移动自组织网络路由方法、装置、设备与存储介质

本发明涉及移动自组织网络的通信，具体地说，是指一种基于节点介数中心度的移动自组织网络的路由方法、装置、设备与存储介质。

背景技术：

1、在b5g和6g时代，依赖于空天地海各类移动平台的自组织网络系统，如基于无人机、气球、飞艇、低/中/高轨卫星等低/中/高空平台的非地面网络(non-terrestrialnetworks，ntns)，基于地面车辆的车联网，基于船舶、浮标、水下传感器等各类平台的海洋物联网等，在军事行动、灾害救援、应急通信、交通监测等领域引起了广泛的关注。为了充分发挥各类移动平台的效能，提出了由多个协同移动平台组成的移动自组织网络(mobile adhoc networks,manets)的概念，其中路由协议设计是核心问题。manets的能量预算限制、高机动性、节点密度、拓扑动态改变、非常规无线电传播模型和复杂的轨迹动力学对路由技术提出了严峻的挑战。而且，现有的为传统自组织网络设计的路由协议不能很好的为manets所利用，因为它们通常是通用的设计，在高移动性和定制化可变拓扑结构的manets中不能很好地执行。

2、本发明的技术背景涉及高斯-马尔科夫(gauss-markov,gm)移动模型、节点介数中心度以及动态源路由协议。

3、gm移动模型是一个相对简单的基于记忆性和随机扰动性的模型，其记忆参数α决定了节点移动中的时域相关性。在gm移动模型中，任意节点在任意时刻的移动速度和移动方向取决于它之前的位置和速度矢量。相比之下，无记忆移动模型的特点是在移动方向和速度上存在非常急剧、突然的变化。在传统的二维gm移动模型实现中，每个移动节点被指定一个初始速度和方向，一个平均速度和方向，以及一个服从高斯分布的随机变化的速度和方向扰动。基于这些预置条件，在设定的时间间隔内，为每个节点计算新的速度和方向，它们按照新的路线移动直到下一个时刻。这个步骤在整个模拟过程中不断重复。除α外，gm移动模型的动力学特性还受到时间步长、平均速度和方向的选择、高斯随机变量的均值和标准差的选择等变量的影响。例如，为服从高斯分布的随机方向扰动选择一个较大的标准差，会产生一个与随机方向扰动的标准差较小之时非常不同的运动模式。

4、节点介数中心度(betweenness centrality，bc)是网络图论分析中的一个重要指标，用于量化一个节点在网络中的重要性。该概念基于节点在网络中的中继作用，即节点在最优路径上的出现比例。例如，若网络中的任意一对节点对记为(s,t)，则节点x的介数中心度cb(x)计算公式为：

5、

6、其中，σst是节点s到节点t的最优路径的总数，σst(x)是从节点s到节点t经过节点x的最优路径的数量。介数中心度的值越高，表明节点在网络中的中继作用越强，对网络信息流动的控制能力越大。介数中心度的计算适用于有向和无向网络，并且可以揭示网络中潜在的“瓶颈”节点，这些节点可能对网络的连通性和效率产生显著影响。在通信网络、社交网络、交通网络、生物网络等多个领域中，介数中心度都是一个重要的分析工具。

7、动态源路由协议(dynamic source routing,dsr)是在manets中经常使用的一种路由协议，它工作在通信协议栈的网络层。该协议是经典的按需式路由协议，仅在有业务发送需求时，才会探寻获取到达目的节点的路由。之后，业务数据沿着寻找到的路由完成业务数据的转发，如果传输路由发生错误，则会启动路由维护过程，对错误路由进行修复，从而保持链路的连通性。dsr协议的核心机制包括路由发现和路由维护两个过程。dsr协议的网络开销相对较低，适用于资源有限的场景。

8、在dsr协议中，当源节点有发送数据包的需求时，源节点会首先向附近节点洪泛式地发送路由请求(route request，rreq)包。该路由请求包中包含：源节点地址、目的节点地址、最大允许跳数、路由请求包识别号、包类型标识符、路由节点地址序列等字段。每个中继节点维护自己的<源节点地址，路由请求包识别号>序列对列表，<源节点地址，路由请求包识别号>序列对用于唯一标识一个路由请求包，以防止重复处理同一个路由请求。中继节点在收到路由请求包以后，会按照以下过程进行路由请求包的处理工作。第一步：先将该路由请求包中的源节点地址和路由请求包识别号与本中继节点存储的<源节点地址，路由请求包识别号>序列对列表进行比较，判断该节点之前是否接收过该路由请求包；若接收过，则不用进行处理；否则转第二步。第二步：将该路由请求包包头中的路由节点地址序列与本中继节点的地址进行比对，若本中继节点的地址已存在于路由节点地址序列中，则判定该路由请求包经历了路由环路，本中继节点将不处理该路由请求；否则转第三步。第三步：若该路由请求包的目的节点就是当前节点，则路由请求包中的路由节点地址序列就成为源节点到目的节点的数据传输路径；当前节点将该路由节点地址序列信息存入到路由应答包，同时向源节点发送包含路由节点地址序列的路由应答包；否则转第四步。第四步：判定当前节点为可用中继节点，将该节点地址存入路由请求包中的路由节点地址序列中，同时继续向该节点的邻居节点广播路由请求包。当目的节点收到来自源节点发送的路由请求包后，会首先判断路由请求包中的路由请求包识别号是否为唯一的。若唯一，开启路由应答过程，若不唯一则选择丢弃处理。路由应答过程是指目的节点发送一个路由应答包给源节点，发送过程中的每个下一跳节点严格按照路由请求包中的路由节点地址序列反向排序而来。

9、目前dsr协议存在对快速变化的网络拓扑结构反应较慢的缺点，只依据存储的最短路径进行数据转发，如果遇到拓扑变化，需要不断地进行路由搜索与维护，从而导致网络性能不佳、可靠性较低的问题。

技术实现思路

1、本发明针对移动自组织网络的动态特点以及目前dsr应用在移动自组织网络中存在网络性能不佳、可靠性较低的问题，提供了一种移动自组织网络路由方法、装置、设备与存储介质，在dsr协议的基础上，改进了协议流程，并引入了节点介数中心度来建立路由并进行路由选择。同时，本发明将组间路由与组内路由分开考虑，实现适用于移动自组织网络的路由协议。

2、本发明提出了一种移动自组织网络的路由设备，部署在移动自组织网络的每台可移动设备中，该路由设备包括动力模块、上层应用模块、网络层路由模块和底层通信模块。其中，本发明提出的路由装置部署在网络层路由模块中，其负责根据上层应用模块的数据传输需求计算并选择合适的路由，并基于底层的通信模块实现节点间的包转发；动力模块负责为节点的运动提供动力，并根据应用模块给出的运动模型和轨迹指令来控制节点的运动；上层应用模块提供用户接口，根据应用需求调用所述网络层路由模块，进行数据的发送和接收；底层通信模块用于处理移动节点间的物理层和数据链路层通信，定时获取网络拓扑信息并将其发送给网络层路由模块。

3、所述的上层应用模块，部署了节点承担组内领导节点角色和普通节点角色时的运动控制策略，包括：对于每一移动节点群组，领导节点的移动模式服从gm过程，普通节点围绕领导节点移动；将移动的空间区域进行网格划分，当检测到领导节点距离区域边缘小于设定距离阈值时，调整领导节点下一时刻的方位角，使得领导节点离开边缘；当领导节点移动时，普通节点跟随领导节点移动并保持在以领导节点为中心的半径为r的圆内。

4、进一步地，本发明提出了一种移动自组织网络的路由装置，嵌入在每台可移动设备的网络层模块中，该路由装置具体包含路由计算模块和路由存储模块；其中，

5、路由计算模块根据收发节点所在的群组和网络拓扑信息，进行计算和选择，建立最佳的路由路径并将其存储在路由请求包、路由应答包、路由缓存以及待发数据包的包头中。路由计算模块主要包括组内路由部分和组间路由部分，根据源节点、目的节点是否在同一群组采取不同的路由计算和选择策略。路由计算模块判断源节点和目的节点在同一移动节点群组时，使用预设算法根据组内加权有向图寻找从源节点到目的节点的最优路径；判断源节点和目的节点不在同一组时，计算移动自组织网络中所有移动节点的介数中心度，建立全局加权有向图，组间仅领导节点间存在有向边，边的权重是连接边的两个节点的介数中心度和的倒数，基于全局加权有向图寻找源节点到目的节点所在组的领导节点的最优路径，若目的节点不是领导节点，再基于组内加权有向图寻找从该组的领导节点到目的节点的最优路径。

6、路由存储模块主要用于存储实现网络层路由功能所涉及的相关数据，具体包括数据收发缓存、路由缓存、介数中心度缓存三部分。其中，数据收发缓存用于存储待发送或已接收的路由控制包，如路由请求包、路由应答包、路由错误包等，和数据包内容，以便路由计算模块进行处理。路由缓存负责存储路由相关的决策信息，例如存储路由表、<源节点地址，路由请求包识别号>序列对列表、当前和历史的最优路由等内容。介数中心度缓存负责存储网络中节点的介数中心度、以及全局加权有向图等基于介数中心度的路由方法相关的数据，节点的介数中心度将根据移动自组织网络状态变化进行动态更新。

7、本发明提供的一种移动自组织网络路由协议方法，将移动自组织网络中的每个移动节点作为一个节点，执行如下步骤，包括：

8、步骤1：当某移动节点有业务传输需求，需要发送数据包时，首先确定发送数据的源节点和接收数据的目的节点是否在同一移动节点群组。如果是，使用预设算法根据组内加权有向图寻找从源节点到目的节点的最优路径，然后转步骤6执行。如果两个移动节点不在同一群组中，则执行步骤2。组内加权有向图针对每个移动节点群组建立，图中节点为组内移动节点，若两节点间能通信则建立有向边连接，边上权重根据预设方法计算。

9、步骤2：如果两个移动节点不在同一群组中，首先确定源节点和目的节点所在的组索引，然后计算移动自组织网络中所有节点的介数中心度。

10、步骤3：在求出每个移动节点的介数中心度后，构造移动自组织网络的全局加权有向图，图中节点是移动节点，若组内两节点能直接通信则两节点间建立有向边，若组间两领导节点能直接通信则两领导节点间建立有向边，每条边的权重值由两端节点的介数中心度之和的倒数确定。

11、步骤4：根据全局加权有向图，依次查找从源节点到下一组领导节点的最小代价路径，直到到达目的节点所在组的领导节点。

12、步骤5：如果到达的领导节点不是目的节点，则使用预设算法根据组内加权有向图继续寻找从组内的领导节点到目的节点的最优路径。

13、步骤6：在数据传输过程中，每一跳的发送节点或接收节点判断当前跳数是否已经达到最大跳数或包是否已达到最大生存时间，如果超过限制，则丢弃该包。

14、本发明提供的一种移动自组织网络的路由的存储介质，其上存储有计算机可执行指令，在计算机可执行指令被处理器执行时实现本发明所述的路由装置或所述的路由方法或所述的路由设备的功能。

15、本发明的优点与积极效果在于：

16、(1)本发明的移动自组织网络路由方法、装置、设备与存储介质利用节点介数中心度的性质建立高可靠的路径，领导节点的信息对于其他节点是先验信息，分在不同群组的节点之间的数据传递大部分是借助具有高介数中心度的节点进行的，无需进行路由查询和维护过程；因此，路由发现操作中产生访问冲突的概率较低，在保证较低时延的基础上降低了丢包率。

17、(2)本发明的移动自组织网络路由设备与存储介质使用的gm群组移动模型，是在传统gm移动模型的基础上结合参考点群组(reference point group，rpg)移动模型改进的，考虑了节点的时间和空间相关性，能够更加准确描述实际场景中无人机、车辆等可移动自组织节点编队行进作业的场景。

18、(3)本发明的移动自组织网络路由方法、装置、设备与存储介质解决了目前dsr协议应用在移动自组织网络中存在的网络性能不佳、可靠性较低的问题，在dsr协议的基础上，改进了协议流程，引入了节点的介数中心度来计算路由并进行决策，并将组间路由与组内路由分开考虑，与现有技术进行实验对比，表明本发明具有时延和丢包率更低，也能保证比较低的网络时延抖动等优点。