移動中繼系統中基於距離和時延的能量有效轉發方法

2023-10-05 10:48:59 1

專利名稱：移動中繼系統中基於距離和時延的能量有效轉發方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，具體涉及移動中繼系統中的能量有效轉發方法。
背景技術：
近年來，隨著綠色環保成為人們共識，國家提出關於節能減排的要求和具體指標，雖然與煤炭、鋼鐵、有色、建築、運輸等行業相比，通信行業並不是能耗排放問題最突出的行業，但是，通信企業的能源消耗也不低，另外降低輻射和通信幹擾也比較迫切。對於運營商來說，通信行業整體仍處於快速發展階段，新興市場用戶的增加以及發達市場對帶寬需求的提升必然帶來網絡的擴容。網上運行設備容量的增大導致了能耗需求也不斷擴大，能源單價上漲及運營總能耗的上升給運營商帶來了長期的財務壓力。所以，對於運營商來說，如何實現節能減排，核心是如何降低運營設備的能耗。這就要求設備廠商的通信產品能耗要大幅降低。Ad hoc網絡是由一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的一個多跳臨時性自治系統，移動終端具有路由功能，可以通過無線連接構成任意的網絡拓撲，這種網絡可以獨立工作，也可以與Internet或蜂窩無線網絡連接。在後一種情況中，Ad hoc網絡通常是以末端子網的形式接入現有網絡。在Ad hoc網絡中，節點間的路由通常由多個網段(跳)組成，由於終端的無線傳輸範圍有限，兩個無法直接通信的終端節點往往要通過多個中繼節點的轉發來實現通信。所以，它又被稱為多跳無線網、自組織網絡、無固定設施的網絡或對等網絡。Ad hoc網絡同時具備移動通信和計算機網絡的特點，可以看作是一種特殊類型的移動計算機通信網絡。如果網絡中的節點是快速移動且時常無連接，那麼在任意的源點和目的節點之間保持端到端的通信路徑是不現實的，因此，依賴於端到端路徑的傳統Ad hoc路由協議可能無法工作。為此，研究者提出了一種稱為「存儲——攜帶——轉發」的路由協議來提供通信，這種協議利用概率連接性和節點移動性來發送信息。當節點無法直接轉發消息給下一跳節點時，它會在緩衝區存儲消息，沿著運動軌跡攜帶消息，將消息轉發給另一個合適的節點，直到目的節點最終收到消息。由於移動節點的不確定性，任意兩個節點之間的連接是隨機的，所以源節點在進行路由選擇時通常採用多拷貝轉發的方法，即將消息分組複製成多個相同的拷貝，分配給相遇的不同節點進行轉發，以此來提高消息的到達率。最典型的多拷貝分組轉發方法是 A. Vahdat 和 D. Becker 在《Epidemic Routing for Partially ConnectedAd Hoc Networks》一文中提出的,在Epidemic中，節點將消息分組複製給任何相遇到的還沒有拷貝的節點，直到消息的最大時延容忍為止。儘管這種基於洪泛的策略能夠實現很高的分組到達概率，但是它會浪費很多的能量，同時對於大型網絡表現出差的延展性。因此，更多的研究開始關注於概率式轉發方法。這種轉發機制以一定的概率來轉發分組消息，試圖在減少分組拷貝數目的同時保持較高的到達率。目前關於概率式轉發的方法有很多，但是基本存在兩個問題，一是沒有充分利用網絡中節點的移動性，中繼節點進入源節點的最大發射半徑內還可能繼續靠近源節點，使得源節點的發射功率進一步；二是消息的成功發送不僅和網絡中攜帶消息拷貝的中繼節點個數有關，還和消息的最大時延容忍密切相關。

發明內容
本發明的目的是利用MANET網絡中節點的移動性，設計出一種移動中繼系統中的能量有效轉發方法。移動中繼系統的能量有效轉發方法，步驟如下I)源節點以時長為U的時間間隔進行檢測，查看是否有中繼節點進入最大發射半
徑R內；檢測時間分別為tQ = (Kt1 = U、t2 = 2U......tk = kU......，k為自然數,一直檢
測到收到目的節點已成功接收數據的反饋信息，如果沒有收到目的節點已成功接收數據的反饋信息則一直檢測到預先設置的消息的最大時延容忍T ；2)在tk = kU時刻，源節點檢測到最大發射半徑R內的中繼節點，並與之——建立通信聯繫，計算能量效率n (tk)，選出能效最大的傳輸距離d和此次轉發能夠收到消息的節點個數m ；3)考慮到節點的移動性，中繼節點可能會在接下來的時間裡繼續靠近源節
點，使得兩者之間的距離減小，源節點預測tk+1、tk+2......tn......時刻的等能效距離
d(d,tk+1)s d{djt+1)……did,tn)■·.·.·,n 為自然數；4)在tk時刻源節點通過預測得到此後的一段時間裡至少會有一個中繼節點使得源節點轉發的能量效率高於rI (tk)的概率期望PbrttCT ;如果PbrttCT彡α，表示源節點在之後的時間裡轉發消息拷貝會獲得更高的能量效率，因此源節點在tk時刻選擇不轉發消息拷貝給與之距離為d之內的中繼節點，反之，如果Pbrttw < α，則源節點在tk時刻選擇轉發消息拷貝給與之距離為d之內的中繼節點，其中α是預先設定的判決門限值；所述的步驟2)中計算能量效率n (tk)方法為若源節點在tk時刻選擇轉發消息拷貝給一個節點，轉發後消息成功到達目的節點的概率期望變為S(^ ) = 1-(1若源節點在tk時刻選
擇廣播轉發消息拷貝給m個節點，轉發後消息成功到達目的節點的概率期望變為
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5(^) = 1-(1-5(^)].^I此次轉發需要消耗的發射功率為其中，
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V為節點的移動速度，R為節點的最大發射半徑，L為移動區域尺寸，且需要滿足R<<L，w^l. 3683是一個特定的常數，S(tk)為在tk時刻源節點預測的消息成功到達目的節點的概率期望，E (tk)為在tk時刻源節點轉發消息消耗的發射功率，H1為路徑損耗指數，在接收功率為定值時ε是一個常數；將源節點在轉發消息拷貝後，消息成功到達目的節點的概率期望的增量與此次轉發消息所消耗的發射功率的比值定義為能量效率，如轉發消息拷貝給一個節點，則轉發的能量效率為
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所述的步驟3)源節點預測tk+1、tk+2......tn......時刻的等能效距離
d(d,ik+2).·····d(d,tn)......的方法為若源節點選擇等到tn(tn > tk)時刻轉發，則此時轉發後消息成功到達目的節點的
概率期望的增量為'
權利要求
1.一種移動中繼系統的能量有效轉發方法，其特徵在於，步驟如下 1)源節點以時長為U的時間間隔進行檢測，查看是否有中繼節點進入最大發射半徑R內；檢測時間分別為tQ = (Kt1 = U、t2 = 2U......tk = ku......，k為自然數,一直檢測到收到目的節點已成功接收數據的反饋信息，如果沒有收到目的節點已成功接收數據的反饋信息則一直檢測到預先設置的消息的最大時延容忍T ； 2)在tk= kU時刻，源節點檢測到最大發射半徑R內的中繼節點，並與之一一建立通信聯繫，計算能量效率H (tk)，選出能效最大的傳輸距離d和此次轉發能夠收到消息的節點個數m ; 3)考慮到節點的移動性，中繼節點可能會在接下來的時間裡繼續靠近源節點，使得兩者之間的距離減小，源節點預測tk+1、tk+2......tn......時刻的等能效距離d(d,tk+l) s d(d,tM)……d{d,tn)……,n 為自然數； 4)在tk時刻源節點通過預測得到此後的一段時間裡至少會有一個中繼節點使得源節點轉發的能量效率高於rI (tk)的概率期望PbrttCT ;如果PbrttCT彡α，表示源節點在之後的時間裡轉發消息拷貝會獲得更高的能量效率，因此源節點在tk時刻選擇不轉發消息拷貝給與之距離為d之內的中繼節點，反之，如果pbrttCT < α，則源節點在tk時刻選擇轉發消息拷貝給與之距離為d之內的中繼節點，其中α是預先設定的判決門限值；
2.根據權利要求I所述的能量有效轉發方法，其特徵在於，所述的步驟2)中計算能量效率Η (tk)方法為 若源節點在tk時刻選擇轉發消息拷貝給一個節點，轉發後消息成功到達目的節點的概率期望變為= I— [I—I」若源節點在tk時刻選擇廣播轉發消息拷貝給m個節點，轉發後消息成功到達目的節點的概率期望變為 ,T- - ,TS(f.) = l-[1 ^S(^1)J-Ie必I ' j此次轉發需要消耗的發射功率為￡&吃其中，V為節點的移動速度，R為節點的最大發射半徑，L為移動區域尺寸，且需要滿足R<<L，w^l. 3683是一個特定的常數，S(tk)為在tk時刻源節點預測的消息成功到達目的節點的概率期望，E (tk)為在tk時刻源節點轉發消息消耗的發射功率，H1為路徑損耗指數，在接收功率為定值時ε是一個常數；將源節點在轉發消息拷貝後，消息成功到達目的節點的概率期望的增量與此次轉發消息所消耗的發射功率的比值定義為能量效率，如轉發消息拷貝給一個節點，則轉發的能量效率為 Il-SiL ,)!· 斤.)——Sfe) —S(U—.....― +一 L- c E(tt)cT ·ε·
3.根據權利要求I所述的能量有效轉發方法，其特徵在於，所述的步驟3)中源節點預測tk+1、tk+2......tn......時刻的等能效距離3(i/，ifc+1)、cl(d,tk+1)……2{dJn)……的方法為 若源節點選擇等到tn(tn > tk)時刻轉發，則此時轉發後消息成功到達目的節點的概率期望的增量為
4.根據權利要求I所述的能量有效轉發方法，其特徵在於所述的步驟4)中計算此後的一段時間裡至少會有一個中繼節點使得源節點轉發的能量效率高於H (tk)的概率期望Pbetter的方法為
全文摘要
本發明公開了一種針對移動中繼的能量有效轉發方法。它的步驟為採用兩跳轉發方法，源節點可以複製消息給中繼節點，中繼節點將消息轉發給目的節點。源節點在中繼節點進入到最大發射半徑內時，以一定的判斷準則選擇是否轉發消息拷貝。其中在該判斷準則設計中，考慮節點當前距離進行傳輸的能量消耗及其在時延要求內成功到達目的節點的概率，定義等能效距離，計算在以後進行轉發的期望成功到達概率，從而做出能效優化的轉發決策。本發明可用於具有移動中繼，允許的時延較長的無線網絡中，節點間通信的轉發方法。
文檔編號H04W52/02GK102932869SQ20121044242
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者盧玥, 王瑋, 張朝陽 申請人:浙江大學