一種分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)連通性的評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一類分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)連通性的評(píng)價(jià)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)（Opportunistic Sensor Networks)具有移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANETs (Mobile Ad Hoc Networks)和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)DTNs(Delay Tolerant Networks)的特點(diǎn)，是 一種利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來的相遇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間通過存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn) 發(fā)的路由模式實(shí)現(xiàn)通信，消息在轉(zhuǎn)發(fā)過程中延遲明顯，傳輸過程中錯(cuò)誤率較高。在湖泊或海 洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、救災(zāi)系統(tǒng)和偏遠(yuǎn)山區(qū)通信等一類實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于物理上的約 束、成本的考慮、節(jié)點(diǎn)損壞等原因，傳感網(wǎng)絡(luò)可能被分割成多個(gè)不連通的區(qū)域，形成分區(qū)域 機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)性地收集這些區(qū)域的消息實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通，場(chǎng)景如圖1所示， 感知節(jié)點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過一次或多次轉(zhuǎn)發(fā)，最終將消息轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的缺失和感知節(jié)點(diǎn)的失效都可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連通性下降，甚至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱 瘓的情況。因此，需要評(píng)價(jià)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的連通狀況，從而采取相應(yīng)策略改善其連通 性能，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
[0003] 目前，已有針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)、延遲容忍網(wǎng)絡(luò)DTNs的分層和連通性評(píng)價(jià)研究，但針 對(duì)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究有限。Harras K A和Almeroth K C在"Inter-regional messenger scheduling in delay tolerant mobile networks"【Proc·of World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks[C] .New York，USA:IEEE，2006:93-102】描述 了 DTNs隨移動(dòng)設(shè)備的增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)分割和間歇連通的現(xiàn)象，利用移動(dòng)消息Bundles實(shí) 現(xiàn)分割區(qū)域與互聯(lián)網(wǎng)間的通信。Zhao D，Ma Η等人在"Differentiated probabilistic forwarding for extending the lifetime of opportunistic networks"【Proc·of Wireless Communications and Networking[C].Paris，F(xiàn)rance: IEEE，2012:3002-3007】描 述了將無線傳感網(wǎng)絡(luò)分為3層，通過中間層"數(shù)據(jù)驢"收集底層的感知數(shù)據(jù)，并投遞至接入 點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接感知節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)，在兩者之間起到樞紐的作用。
[0004] Harras K A和Almeroth K C在"Inter-regional messenger scheduling in delay tolerant mobile networks"【Proc·of World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks[C] .New York，USA: IEEE，2006:93-102】描述了米用消息投遞成功率 和消息平均投遞時(shí)延評(píng)價(jià)DTNs網(wǎng)絡(luò)中三種不同區(qū)域調(diào)度策略（周期性、基于存儲(chǔ)、按需求） 對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性能的影響。Shah R C和Roy S等人在"Data mules:modeling and analysis of a three-tier architecture for sparse sensor networks"【Ad Hoc Networks, 2003，1(2):215-233】描述了采用消息投遞成功率、消息投遞時(shí)延、消息平均投遞時(shí)延評(píng)價(jià) DTNs的連通性。Medjiah S和Taleb T等人在"Sailing over data mules in delay-tolerant networks"[IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(1):5-13】描述了采用消息投遞成功率、網(wǎng)絡(luò)消息投遞時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等指標(biāo)預(yù)測(cè)DTNs中移動(dòng)節(jié) 點(diǎn)的連接情況。
[0005] 上述文獻(xiàn)研究的對(duì)象是無線傳感網(wǎng)絡(luò)和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)DTNs，目前尚未見分區(qū)域機(jī) 會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)連通性的評(píng)價(jià)方法。本專利針對(duì)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的連通性提出一種可行的 評(píng)價(jià)方法，為湖泊或海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、救災(zāi)系統(tǒng)和偏遠(yuǎn)山區(qū)通信等一類實(shí)際應(yīng)用提 供支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是提供一種分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)連通性的評(píng)價(jià)方法。本發(fā)明首先 根據(jù)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的消息傳輸特點(diǎn)，將分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)劃分為三層:底層、中間 層、頂層，感知節(jié)點(diǎn)處于底層，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于中間層，Sink節(jié)點(diǎn)處于頂層;然后通過區(qū)域消息 投遞成功率、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率計(jì)算得到子網(wǎng)消息投遞成功率，通過區(qū)域消息平均 投遞時(shí)延、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息平均投遞時(shí)延計(jì)算得到子網(wǎng)消息平均投遞時(shí)延；最后以子網(wǎng)消息 投遞成功率和子網(wǎng)消息平均投遞時(shí)延來評(píng)價(jià)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的連通性。
[0007] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0008] (1)本發(fā)明根據(jù)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)消息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)（感知節(jié)點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過一次或多次轉(zhuǎn)發(fā)，最終將消息轉(zhuǎn)發(fā)至Sink節(jié)點(diǎn)），將整個(gè)分區(qū)域機(jī)會(huì) 傳感網(wǎng)絡(luò)劃分為三個(gè)層次，如圖2所示，Sink節(jié)點(diǎn)相對(duì)靜止，處于頂層，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Fa、Fb、Fc處 于中間層，感知節(jié)點(diǎn)處于第3層，底層區(qū)域的感知消息依次通過中間層的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至 Sink節(jié)點(diǎn)。
[0009] (2)計(jì)算區(qū)域消息投遞成功率。假設(shè)區(qū)域j(j = l，2,3L n，n為最大區(qū)域個(gè)數(shù)）內(nèi)時(shí) 亥Iji上感知節(jié)點(diǎn)消息投遞至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為Rij，區(qū)域j (j = 1，2，3，L，η)內(nèi)所有感知節(jié)點(diǎn)在 時(shí)刻i上產(chǎn)生的消息總數(shù)量為I i j。時(shí)間Τ內(nèi)，區(qū)域j (j = 1，2，3，L，η)內(nèi)感知節(jié)點(diǎn)消息投遞至移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生消息總數(shù)的比值為區(qū)域消息投遞成功率如式（1)所示。隨著 Ru的增大，區(qū)域消息投遞成功率^增大，表明有更多的區(qū)域內(nèi)消息被投遞至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
[0011] (3)計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率。假設(shè)區(qū)域j( j = l，2,3L η)內(nèi)時(shí)刻i投遞至Sink 節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)量為Jij，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻i從區(qū)域j (j = 1，2，3，L，n)接收到的消息總數(shù)為Qij。 時(shí)間T內(nèi)，區(qū)域j(j = l,2,3,L,η)內(nèi)消息投遞至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)后，由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)投遞至Sink節(jié)點(diǎn)的 數(shù)量與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從該區(qū)域接收到的消息總數(shù)的比值為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率仏，如式 (2)所示。隨著的增大，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率比增大，表明有更多的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投 遞至Sink節(jié)點(diǎn)。
[0013] (4)計(jì)算子網(wǎng)消息投遞成功率。如圖2所示，模型中每個(gè)區(qū)域作為一個(gè)子網(wǎng)，區(qū)域j (j = l，2,3，L，n)內(nèi)消息最終投遞至Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與區(qū)域j產(chǎn)生消息總數(shù)的比值為子網(wǎng)消 息投遞成功率，如式(3)所示。隨著子網(wǎng)消息投遞成功率h增大，表明有更多的區(qū)域內(nèi)消息 被投遞至Sink節(jié)點(diǎn)。
[0014] 0j = ajPj (3)
[0015] (5)計(jì)算區(qū)域消息平均投遞時(shí)延。假設(shè)區(qū)域」〇 = 1，2,3丄，1〇內(nèi)第111條消息投遞至 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延為Tj(m)。時(shí)間T內(nèi)，區(qū)域j (j = 1，2，3，L，n)內(nèi)Sj條消息投遞至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的時(shí) 延平均值為區(qū)域消息平均投遞時(shí)延，如式(4)所示。
[0017] (6)計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息平均投遞時(shí)延。假設(shè)區(qū)域」（」=1，2,3丄，1〇內(nèi)消息投遞至移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)后，由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)投遞至S i n k節(jié)點(diǎn)的第m條消息的時(shí)延為τ」7 (m)。時(shí)間T內(nèi)，區(qū)域j (j = l，2,3，L，n)內(nèi)消息投遞至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)后，由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)投遞至Sink節(jié)點(diǎn)的S/條消息的投遞時(shí) 延平均值為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息平均投遞時(shí)延，如式(5)所示。
[0019] (7)計(jì)算子網(wǎng)消息平均投遞時(shí)延。時(shí)間T內(nèi)，區(qū)域j(j = l，2,3，L，n)內(nèi)消息最終投遞 至Sink節(jié)點(diǎn)的平均投遞時(shí)延為子網(wǎng)消息平均投遞時(shí)延。如式(6)所示，子網(wǎng)消息平均投遞時(shí) 延〇』為區(qū)域消息平均投遞時(shí)延^與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息平均投遞時(shí)延％的和。
[0020] Φ/； (6)
[0021] 由于采用了上述方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)本發(fā)明充分考慮了分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的消息傳輸特點(diǎn)，提出分區(qū)域機(jī)會(huì)傳 感網(wǎng)絡(luò)的連通性不僅與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率有關(guān)，同時(shí)與區(qū)域消息投遞成功率有關(guān)， 由兩者計(jì)算得到的子網(wǎng)消息投遞成功率能更好地評(píng)價(jià)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的連通性;提出 分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)的連通性不僅與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息平均投遞時(shí)延有關(guān)，同時(shí)與區(qū)域消息平 均投遞時(shí)延有關(guān)，由兩者計(jì)算得到的子網(wǎng)消息平均投遞時(shí)延能更好地評(píng)價(jià)分區(qū)域機(jī)會(huì)傳感 網(wǎng)絡(luò)的連通性。
[0023] (2)針對(duì)圖1場(chǎng)景，區(qū)域Ra、Rb、Rc、Rd、Re的區(qū)域消息投遞成功率、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投 遞成功率、子網(wǎng)消息投遞成功率分別如圖3、圖4、圖5所示。
[0024]圖3中，5個(gè)區(qū)域的區(qū)域消息投遞成功率均較高。與區(qū)域Ra、Rb、Rc相遇的移動(dòng)節(jié)點(diǎn) 數(shù)相同，均為1，因此Ra、Rb、RC的區(qū)域消息投遞成功率接近;與區(qū)域Rd、Re相遇的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù) 相同，均為2,因此Rd、Re的區(qū)域消息投遞成功率接近，且均高于Ra、Rb、Rc的區(qū)域消息投遞成 功率。
[0025]圖4中，與區(qū)域Re相遇的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為2,其中一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為Fa，F(xiàn)a與Sink節(jié)點(diǎn)相 遇，所以Re的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率最高；區(qū)域Ra只與Fa相遇，所以其移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞 成功率次之；區(qū)域Rc離Sink節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)，其消息需經(jīng)過多次移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才可能到達(dá)Sink 節(jié)點(diǎn)，有些消息因?yàn)門TL(Time to Live)到期而被丟棄，因此Rc的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)消息投遞成功率 最低。
[0026]由圖3、圖4的分析