輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法
2023-05-17 14:25:16
專利名稱：輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法
技術領域：
本發明涉及一種路由方法，特別是一種輔助於無線射頻的時延容忍路由方法。
背景技術：
機會網絡的研究來源於美國國防部高等研究計劃局DARPA支持的星際網際網路計劃(IPN)，這是一種在大多數情況下，源節點和目的節點不存在完整路徑的移動無線網絡。 目前逐步應用到生物追蹤、校園網絡、家庭自動化網絡、城市及鄉村網絡等領域。由於機會網絡具有間歇性連接、高傳輸延時、不均勻連接等特點，使得原本的TCP/IP協議無法建立端到端的連接而造成大量的丟包。T. Spyropoulos, K. Psounis, and C. S. Raghavendra.在 Proceedings ofthe 2005 ACM SIGCOMM workshop on Delay tolerant networking 會議上發表的文章 Spray and wait :an efficient routing scheme for intermittentlyconnected mobile networks USA =ACM 2005 :252-259中提出了一種控制洪泛路由方法，並分析了路由協議的理論延時以及數據包的副本數目。但是這種路由協議只考慮了基於指數分布的節點相遇模型，並且數據包的轉發過程是盲目的，沒有考慮網絡的實時信息，在實際的應用中並不能保證選擇最優的路由線路。
發明內容
本發明所解決的技術問題在於提供一種輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法，該方法能夠根據網絡的實時信息，智能的選擇合適的中繼節點，而且可以動態減少副本數目，及時清理節點緩衝區。實現本發明目的的技術解決方案為一種輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法，包括以下步驟步驟1 進行路由前的準備，首先對機會網絡的應用場景進行選擇，該應用場景為一個相對封閉的環境，在此場景中存在一些移動的實體，各移動實體之間需要進行一些數據的傳遞與共享；其次在上述應用場景中設置若干個無線射頻讀寫器，這些讀寫器均勻分布在整個場景中，其覆蓋範圍不重疊；接著在移動節點上設置通訊終端，該通訊終端包括兩個接口，一個為無線射頻讀寫接口，另一個為傳統無線網絡的讀寫接口 ；步驟2 移動節點產生數據包，通過射頻信號收集預測信息，在與其它節點的通信過程中，利用預測信息進行數據包的分發或轉發，此時該移動節點為源節點；步驟3 移動節點通過射頻信號收集預測信息，並利用預測信息進行數據包的分發或轉發，最終數據包到達目的節點，此時該移動節點為中繼節點；步驟4 移動節點接收數據包之後，產生ACK消息，並通過射頻信號廣播ACK消息來清理網絡中多餘的副本，此時該移動節點為目的節點。本發明與現有技術相比，其顯著優點為(1)採用了無線射頻信號收集網絡中節點的信息用於輔助路由決策，提高了傳輸率的同時，降低了端到端的延時；(2)與傳統的固定副本數目的路由協議相比，減少來數據包的副本數目；C3)通過射頻信息，及時的清理節點的緩衝區。
圖1為本發明的一種基於無線射頻的時延容忍路由方法的流程圖。圖2為本發明中通過射頻信號收集節點信息的流程圖。圖3為本發明中數據包的分發和轉發的流程圖。圖4為本發明中節點緩衝區清理的流程圖。圖5為本發明的路由策略和其他路由策略的傳輸率比較。圖6為本發明的路由策略和其他路由策略的延時比較。圖7為本發明的路由策略和其他路由策略的佔用資源的比較。圖8為本發明的路由策略動態減少的副本數目。
具體實施例方式無線射頻信號具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠、穿透性強、工作環境適應性強和可重複使用等多種優點。因此可以將網絡中的各個移動節點實時信息通過無線射頻信號進行迅速的廣播，這樣節點根據這些信息可以選擇合適的中繼節點，並刪除無用的數據包。結合圖1、本發明的一種基於無線射頻的時延容忍路由方法，包括以下步驟步驟1 進行路由前的準備，首先對機會網絡的應用場景進行選擇，該應用場景為一個相對封閉的環境，在此場景中存在一些移動的實體，各移動實體之間需要進行一些數據的傳遞與共享；其次在上述應用場景中設置若干個無線射頻讀寫器，這些讀寫器均勻分布在整個場景中，其覆蓋範圍不重疊；接著在移動節點上設置通訊終端，該通訊終端包括兩個接口，一個為無線射頻讀寫接口，另一個為傳統無線網絡的讀寫接口 ；步驟2 移動節點產生數據包，通過射頻信號收集預測信息，在與其它節點的通信過程中，利用預測信息進行數據包的分發或轉發，此時該移動節點為源節點；結合圖2，移動節點通過射頻信號收集預測信息的具體方法為(1)每個節點的移動都帶有目的性，節點可以估計出自己到目的地的時間以及自己在目的地停留的時間，形成對自身的預測信息，並指定該信息有效的時間；(2)均勻分布在整個環境中的多個讀寫器讀取在自身覆蓋範圍內所有節點的預測 fn息；(3)讀寫器之間進行信息交換，形成一個包含網絡環境中全部節點的預測信息表；(4)讀寫器再將上述預測信息表寫入覆蓋範圍內移動節點，節點定期的和讀寫器交互，將自身改變的信息告知讀寫器，並從讀寫器更新整個預測表。結合圖3，移動節點進行數據包的分發或轉發的方法為(1)從分發節點或轉發節點的預測信息表中查詢自身的預測位置；(2)從對方節點的預測信息表中查詢對方節點的預測位置；(3)從雙方節點的預測信息表中查詢數據包目的節點的預測位置，根據預測信息的有效時間選取有效期更久的記錄作為目的節點的預測位置；(4)判斷分發或轉發節點持有的數據包的副本數目，若副本數目大於1則執行步驟(5)；如果只有一個副本，則執行步驟(10)；(5)判斷對方節點是否是目的節點，若是則直接完成傳遞過程並刪除所有的數據包，否則執行步驟(6)；(6)判斷對方節點和目的節點預測位置是否相同，若相同則發送單一副本給對方， 並刪除其餘的副本；否則執行步驟(7)(7)判斷對方節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離小於場景半徑的四分之一，則執行步驟(8)否則執行步驟(9)；(8)判斷分發節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離大於場景半徑的四分之一則分發節點發送單一副本給對方，並自己保留一個副本；否則執行步驟(9)；(9)分發節點將一半的副本數發送給對方節點；(10)判斷對方節點是否是目的節點，若是則直接完成傳遞過程，否則執行步驟 (11)；(11)判斷對方節點和目的節點預測位置是否相同，若相同則將副本轉發給對方； 否則執行步驟(12)(12)判斷對方和目的節點預測位置之間的距離，如果距離小於場景半徑的四分之一，則執行步驟(13)否則執行步驟(14)；(13)判斷轉發節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離大於場景半徑的四分之一則轉發節點將副本轉發給對方；否則執行步驟(14)；(14)轉發節點繼續保留該數據包，不進行轉發。步驟3 移動節點通過射頻信號收集預測信息，並利用預測信息進行數據包的分發或轉發，最終數據包到達目的節點，此時該移動節點為中繼節點；此步驟中移動節點通過射頻信號收集預測信息的具體方法、移動節點進行數據包的分發或轉發的方法與步驟2中相應方法相同；步驟4 移動節點接收數據包之後，產生ACK消息，並通過射頻信號廣播ACK消息來清理網絡中多餘的副本，此時該移動節點為目的節點。結合圖4，通過射頻信號廣播ACK 消息來清理網絡中多餘的副本具體為(1)某個數據包到達目的節點後，目的節點產生對應的ACK消息，並在其與射頻讀寫器的會話中，讓讀寫器讀取此ACK消息；(2)讀寫器之間共享ACK消息，並將所有收集的ACK消息組合成一個ACK鏈；(3)讀寫器在和節點的會話期間將此包含所有ACK消息的ACK鏈寫入節點，每個節點根據接收的ACK鏈刪除相應數據包的副本。在現實的世界中，節點無論是人、車輛、生物的行為都帶有一定的目的性，他們知道自己要去某個地方要做什麼，因此通常就會在那個地方停留一段時間。之後，節點會有新的任務和目的地。基於此，本發明運用基於目的地的運動靜止輪換移動模型。該模型最重要的特點就是每個節點的移動帶有目的性。在此模型中，節點對於自己的運動具有一定時限內的預知性，即節點知道自己的目的，且可以估計出自己到目的地的時間以及自己在目的地停留的時間。與常見的盲目的移動模型相比，這也更加符合人們日常的行為。同時，機會網絡拓撲結構的變化正是由於節點移動產生，綜合各個節點的移動目的就可以幫助預測未來一段時間內的網絡拓撲結構。下面結合實際環境對本發明做進一步的描述結合圖2，本發明的讀寫器開始收集節點的信息，並將收集的信息再寫入節點的具體步驟為(1)節點對於自己的運動具有一定時限內的預知性，形成對自身的預測信息，那麼就可以定義一個三元組T (N，L，t)，其中N表示某個特定的節點，L表示該節點的預測自己未來的位置，t表示該預測的有效時間；(2)讀寫器可以讀取到每個在自身覆蓋範圍內節點的預測信息。均勻分布在整個環境中的多個讀寫器經過一段時間共同完成節點信息的收集工作。讀寫器不用覆蓋整個環境，由於節點的移動性，任意一個節點在移動的過程中總是會進入某個讀寫器的覆蓋半徑；(3)由於三元組的信息量不大，讀寫器之間可以使用距離遠、帶寬低無線通訊設備進行數據傳輸。讀寫器通過定時的信息交換，形成一個包含網絡環境中全部節點信息的預測信息表；(4)讀寫器再將此表寫入覆蓋範圍內移動節點，每個節點就擁有了一個全部節點位置信息的預測表。在初期，可能形成的預測表並未包含全部節點的信息，但是節點每經過一段時間或者是自身的目的地發生了改變，會產生一個和讀寫器進行交換的請求，但它再次進入某個讀寫器的覆蓋範圍是時候就和讀寫器交互，如果自身的預測信息發生了改變， 就讓讀寫器讀取次信息，並從讀寫器更新整個預測表。在實際的環境中，節點會產生新的數據包，並同時產生若干個副本，之後這些副本會通過節點之間的通信進行傳遞，將持有副本的節點稱為中繼節點。任意兩個節點之間的一次相遇過程中，雙方是對等的，那麼任意一方開始傳遞以對方為目的節點的數據包，之後另一方開始傳遞以對方為目的節點的數據包，這樣可以儘快的將完成一些數據包的傳遞過程。隨後，任意一方開始向對方傳遞需要轉發或分發的數據包，之後另一方開始向對方傳遞需要轉發或分發的數據包，至此完成整個通信過程。如果在此過程中節點因為移動而導致節點間的通信中斷，那麼結束通信過程，正在傳遞的數據包將被丟棄。如果某個中繼節點數據包的副本數大於1，則進行分發過程，如果副本數是1，則進行轉發過程，節點將數據包轉發給另一個節點後，自身將不再持有該數據包的副本。本發明的數據包的分發的具體步驟為(1)從分發節點或轉發節點的預測信息表中查詢自身的預測位置；(2)從對方節點的預測信息表中查詢對方節點的預測位置；(3)從雙方節點的預測信息表中查詢數據包目的節點的預測位置，根據預測信息的有效時間選取有效期更久的記錄作為目的節點的預測位置；(4)判斷對方節點是否是目的節點，若是則直接完成傳遞過程並刪除所有的數據包，否則執行步驟(5)；(5)判斷對方節點和目的節點預測位置是否相同，若相同則發送單一副本給對方， 並刪除其餘的副本，此時對方節點可以視為很好的中繼節點，在以後將數據包發送給目的節點的概率很高，所以可以刪除多餘的副本；否則執行步驟(6)(6)判斷對方節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離小於場景半徑的四分之一，則執行步驟(7)，否則執行步驟(8)；(7)判斷分發節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離大於場景半徑的四分之一則分發節點發送單一副本給對方，並自己保留一個副本，此時對方節點可以視為比分發節點好的中繼節點，在以後有一定的概率將數據包傳遞給目的節點或者更接近目的節
點的中繼節點，同時分發節點自身保留一個數據包來尋找更好的中繼節點；否則執行步驟 ⑶；(8)分發節點將一半的副本數發送給對方節點(如果副本數為奇數，則自己多保留一個副本)；此時沒有理想或較為理想的中繼節點，雙方將各持有一半的數據包，共同尋求合適的中繼節點，提高發現合適中繼節點的概率本發明的數據包的轉發的具體步驟為(1)從分發節點或轉發節點的預測信息表中查詢自身的預測位置；(2)從對方節點的預測信息表中查詢對方節點的預測位置；(3)從雙方節點的預測信息表中查詢數據包目的節點的預測位置，根據預測信息的有效時間選取有效期更久的記錄作為目的節點的預測位置；(4)判斷對方節點是否是目的節點，若是則直接完成傳遞過程，否則執行步驟 (5)；(5)判斷對方節點和目的節點預測位置是否相同，若相同則將副本轉發給對方，在此情況下，對方節點和目的節點在以後很可能有通訊的機會，是一個很好的中繼節點；否則執行步驟(6)(6)判斷對方和目的節點預測位置之間的距離，如果距離小於場景半徑的四分之一，則執行步驟(7)否則執行步驟(8)；(7)判斷轉發節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離大於場景半徑的四分之一則轉發節點將副本轉發給對方，在此情況下對方節點在以後有一定的概率將數據包傳遞給目的節點或者接近目的節點的中繼節點，是一個比轉發節點更合適的中繼節點；否則執行步驟⑶；(8)轉發節點繼續保留該數據包，不進行轉發；在此情況下雙方節點遇到適的中繼節點的概率是一樣的，不進行轉發可以減少數據包的傳遞和網絡資源的使用。但某個數據包傳遞到目的節點後，由於採用的是動態多副本的路由方法，那麼在某些中繼節點或源節點的緩衝區內可能還保留有該數據包的副本，顯然這些無用的副本會佔用節點的緩衝區資源，需要對節點的緩衝區進行清理。結合圖4，本發明的節點緩衝區清理的具體步驟為(1)當某個數據包到達目的節點後，目的節點就會產生對應的ACK消息，並在其與射頻讀寫器的會話中，讓讀寫器讀取此ACK消息。ACK消息通常很小，而且沒有消息體；讀寫器和節點通常在讀寫預測信息之後進行ACK消息的讀寫；(2)讀寫器之間可以共享ACK消息，並將所有收集的ACK消息組合成一個ACK鏈； 由於網絡中數據包會不停的產生，因此ACK消息也會不停的產生，導致ACK鏈無限的增加； 可以將ACK鏈設置成為一個先進先出的隊列，隊列的長度由數據包的產生密度決定；這樣早先的ACK消息，會被後來的ACK消息取代，完成清理緩衝區的任務後被丟棄；(3)讀寫器在和節點的會話期間將此包含所有ACK消息的鏈寫入節點，每個節點根據接收的ACK鏈刪除相應的數據包，ACK鏈也隨之刪除。下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述實施例下面結合一個鄉鎮仿真環境對本發明作進一步詳細描述。該場景的區域大小為 4km*4km。區域內由移動節點、讀寫器設施、道路、基礎設施組成。節點在50個基礎設施中隨機選擇一個作為目的地，並沿著場景中的道路，向目的地移動，在目的地的停留時間為 600-7200秒，之後重複此過程。節點的數目設置為50-150個，每次遞增10個。實驗環境中各種參數設置如下表表1實驗環境的參數設置
權利要求
1.一種輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1 進行路由前的準備，首先對機會網絡的應用場景進行選擇，該應用場景為一個相對封閉的環境，在此場景中存在一些移動的實體，各移動實體之間需要進行一些數據的傳遞與共享；其次在上述應用場景中設置若干個無線射頻讀寫器，這些讀寫器均勻分布在整個場景中，其覆蓋範圍不重疊；接著在移動節點上設置通訊終端，該通訊終端包括兩個接口，一個為無線射頻讀寫接口，另一個為傳統無線網絡的讀寫接口 ；步驟2 移動節點產生數據包。通過射頻信號收集預測信息，在與其它節點的通信過程中，利用預測信息進行數據包的分發或轉發，此時該移動節點為源節點；步驟3 移動節點通過射頻信號收集預測信息，並利用預測信息進行數據包的分發或轉發，最終數據包到達目的節點，此時該移動節點為中繼節點；步驟4 移動節點接收數據包之後，產生ACK消息，並通過射頻信號廣播ACK消息來清理網絡中多餘的副本，此時該移動節點為目的節點。
2.根據權利要求1所述的輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法，其特徵在於，步驟2、步驟3中移動節點通過射頻信號收集預測信息的具體方法為(1)每個節點的移動都帶有目的性，節點可以估計出自己到目的地的時間以及自己在目的地停留的時間，形成對自身的預測信息，並指定該信息有效的時間；(2)均勻分布在整個環境中的多個讀寫器讀取在自身覆蓋範圍內所有節點的預測信息；(3)讀寫器之間進行信息交換，形成一個包含網絡環境中全部節點的預測信息表；(4)讀寫器再將上述預測信息表寫入覆蓋範圍內移動節點，節點定期的和讀寫器交互， 將自身改變的信息告知讀寫器，並從讀寫器更新整個預測表。
3.根據權利要求1所述的輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法，其特徵在於，步驟2、步驟3中移動節點進行數據包的分發或轉發的方法為(1)從分發節點或轉發節點的預測信息表中查詢自身的預測位置；(2)從對方節點的預測信息表中查詢對方節點的預測位置；(3)從雙方節點的預測信息表中查詢數據包目的節點的預測位置，根據預測信息的有效時間選取有效期更久的記錄作為目的節點的預測位置；(4)判斷分發或轉發節點持有的數據包的副本數目，若副本數目大於1則執行步驟 (5)；如果只有一個副本，則執行步驟(10)；(5)判斷對方節點是否是目的節點，若是則直接完成傳遞過程並刪除所有的數據包，否則執行步驟(6)；(6)判斷對方節點和目的節點預測位置是否相同，若相同則發送單一副本給對方，並刪除其餘的副本；否則執行步驟(7)(7)判斷對方節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離小於場景半徑的四分之一，則執行步驟(8)否則執行步驟(9)；(8)判斷分發節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離大於場景半徑的四分之一則分發節點發送單一副本給對方，並自己保留一個副本；否則執行步驟(9)；(9)分發節點將一半的副本數發送給對方節點；(10)判斷對方節點是否是目的節點，若是則直接完成傳遞過程，否則執行步驟(11)；(11)判斷對方節點和目的節點預測位置是否相同，若相同則將副本轉發給對方；否則執行步驟(12)(12)判斷對方節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離小於場景半徑的四分之一，則執行步驟(13)否則執行步驟(14)；(13)判斷轉發節點和目的節點預測位置之間的距離，如果距離大於場景半徑的四分之一則轉發節點將副本轉發給對方；否則執行步驟(14)；(14)轉發節點繼續保留該數據包，不進行轉發。
4.根據權利要求1所述的輔助於無線射頻識別技術的時延容忍路由方法，其特徵在於，步驟4通過射頻信號廣播ACK消息來清理網絡中多餘的副本具體為(1)某個數據包到達目的節點後，目的節點產生對應的ACK消息，並在其與射頻讀寫器的會話中，讓讀寫器讀取此ACK消息；(2)讀寫器之間共享ACK消息，並將所有收集的ACK消息組合成一個ACK鏈；(3)讀寫器在和節點的會話期間將此包含所有ACK消息的ACK鏈寫入節點，每個節點根據接收的ACK鏈刪除相應數據包的副本。
全文摘要
本發明公開了一種輔助於無線射頻的時延容忍路由方法，其主要針對多移動節點組成的機會網絡，主要可以應用於校園網絡、小型鄉鎮網絡等環境。該方法主要包括以下步驟首先進行路由前的準備；之後移動節點產生數據包，通過射頻信號收集預測信息，在與其它節點的通信過程中，利用預測信息進行數據包的分發或轉發，接著移動節點通過射頻信號收集預測信息，並利用預測信息進行數據包的分發或轉發，最終數據包到達目的節點；移動節點接收數據包之後，產生ACK消息，並通過射頻信號廣播ACK消息來清理網絡中多餘的副本。本發明採用了無線射頻信號收集網絡中節點的信息用於輔助路由決策，提高了傳輸率的同時，降低了端到端的延時。
文檔編號H04L1/16GK102195856SQ20101012793
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者姜海濤, 張宏, 彭進鋒, 戚勇, 李千目, 王豔 申請人:南京理工大學, 江蘇瀛環國際集團宏海物流有限公司