王霞,李旭宏，張偉，潘文文，徐濤

(1.棗莊學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東棗莊　277160；2.南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系,江蘇南京　210000)

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突發(fā)事件下機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型研究

王霞1，2,李旭宏1，張偉1，潘文文1，徐濤1

(1.棗莊學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東棗莊277160；2.南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系,江蘇南京210000)

[摘要]針對(duì)地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴等突發(fā)事件下固定網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施可能被摧毀而無法正常工作的情況，提出突發(fā)情況下機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型與相應(yīng)路由算法.模擬實(shí)際的災(zāi)后場(chǎng)景，分析各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征，構(gòu)建災(zāi)后節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，并對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作性進(jìn)行研究，提出適合的鄰域協(xié)作路由算法，仿真結(jié)果說明基于鄰域的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型及路由算法適用于災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)通信.

[關(guān)鍵詞]機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型；災(zāi)后場(chǎng)景；移動(dòng)特征；鄰域協(xié)作路由算法

0引言

地震、火災(zāi)等災(zāi)難性突發(fā)事件往往引起大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中斷，這給災(zāi)后的救援工作帶來了很大困難.而傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)很難在短時(shí)期內(nèi)正常恢復(fù)使用，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)以其節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性和通信的隨機(jī)性等特點(diǎn)，適用于災(zāi)后暫時(shí)性網(wǎng)絡(luò)通信.將機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于災(zāi)后暫時(shí)性通信系統(tǒng)的構(gòu)建，將會(huì)給災(zāi)后的救援工作帶來很大的幫助.

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)是一種不需要源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)存在完整鏈路，利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來的相遇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò).機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于災(zāi)后應(yīng)急通信的關(guān)鍵是建立災(zāi)后節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型和構(gòu)建相應(yīng)路由算法.目前國內(nèi)外都沒有建立針對(duì)災(zāi)后應(yīng)急通信的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型；機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議大多都處于研究之中.如何構(gòu)建災(zāi)后應(yīng)急通信的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，如何根據(jù)災(zāi)后通信節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征，設(shè)計(jì)適合的路由算法使得各點(diǎn)利用有限的資源進(jìn)行協(xié)作完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是目前急需解決的兩大問題.

本文對(duì)災(zāi)后場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)分布進(jìn)行模擬，對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特征進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，研究出災(zāi)后節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型；并在現(xiàn)有路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行區(qū)域劃分并實(shí)現(xiàn)基于鄰域的節(jié)點(diǎn)協(xié)作式路由算法.

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于車載網(wǎng)絡(luò)、手持設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、野生動(dòng)物追蹤、偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，針對(duì)災(zāi)后應(yīng)急通信的研究目前還比較少.

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型研究是當(dāng)前機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)理論研究的熱點(diǎn)之一.節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型[1]描述了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式，包括節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、以及加速度等特征的變化.目前，針對(duì)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型的研究主要包括以下幾種[2]：

(1)基于統(tǒng)計(jì)的實(shí)際移動(dòng)模型：采用統(tǒng)計(jì)的方法收集實(shí)際環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而研究節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特征而生成的移動(dòng)模型.MIT 的Reality Mining 項(xiàng)目[3]、UCSD 的Wireless Topology Discovery[4]、劍橋大學(xué)的Haggle 項(xiàng)目[5]都采用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)實(shí)際節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模式進(jìn)行研究并生成了相應(yīng)的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型.

(2)獨(dú)立同分布的理論移動(dòng)模型：目前存在3 個(gè)經(jīng)典的獨(dú)立同分布移動(dòng)模型---- Random Walk[6](RW)的原型是物理學(xué)中的布朗運(yùn)動(dòng)模型；Random Way Point[7](RWP) 是一種個(gè)體移動(dòng)模型；Random Direction[8](RD)是一種更穩(wěn)定的隨機(jī)模型，更加符合實(shí)際節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡.

(3)基于社區(qū)的移動(dòng)模型：文獻(xiàn)[9]通過分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)具有社區(qū)特性.Musolesi 等人[10]提出了一種基于社區(qū)的移動(dòng)模型；在此基礎(chǔ)上， Spyropoulos 等人[11]提出了時(shí)變的社區(qū)移動(dòng)模型.

綜合國內(nèi)外機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型的研究，具有如下特點(diǎn)：(1)由于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)尚未大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)其實(shí)用性仍需考證；(2)很大程度上，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型和路由算法分離開研究，使得路由算法缺乏對(duì)具體場(chǎng)景的針對(duì)性.

本文將模擬實(shí)際場(chǎng)景中災(zāi)后節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)變化，分析位置變化的特征，在社區(qū)移動(dòng)模型的基礎(chǔ)之上根據(jù)災(zāi)后場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的特征對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，構(gòu)建災(zāi)后節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，并根據(jù)各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作特征，研究出適合的節(jié)點(diǎn)鄰域協(xié)作路由算法.

2突發(fā)事件下機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型構(gòu)建

根據(jù)對(duì)地震等災(zāi)后通信場(chǎng)景進(jìn)行模擬，我們發(fā)現(xiàn)，地震后網(wǎng)絡(luò)中斷，各個(gè)村子或社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)孤島，很難連成一個(gè)完整的城市網(wǎng)絡(luò).但根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，災(zāi)后的通信節(jié)點(diǎn)仍具有社區(qū)性特征，只是各個(gè)社區(qū)間的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了改變[12].

根據(jù)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，搭建出基于區(qū)域的災(zāi)后節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，模型具有以下特征：

(1)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置特征：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有區(qū)域聚集性，比如一個(gè)村落，或者一個(gè)社區(qū)，但同時(shí)又具有移動(dòng)區(qū)域的局限性，因?yàn)闉?zāi)難的發(fā)生，移動(dòng)幅度很小，或者幾乎沒有.但是根據(jù)災(zāi)難發(fā)生后移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的特征，一般在搜救的過程中，會(huì)出現(xiàn)頻繁出沒在各個(gè)區(qū)域的搜救節(jié)點(diǎn)，比如搜救飛機(jī)或者其他快速搜救工具帶來的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這一類移動(dòng)節(jié)點(diǎn)大多具有基點(diǎn)的作用，但比基點(diǎn)具有快速移動(dòng)性的特點(diǎn)，其活動(dòng)范圍和活動(dòng)頻率要活躍的多.

圖1　基于區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型

(2)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建：通過對(duì)節(jié)點(diǎn)位置特征和移動(dòng)特征進(jìn)行研究，對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)劃分區(qū)域，建立了基于區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型，因?yàn)閰^(qū)域間的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)僅限于小范圍內(nèi)移動(dòng)，所以提出了鄰域的概念，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)往來的頻繁度提出親密鄰域的概念，其中在搜救的過程中，一般會(huì)出現(xiàn)頻繁出現(xiàn)在各個(gè)區(qū)域的搜救節(jié)點(diǎn)，稱之為活躍節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)移動(dòng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建主要涉及到節(jié)點(diǎn)、區(qū)域、鄰域、親密鄰域、活躍節(jié)點(diǎn)集、親密使者集等幾個(gè)概念以及其表示方法.具體模型如圖1所示.

節(jié)點(diǎn)的表示：所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MB={節(jié)點(diǎn)ID,目前所屬區(qū)域BZID，來自區(qū)域OZID,一定時(shí)間間隔內(nèi)曾去過的區(qū)域PZID集}.

區(qū)域的表示：區(qū)域是以若干個(gè)節(jié)點(diǎn)為核心組成的鄰接網(wǎng)絡(luò)連通區(qū)域，區(qū)域以三元組Z={區(qū)域ID，{節(jié)點(diǎn)集ZN}，{拓?fù)浔韢}表示，其中，拓?fù)浔戆?jié)點(diǎn)協(xié)作路由表項(xiàng)：ZT={目的區(qū)域，鄰域集，親密使者集ZBS，生存周期T}，拓?fù)浔砀嬖V我們要到達(dá)目的區(qū)域，經(jīng)過哪些鄰域，通過那些親密使者完成了信息轉(zhuǎn)發(fā).

鄰域的定義：有一定節(jié)點(diǎn)數(shù)直接往返的兩個(gè)區(qū)域成為鄰域.

親密鄰域的定義：有一定節(jié)點(diǎn)數(shù)頻繁往返的兩個(gè)區(qū)域成為親密鄰域.

親密使者集：在兩個(gè)親密鄰域內(nèi)頻繁往返的節(jié)點(diǎn)，包括活躍節(jié)點(diǎn)和其他親密使者節(jié)點(diǎn).

(3)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型的描述：

區(qū)域邊界的確定：區(qū)域的確定以文獻(xiàn)[13]中社區(qū)的邊界定義為基礎(chǔ)，以村莊或者生活社區(qū)為基礎(chǔ)區(qū)域邊界.在特殊災(zāi)難情況下，比如森林火災(zāi)等，以地域?yàn)檫吔?區(qū)域邊界的確定有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自行搜索完成，采用觸發(fā)更新式原則進(jìn)行區(qū)域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)集的更新.

節(jié)點(diǎn)屬性描述：在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的從屬區(qū)域只有一個(gè)，這個(gè)從屬區(qū)域可能隨時(shí)改變，節(jié)點(diǎn)屬性包含以下內(nèi)容：

節(jié)點(diǎn)ID：本節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符.

目前所屬區(qū)域BZID：用以標(biāo)識(shí)本節(jié)點(diǎn)目前的位置.

來自區(qū)域OZID：用以標(biāo)識(shí)本節(jié)點(diǎn)最近的來源ID.

一定時(shí)間間隔內(nèi)曾去過的區(qū)域ID集：這個(gè)集合包含在一定時(shí)間間隔內(nèi)，本節(jié)點(diǎn)曾到過的區(qū)域的區(qū)域ID，用以標(biāo)識(shí)本節(jié)點(diǎn)的活躍程度.一定時(shí)間間隔內(nèi)曾去過的區(qū)域由一個(gè)二元組{區(qū)域ID，頻繁度PD}構(gòu)成，頻繁度屬性PD的值表示在一定時(shí)間間隔內(nèi)本節(jié)點(diǎn)到這個(gè)區(qū)域的次數(shù)，根據(jù)災(zāi)后通信的特點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間間隔一般定義為12-24小時(shí)，在這段時(shí)間間隔內(nèi)PD值大于等于3就說明，這個(gè)區(qū)域與節(jié)點(diǎn)從屬區(qū)域?yàn)橛H密鄰域，且此節(jié)點(diǎn)為二者之間的親密使者.各概念之間關(guān)系如圖2所示.

圖2　節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型各概念之間關(guān)系圖

3鄰域協(xié)作路由算法研究

基于鄰居的路由算法在國內(nèi)以后不少研究成果[14-16].本文在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)數(shù)學(xué)模型和已有路由算法的基礎(chǔ)上，提出了基于鄰域協(xié)作的路由算法，具體內(nèi)容如下：

(1)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)集和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的更新：節(jié)點(diǎn)定期探尋其通信范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)位置，并根據(jù)洪泛的方法迅速建立區(qū)域的邊界，確定區(qū)域內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)集合；節(jié)點(diǎn)不停搜索鄰近新節(jié)點(diǎn)，如有新節(jié)點(diǎn)加入，觸發(fā)更新區(qū)域邊界和節(jié)點(diǎn)集，從而完成區(qū)域的邊界界定和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定期更新.具體流程如圖3所示.

圖3　區(qū)域邊界與拓?fù)浔砀逻^程

圖4　基于鄰域的協(xié)作路由算法流程

(2)路由算法的改進(jìn)：在文獻(xiàn)[17-18]的路由算法基礎(chǔ)上進(jìn)行算法改進(jìn)，親密鄰域之間通過與親密使者的相遇進(jìn)行通信；一般鄰域之間擴(kuò)大副本的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，轉(zhuǎn)發(fā)給有限個(gè)(一般是三個(gè))親密使者，通過親密鄰域加大到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的幾率.每個(gè)數(shù)據(jù)包具有一定的生存周期，告訴每個(gè)親密使者數(shù)據(jù)包的生存時(shí)間，一般以跳數(shù)(即所經(jīng)過區(qū)域的個(gè)數(shù))表示，超過10個(gè)區(qū)域，就會(huì)將此數(shù)據(jù)包丟棄，以免浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源.具體算法流程如圖4所示.

4實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建和算法驗(yàn)證

針對(duì)具有活躍節(jié)點(diǎn)和沒有活躍節(jié)點(diǎn)的兩種節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，進(jìn)行.

借助C++語言對(duì)域內(nèi)和域間路由算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并在Matlab上實(shí)現(xiàn)對(duì)算法性能的展現(xiàn).

(1)具有活躍節(jié)點(diǎn)的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型下，平均90%的數(shù)據(jù)包可以通過活躍節(jié)點(diǎn)輾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的區(qū)域的目的節(jié)點(diǎn)，這一成功率隨著網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)大而不斷減小，如表1所示.

表1　模型一不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)成功率

(2)在模擬災(zāi)后通信狀況下不具有活躍節(jié)點(diǎn)的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型下，成功率明顯降低，因?yàn)楸旧砉?jié)點(diǎn)的移動(dòng)范圍有限，具有親密特性的鄰域明顯減少，從而轉(zhuǎn)發(fā)成功率也明顯降低，在定義每個(gè)區(qū)域的親密鄰域個(gè)數(shù)為3，親密使者活躍基本活躍在相鄰兩個(gè)鄰域之間的前提下，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)成功率如表2所示.

表2　模型二不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)成功率

5結(jié)語

本文將機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于災(zāi)后應(yīng)急通信，提出一種新型的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型---基于鄰域的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型；并通過對(duì)現(xiàn)有路由算法進(jìn)行改進(jìn)，提出適合于災(zāi)后移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的基于鄰域的協(xié)作路由算法，以提高到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的成功率.

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[責(zé)任編輯：呂海玲]

A Scheme of Opportunistic Networks Nodes Mobile Model on Emergency

WANG Xia1,2,LI Xu-hong1,ZHANG Wei1,PAN Wen-wen1,XU Tao1

(1.College of Information, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China;2. Departiment of Computer, Nanjing University, Nanjing 210000,China)

Abstract：Disasters result in network communication was destroyed. The characteristics of survivability, Self-organization and mobility made the opportunistic networks apply to network communication after disaster. Neighbour-based nodes mobile model and message transmission scheme are proposed which utilizes frequent moving of nodes among the neighbour areas to dispatch the message. Simulation results show that this scheme can balance well the trade off between delivery ration and resource consumption in opportunistic network.

Key words：opportunistic networks; nodes mobile model; scenes of devastation; mobile characteristic; neighbours-based routing algorithm

[中圖分類號(hào)]TP393.03

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-7077(2016)02-0103-06

[作者簡介]王霞(1978-)，女，山東棗莊人，棗莊學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，工學(xué)碩士，南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系2015級(jí)在讀博士研究生，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)的研究.

[基金項(xiàng)目]山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：J12LN53).

[收稿日期]2016-01-17