,若數據包的接收地址為失效設備網絡地址，則將其交由路由系統轉發。
[0030]本發明具有的有益效果:
[0031]本發明每個可行動裝置上均設置有轉發表維護模塊、位置調度請求模塊、位置調度應答模塊和輔助轉發模塊；轉發表維護模塊用於維護設備的數據包轉發統計表，該模塊嵌在設備的路由系統中；位置調度請求模塊用於處理設備提交的失效請求，並處理網絡中的位置調度應答數據包；位置調度應答模塊用於處理網絡中失效設備的位置調度請求，並完成設備位置調度操作；輔助轉發模塊用於替代失效設備進行數據包轉發。本發明採用分布式系統，模塊布置在網絡的各個無線設備上，當設備由於電量即將耗盡或者其他因素即將停止工作時，通過接口向該設備的位置調度請求模塊發送請求，其餘鄰居設備的位置調度應答模塊進行應答，最終由執行位置調度設備的輔助轉發模塊替代失效設備進行數據包轉發。
[0032]本發明操作簡便，能夠有效降低失效設備對無線網絡的影響，維持網絡的連通性，提高無線網絡運行的穩定性。本發明系統的輔助轉發模塊能夠幫助失效設備完成數據包轉發任務，降低網絡通信中斷時間。本發明無中心設備，不以專門的網絡修復機器人為基礎，系統能夠適用於所有的由可移動無線設備組成的無線網絡。本發明轉發表維護模塊嵌入到設備的路由系統中，擴展性強。本發明位置調度應答模塊通過比較設備對網絡的貢獻度計算應答延時，利用貢獻度小的設備的位置移動來穩定系統的網絡傳輸量，進一步保證修復過程中網絡的穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的系統模塊圖；
[0034]圖2為本發明中轉發表維護模塊採用的轉發表維護算法流程圖；
[0035]圖3為本發明中位置調度應答模塊採用的應答延時計算算法偽代碼；
[0036]圖4為本發明實施例1和實施例2的網絡設備位置分布圖
[0037]圖5為本發明實施例2的網絡通信圖。
【具體實施方式】
[0038]如圖1所示，每個可行動裝置上均設置有轉發表維護模塊、位置調度請求模塊、位置調度應答模塊和輔助轉發模塊；設有接口 failure_Start，當設備由於電量即將耗盡或者其他因素即將停止工作時，通過調用failure_Start接口向該設備的位置調度請求模塊發送請求，其餘鄰居設備的位置調度應答模塊進行應答，最終由執行位置調度設備的輔助轉發模塊替代失效設備進行數據包轉發。
[0039]一、轉發表維護模塊。該模塊用於維護數據包轉發統計表FT，該模塊嵌在設備的路由系統中，模塊監測設備路由系統。路由系統每轉發一個數據包，模塊就記錄下該數據包的上一跳地址和下一跳地址，並調用轉發表維護算法FTmaintenance (如圖2所示)，修改數據包轉發統計表FT相應位置的統計值，數據包轉發統計表FT直觀的反應設備對網絡的貢獻度，即反映設備失效對網絡的影響效果，轉發表維護算法FTmaintenance為現有常用算法。
[0040]二、位置調度請求模塊。該模塊用於處理設備提交的失效請求，並處理網絡中的位置調度應答數據包。該模塊工作在網絡的應用層。
[0041](一)失效請求處理。
[0042]位置調度請求模塊處理設備提交的失效請求，通過如下方法實現，
[0043]設備即將停止工作時，通過接口向該設備的位置調度請求模塊發送請求，位置調度請求模塊接收請求後，將自身的數據包轉發統計表、自身的位置坐標和自身的網絡地址封裝到位置調度請求數據包中，以廣播的方式發送給網絡中所有的鄰居設備，提出位置調度請求。
[0044](二)位置調度應答數據包處理。
[0045]位置調度請求模塊處理網絡中的位置調度應答數據包，通過如下方法實現，
[0046]當位置調度請求模塊首次接收到網絡中鄰居設備發送的位置調度應答數據包後，
[0047]步驟1:提取位置調度應答數據包中的移動延時和網絡地址，將該網絡地址作為執行位置調度設備的網絡地址；
[0048]步驟2:將自身的路由表、自身的位置坐標、自身的網絡地址即失效設備的網絡地址和步驟I中取得的執行位置調度設備的網絡地址，封裝到位置調度完成數據包中，然後以廣播的方式發送給網絡中所有的鄰居設備；
[0049]步驟3:開啟移動延時計時器，當計時到步驟I取得的移動時延後，停止設備路由系統的轉發功能；
[0050]若位置調度請求模塊再次接收到其它鄰居設備的位置調度應答數據包，則直接丟掉該數據包，不做任何處理。
[0051]三、位置調度應答模塊。該模塊用於處理網絡中失效設備的位置調度請求，並完成設備位置調度操作。該模塊工作在網絡的應用層。
[0052](一)位置調度請求處理。
[0053]位置調度應答模塊處理網絡中失效設備的位置調度請求，通過如下方法實現，
[0054]步驟1:提取位置調度請求數據包中的數據包轉發統計表、位置坐標和網絡地址；
[0055]步驟2:根據步驟I取得的數據包轉發統計表、網絡地址和自身的數據包轉發統計表以及自身的網絡地址，調用應答延時計算算法delayCal (如圖3所示)，計算應答延時，應答延時計算算法delayCal為現有常用算法；
[0056]步驟3:根據步驟I取得的位置坐標和自身位置坐標、自身平均移動速度，計算移動延時；[0057]步驟4:設置發送位置調度應答數據包的延期時間，開啟應答延時計時器，當計時到步驟2得到的應答延時後，將步驟3取得的移動延時、自身的網絡地址封裝到位置調度應答數據包中，向位置調度請求數據包中的網絡地址發送。
[0058](二)設備調度位置處理。
[0059]位置調度應答模塊完成設備位置調度操作，通過如下方法實現，
[0060]位置調度應答模塊在接收到網絡中失效設備發送的位置調度完成數據包後，
[0061]步驟1:提取位置調度完成數據包中的執行位置調度設備的網絡地址，若取得的該網絡地址和自身網絡地址不同，則將應答延時計時器歸零，停止計時，不執行任何操作；否則繼續執行；
[0062]步驟2:提取位置調度完成數據包中的路由表、位置坐標和失效設備網絡地址；
[0063]步驟3:向設備運動系統發送移動命令，促使設備向步驟2中取得的位置坐標移動；
[0064]步驟4:當設備移動完成後，開啟輔助轉發模塊，將步驟2中取得的路由表與失效設備網絡地址提交給輔助轉發模塊。
[0065]四、輔助轉發模塊。該模塊用於替代失效設備進行數據包轉發。該模塊工作於網絡的接入層。
[0066]輔助轉發模塊替代失效設備進行數據包轉發，通過如下方法實現，
[0067]輔助轉發模塊接收到位置調度應答模塊提交的路由表和失效設備網絡地址後，先將路由表與自身的路由表合併,再監聽網絡中的數據包,若數據包的接收地址為失效設備網絡地址，則將其交由路由系統轉發。
[0068]下面結合選取的典型實施例對本發明做進一步詳細描述，說明本發明有益效果
[0069]實施例1對本系統轉發表維護模塊的具體工作過程進行說明。
[0070]網絡中的設備分布情況如圖4(a)所示，設備D、A和S的地址分別為ADDRcUADDRa和ADDRs，網絡在運作一端時間後，設備S上的轉發表維護模塊對數據包轉發統計表的維護結果如表1所示。此時，設備A經過設備S向設備D發送數據，設備S的路由系統轉發了一個數據包。
[0071]設備S上的轉發表維護模塊維護數據包轉發統計表FTs。轉發表維護模塊監測設備路由系統轉發了一個數據包，該數據包的上一跳地址Pri=ADDRa和下一跳地址next=ADDRd,然後調用轉發表維護算法FTmaintenance (ADDRajADDRd),修改FTs的統計值。修改後的FTs如表2所示。
[0072]表1.修改前的FTs
[0073]
IADDRa IADDRd IADDRe~
ADDRa O 4 3
ADDRd 18 O 289
ADDRe 10 ?78~O
[0074]表2.修改後的FTs[0075]
【權利要求】
1.一種無線自組織網絡的連通性修複方法，多個可行動裝置組成無線自組織網絡，其特徵在於:每個可行動裝置上均設置有轉發表維護模塊、位置調度請求模塊、位置調度應答模塊和輔助轉發模塊；轉發表維護模塊用於維護設備的數據包轉發統計表，數據包轉發統計表用於反映設備對網絡的貢獻度；該模塊嵌在設備的路由系統中；位置調度請求模塊用於處理設備提交的失效請求，並處理網絡中的位置調度應答數據包；位置調度應答模塊用於處理網絡中失效設備的位置調度請求，並完成設備位置調度操作；輔助轉發模塊用於替代失效設備進行數據包轉發。
2.根據權利要求1所述的無線自組織網絡的連通性修複方法，其特徵在於:位置調度請求模塊處理設備提交的失效請求，通過如下方法實現， 設備即將停止工作時，通過接口向該設備的位置調度請求模塊發送請求，位置調度請求模塊接收請求後，將自身的數據包轉發統計表、自身的位置坐標和自身的網絡地址封裝到位置調度請求數據包中，以廣播的方式發送給網絡中所有的鄰居設備，提出位置調度請求。
3.根據權利要求2所述的無線自組織網絡的連通性修複方法，其特徵在於:位置調度應答模塊處理網絡中失效設備的位置調度請求，通過如下方法實現， 步驟1:提取位置調度請求數據包中的數據包轉發統計表、位置坐標和網絡地址； 步驟2:根據步驟I取得的數據包轉發統計表、網絡地址和自身的數據包轉發統計表以及自身的網絡地址，計算應答延時； 步驟3:根據步驟I取得的位置坐標和自身位置坐標、自身平均移動速度，計算移動延時； 步驟4:設置發送位置調度應答數據包的延期時間，開啟應答延時計時器，當計時到步驟2得到的應答延時後，將步驟3取得的移動延時、自身的網絡地址封裝到位置調度應答數據包中，向位置調度請求數據包中的網絡地址發送。
4.根據權利要求3所述的無線自組織網絡的連通性修複方法，其特徵在於:位置調度請求模塊處理網絡中的位置調度應答數據包，通過如下方法實現， 當位置調度請求模塊首次接收到網絡中鄰居設備發送的位置調度應答數據包後， 步驟1:提取位置調度應答數據包中的移動延時和網絡地址，將該網絡地址作為執行位置調度設備的網絡地址； 步驟2:將自身的路由表、自身的位置坐標、自身的網絡地址即失效設備的網絡地址和步驟I中取得的執行位置調度設備的網絡地址，封裝到位置調度完成數據包中，然後以廣播的方式發送給網絡中所有的鄰居設備； 步驟3:開啟移動延時計時器，當計時到步驟I取得的移動時延後，停止設備路由系統的轉發功能； 若位置調度請求模塊再次接收到其它鄰居設備的位置調度應答數據包，則直接丟掉該數據包，不做任何處理。
5.根據權利要求4所述的無線自組織網絡的連通性修複方法，其特徵在於:位置調度應答模塊完成設備位置調度操作，通過如下方法實現， 位置調度應答模塊在接收到網絡中失效設備發送的位置調度完成數據包後， 步驟1:提取位置調度完成數據包中的執行位置調度設備的網絡地址，若取得的該網絡地址和自身網絡地址不同，則將應答延時計時器歸零，停止計時，不執行任何操作；否則繼續執行； 步驟2:提取位置調度完成數據包中的路由表、位置坐標和失效設備網絡地址； 步驟3:向設備運動系統發送移動命令，促使設備向步驟2中取得的位置坐標移動；步驟4:當設備移動完成後，開啟輔助轉發模塊，將步驟2中取得的路由表與失效設備網絡地址提交給輔助轉發模塊。
6.根據權利要求5所述的無線自組織網絡的連通性修複方法，其特徵在於:輔助轉發模塊替代失效設備進行數據包轉發，通過如下方法實現， 輔助轉發模塊接收到位置調度應答模塊提交的路由表和失效設備網絡地址後，先將路由表與自身的路由表合併，再監聽網絡中的數據包，若數據包的接收地址為失效設備網絡地址,則將其交由路 由系統轉發。
【文檔編號】H04W76/02GK103796223SQ201410014023
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月13日
【發明者】王慧強, 溫秀秀, 馮光升, 呂宏武, 林俊宇 申請人:哈爾濱工程大學