基于移动协助的延迟容忍网络路由方法

本发明属于延迟容忍无线传感器网络技术领域，具体涉及基于移动协助的延 迟容忍网络路由方法。

近年来，为了满足野生动物监测、海洋监测、车载网络和便携设备交换网络 等应用的需求，延迟容忍传感器网络(Delay Tolerant Network,DTN)成为了新的研 究热点。但是由于网络中传感器节点的随机移动、网络的间歇连通以及网络拓扑 的动态变化，使得延迟容忍网络路由技术成为了一个研究的重点与难点。

目前，根据网络中的位置是否固定，延迟容忍网络路由方法主要有以下 几种：

1)固定。基于固定下的延迟容忍网络路由方法较多，大多位 于网络的中心位置。Vahdat A等人在2000年提出了Flooding路由方法，该方法 与某些传染病的传播方式类似，因而被称为传染性路由，也叫洪泛路由。每当两 个移动节点相遇时，移动节点互相交换队列中的缓存消息，获得对方节点队列中 自己缺少的那部分消息。PROPHET路由方法是Lindgren A等人在2003年提出 了第一个基于历史信息的延迟容忍网络路由方法。作者认为：许多目标对象的移 动行为不是完全随机的，而是具有一定的规律性，如果两个目标对象在过去的一 段时间内频繁相遇，那么不久后两个目标对象很有可能再次相遇。因此，节点的 路由选择是以邻居节点在过去一段时间内成功转发数据记录为依据。 SRAD(Selective Replication-Based Data Delivery)路由方法是延迟容忍网络中最早 提出的基于运动状态的路由方法之一，该方法根据节点的运动速度、运动方向以 及节点与的距离三个因素计算节点的数据传输概率。

2)移动。ZebraNet System是应用于野生动物的监测。在斑马的生活区 域20km×20km，研究员利用以车载的形式进行数据的采集。首先按照 方形路径5km×5km运动，运动完一周后再按照方形路径15km×15km运动，交 替进行。移动每天工作3小时，从下午2点到下午5点，运动速度的范围为 8m/s到30km/h之间。一旦工作完3小时，立即停止工作，第二天从该位置 重新开始。吴亚辉等人提出了基于状态感知的路由方法(Situation-Aware Routing  Method,SRAM)。该方法中与节点都是随机移动的。该方法根据节点到 的相对距离以及节点与的相对速度两个方面计算数据的传输概率。

相比于延迟容忍网络中固定网络模型中的路由方法，基于移动的路 由方法以一定的概率增大了节点与相遇的频率，但是这种网络模型的改进并 没有明显提升网络的性能。因为无论是固定或是移动，覆盖的范围 总是固定的，网络中所有的移动节点总是需要运动到附近时才能与通 信，因此源节点仍然需要较多次数的转发才能将数据传输至，造成节点过快 的能量消耗，影响网络寿命。

本发明针对现有延迟容忍网络路由方法的不足，提出了基于移动协助的延迟 容忍网络路由方法。该方法利用移动协助的网络模型，采用基于运动状态的路由 策略，有效地延长了网络寿命、增大了数据传输成功率。该方法包括网络模型的 建立和数据路由两个阶段，具体步骤如下：

1)网络模型的建立。本发明网络模型的建立包括网络初始化、移动策
略的实现以及缓存节点的部署三个部分。首先进行网络初始化完成后，根据公式
算出的固定移动轨迹半径，根据公式
计算需要部署的缓存节点的数量，根据公式
计算缓存节点的初始能量，网络模型如图2所
示。

2)数据路由。本发明的数据路由阶段包括数据传输和队列管理两个部分。
数据传输部分，本发明中收集节点采集到数据后，首先检查在此次运动中自身是
否可以将数据直接传输至缓存节点：若可以，则当收集节点位于缓存节点的通信
范围内时将数据直接进行交付；否则，计算自身以及所有邻居节点的数据传输概
率，该节点将数据转发给邻居节点中传输概率大于自身的所有邻居节点。本发明
根据收集节点运动速度的大小、运动速度的方向、收集节点当前运动的目地点到
缓冲区域的距离以及收集节点的剩余能量计算收集节点的数据传输概率。若收集
节点位于缓冲区域内，收集节点的传输概率为1；若收集节点位于Z₁区域内，如
果满足公式则收集节点的传输概率为1，否则根据
公式(5)计算收集节点的传输概率；若收集节点位于Z₂区域内，如果此时收集节
点的目地点不在区域Z₂内，则收集节点的传输概率为1，否则根据公式
P_i＝α(ηP_vi+(1-η)P_di)+βP_i(E)、 <math> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>di</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>d</mi> <mo>&Element;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </math>
计算收集节点的传输概率。队列管理部分，每个节点
根据消息生存时间的计算规则更新每个消息的生存时间，同时根据消息的丢弃规
则丢弃不要的消息。

本发明的有益效果主要有以下几点：1)本发明在网络模型中设置了缓冲区、 缓存节点以及按照某种固定轨迹移动的，减少了普通节点将数据转发到 的跳数，降低了节点转发数据的能量消耗，同时间接扩大了固定或者移动基 站的通信范围，提高了普通节点将数据转发至的可能性，增大了数据传输成 功率。2)本发明在移动的轨迹设定时，通过均衡移动轨迹内的节点和 轨迹外的节点将数据转发至的传输延迟与能量消耗进行设计，根据缓冲区以 外两个区域的点分别到缓冲区的最远距离相等这一规则对的轨迹进行实现。 3)本发明在该网络模型下的数据路由中，同时考虑了节点的运动状态和节点的 剩余能量，更好的均衡了节点的能量消耗，延长了网络寿命。

图1为本发明流程图。

图2为本发明的网络模型示意图。

图3为本发明的数据传输流程图。

图4为本发明的网络性能。

图5为通信半径对网络性能的影响。

1)网络初始化

图2为网络模型示意图，将300个收集节点随机部署于半径R为110m的圆 形网络区域内，负责感知周围环境信息；将M个缓存节点固定且均匀部署于以 Rn为外径、Rm为内径的圆环缓冲区内，负责将接收到的收集节点的数据进行临 时存储然后将其转发给。并且满足：Rn-r＝Rm+r，参数r为移动、 收集节点以及缓存节点的通信半径。在圆环缓冲区内以O为圆心、以 rbs＝Rm+r为半径进行圆周运动，主要负责收集缓存节点的数据。具体模型为：

(1)每个收集节点的移动方式均遵循Random Way Point移动模型；

(2)每个收集节点从始至终知道网络中心O点的位置；

(3)以车载的形式出现，具有充足的能量；

(4)每个收集节点均有携带GPS设备，可以获知自己在任意时刻的位置。

2)计算的固定移动轨迹半径

本发明为了均衡缓冲区内外即区域Z1内的节点和区域Z2内的节点到缓冲区 内的延迟以及能耗，根据区域Z1内的点和区域Z2内的点分别到缓冲区的最远距 离相等这一规则对的轨迹进行设定。

的固定移动轨迹半径根据公式(1)得到。

$r_{\mathrm{bs}}=\sqrt{\frac{R^2-{2r}^2}{2}}---\left(1\right)$

3)缓存节点的部署

(1)计算缓存节点的数量M

本发明为了尽量减少网络成本的同时不影响网络的性能，根据公式(2)得到 缓存节点的数量。

$\mu =\frac{{\mathrm{MS}}_0-(\underset{i=1}{\overset{M-1}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{iI}(i+1)}+S_{1\mathrm{IM}})}{S}---\left(2\right)$

其中，μ为缓冲区的覆盖率，S表示缓冲区的面积大小，S₀＝πr²；S₀表示
一个缓存节点的覆盖面积，S_i∩j表示缓存节点i与缓存节点j的
重叠覆盖面积，S_i∩j＝θ×r²-sinθ×r²，l_i,j是两个相邻节点之
间的距离，可以根据两个节点之间的接收信号强弱获得。

(2)计算缓存节点的初始能量

本发明为了充分利用缓存节点的能量，根据公式(3)得到缓存节点的初始能 量。

$E_{\mathrm{Init}}^{\mathrm{Buffer}}=\frac{2\frac{T_{\mathrm{nl}}}{\mathrm{\Delta t}}\times M_{\mathrm{size}}\times N\times {\mu }_{\mathrm{suc}}\times E_{\mathrm{elec}}}{M}---\left(3\right)$

其中，Eelec为射频能耗系数，△t是消息产生间隔；Tnl是网络寿命；Msize为每 个消息的大小；N为收集节点的总数；μsuc为传输成功率。

4)数据路由——数据传输

本发明中收集节点的数据传输概率流程如图3所示，具体计算过程如下：

(1)收集节点位于缓冲区域内

若收集节点i位于缓冲区域内，则收集节点i的传输概率Pi＝1。

(2)收集节点位于Z1区域内

若收集节点i位于Z1区域，此时需要根据收集节点i的目地点D的位置进行 具体分析，存在以下两种情形：

①若此时收集节点i的目地点D位于缓冲区或者区域Z2，即位于以点O为 圆心、Rn为半径的圆内，那么收集节点i的传输概率Pi＝1。

②若收集节点i的目地点D不位于缓冲区域内且不位于区域Z2内，此时需 要判断收集节点i的当前位置I与目地点D的连线与缓冲区的关系。可以分为以 下两种可能：

a.若收集节点i的当前位置与此次运动的目地点D满足公式(4)时，收集节 点i的传输概率Pi＝1。

$\frac{x_1{y}_2-x_2{y}_1}{\sqrt{{(y_1-y_2)}^2+{(x_1-x_2)}^2}}\le R_n---\left(4\right)$

其中(x1,y1)表示收集节点i的当前位置，(x2,y2)为收集节点i此次运动的目 地点位置。

b.否则，根据公式(5)计算收集节点i的传输概率。

Pi＝α(ηPvi+(1-η)Pdi)+βPi(E)        (5)

其中，P_vi表示收集节点i此次运动的速度对数据传输概率的影响，
V表示收集节点i此时的速度大小，V_max表示收集节
点i可选的最大速度；V_min表示收集节点i可选的最小速度；P_di表示收集节点i
此次运动的目地点位置对数据传输概率的影响，
d为目地点到圆心的距离；η为常数，
表示收集节点i的剩余能量，表示收集节点i的初
始能量；α、β为常数，且满足α+β＝1。

③收集节点位于Z2区域内

若收集节点i位于Z2区域，此时需要根据收集节点i的目地点D的位置进行 具体分析。存在下面两种情形：

a.如果此时收集节点i的目地点D不在区域Z2，收集节点i的传输概率Pi＝ 1。

b.如果收集节点i的目地点D位于区域Z2内，此时需要根据公式(5)重新计 算，只有Pdi与η两个参数存在变化。

$P_{\mathrm{di}}=\frac{d}{R_m},d\in (0,R_m)---\left(6\right)$

5)数据路由——队列管理

本发明根据消息的生存时间确定消息在队列中的排列顺序以及丢弃原则。具 体过程如下：

(1)消息生存时间的计算规则

①若节点采集到一个消息z，该消息的生存时间为

②若节点p将消息z转发至节点i，该消息的生存时间为

③若消息z是由节点i自身产生的，在其被转发后按照某种规则放入到节
点i的缓存队列中，此时消息z的生存时间为

④节点i中所有消息的生存时间值自接收至被转发之前的这段时间内必须
根据本地计时器不断增长，其中，ε_k表示节点i的队列中的每个消
息，0≤k≤K，K为消息的个数。

(1)消息的丢弃规则

①消息的生存时间大于网络规定的延迟容忍限度值时，将该消息进行丢弃。

②当节点的缓存队列已满，但是同时节点又接收到了来自其它节点的消息 时，需要将该消息的生存时间与队列尾部消息的生存时间进行比较：若该消息的 生存时间较大，则立即将该消息丢弃；若队尾的消息生存时间较大，则将队尾消 息丢弃，然后将新接收到的消息按照生存时间插入到队列中。

本发明与SRAD、SARM以及Flooding方法进行了比较，网络的性能比较结 果如图4所示，从图4可以看出本发明的网络寿命和数据传输成功率较优于其他 三种方法。

通过改变收集节点的通信半径研究通信半径的取值对四种方法的平均传输 成功率、平均传输延迟和平均副本数的影响，结果如图5所示。可知，与其他方 法相比，本发明仍然可以获得较好的网络性能。