以自适应和接合的方式管理水下网络中的节点的路由策略和重传策略的方法及其实现装置制造方法及图纸

本发明专利技术的方法设想通过作为ISO‑OSI模型的数据链路层的顶部子层的LLC通信协议(LLC逻辑)从单节点上可用的特定通信设备中自主地逐节点地确定用于要传输/重传的每个数据包的要使用的特定通信设备，所述数据包要被传输到节点的哪个子集(路由逻辑)，即所述数据包要被传输到的邻近节点的数量和集合，通过使用使每个节点能够根据已经进行的传输的数量动态地学习和选择最佳操作模式的分散式自学习算法，从可用的多个可用通信设备中自主地逐节点地确定要使用的特定通信设备和要进行的最大重传数量。

Methods and implementations for managing routing and retransmission policies of nodes in an adaptive and convergent manner in an underwater network

The method of the present invention envisages autonomous node-by-node determination of the specific communication device to be used for each packet to be transmitted/retransmitted from a particular communication device available on a single node by means of the LLC communication protocol (LLC logic) at the top sub-layer of the data link layer of the ISO_OSI model, the packet to be transmitted to the node. Which subset (routing logic) is the number and set of adjacent nodes to which the packets are transmitted, autonomously node by node from the available multiple communication devices by using a decentralized self-learning algorithm that enables each node to dynamically learn and select the best mode of operation based on the number of transmissions that have been made Determine the specific communication equipment to be used and the maximum number of retransmissions to be carried out.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以自适应和接合的方式管理水下网络中的节点的路由策略和重传策略的方法及其实现装置
本专利技术涉及水下传感器网络中的通信的扇区，并且更具体地涉及一种用于动态确定通过网络节点重传数据包的逻辑以便优化网络本身的性能的方法。UWSN(水下无线传感器网络)的使用提供了大范围的应用，诸如，尤其，环境监视、关键基础设施的监视、以及海上平台的监视、港口和海岸的监测等。水下传感器网络(图1)由一组节点组成，适当地定位以覆盖感兴趣的区域并位于各种深度，其中一些可以是移动自主车辆。每个节点配备有传感器和一个或多个通信设备。节点从周围环境中收集数据，在本地处理的步骤之后，数据被发送到一个或多个数据收集器或信宿节点(sinknodes)，其基于应用的类型在别处存储/处理/输送数据。数据交换也可以考虑发送关于器件状态的命令或信息。在节点之间创建通信网络需要解决表征水下环境中通信的各种问题。首先，考虑到水下环境对电磁波(其在水中显著衰减)的使用所强加的限制，通信到目前典型地已经经由声波获得，这意味着显著的传播延迟(秒的数量级)和有限的传输频带(每秒几千比特)。此外，正如多个实验活动充分证明的，存在质量的相当大的异构性、变化性以及节点之间的通信信道的不对称性，传输特征显著取决于各种条件，诸如深度、温度、盐度、海床的剖面、地面风的条件、例如通过经过的船只所产生的噪声等，此外，这些条件还会经历随时间(甚至在短期间内)频繁地不可预见的变化。在这种背景下，考虑到以上水下传感器网络的应用的所有关键方面，主要挑战之一是可靠的通信，即保证由各个节点生成的数据包将被递送到信宿节点(并且这在合理的时间内)的能力。增加通信可靠性的第一种解决方案是泛洪技术，其利用声通信中固有的广播本质：每个数据包寻址到所有节点，并且接收数据包的每个节点以广播模式再次将其送回。然而，如果一方面该解决方案最大化了数据包到达信宿节点的可能性，则在能耗方面，网络流量(traffic)的成本和相应的网络崩溃的风险随着碰撞数量的增加而增加，以及吞吐量的显著减少和随之发生的甚至不受控制的延迟增加，使得该解决方案不能令人满意或很少行得通。为了保持泛洪技术的优点和简单性，防止其上述缺点，各种方法采用有限的泛洪解决方案，其中每个节点将每个数据包发送到其它节点的受限集合：如果每个节点将其自己的流量发送到仅一个节点，则我们有单路径，即没有任何冗余的经典单路径路由；如果一个或多个节点将它们自己的流量发送到多个网络节点，则有多个网络路径和因此的冗余，且路由是多路径路由。增加通信可靠性的另一解决方案在于使用重传技术。对于每个传输的数据包，传输节点进入等待状态，其中它等待收件人节点收到其确认。在水下传感器网络中，考虑到缺乏网络频带，广泛使用以下隐式确认：利用广播通信装置，如果节点检测到(其已经将数据包发送到的)至少一个节点重传数据包，则认为数据包已被成功发送。相反，如果没有检测到数据包的副本，则假定没有节点已经接收到数据包，并且该数据包在回退(backoff)期间之后被重传。数据包被重传一定次数，在这之后其被拒绝。在这种情况下，最大重传次数起着重要的作用：重传值非常高增加了递送的可能性，但同时增加了网络延时(latency)、能耗，并且反过来增加了网络流量。作为本专利技术基础的专利技术想法在于，将中继节点的选择策略(路由功能)和重传策略组合，以便从传输的可靠性、网络延时以及能耗的立场来优化性能。通过应用由每个节点执行的(并且因此分布式)算法，以动态和自适应的方式做出选择，这使节点能够动态地学习和选择要传输每个数据包的邻近的最佳数量和集合以及要重传每个数据包的最大次数。通过每个节点根据所交换的本地信息在本地进行优化，并且能够定义节点的操作模式。不同的节点可能以不同的方式表现(即，网络的部分可以遵循单路径协议，同时网络的另一区域使用多路径协议，甚至泛洪协议)。尽管在文献中最近已经提出了自适应路由解决方案[BaPe14][HuFe10][PlWa14]，但这些解决方案在性能方面呈现出限制，并且与所提出的解决方案相比，设想(envisage)自适应性的使用更受限制。关于这两个专利申请[US2026]和[US1082]可以应用相同的考虑。第一项专利没有提出路由策略，而只是数据包重传的技术。然而，根据本专利技术的提议在此不同，这是因为本重传策略没有设想网络节点之间的反馈的明确交换。另一方面，专利[US2004/071082]考虑了路由协议，该路由协议是单路径类型专有的并且因为数据包重传的数量变化而不提供任何动态性。实际上，本专利技术能够定义引入跨层“元协议(meta-protocol)”的本地逻辑的过程，使网络能够根据不同协议及时操作，并且使网络的不同部分能够根据不同的协议逻辑来操作，这是用于优化性能的基本特征，并且在现有技术解决方案中完全不存在。
技术实现思路
在水下传感器网络的领域中，本专利技术在于将中继节点(即，将数据包传输到节点以便将数据包朝着信宿节点路由的节点)的选择策略与重传策略组合，以便从传输可靠性、网络延时以及能耗(和/或其组合)的立场来获得最佳性能。特别地：-提出了一种方法，该方法用于根据已经进行的数据包重传的数量来动态确定传输模式和数据包将被转递到的节点；-该方法完全分散：每个节点根据已经进行的传输的数量来自主确定用于转递的节点集；-该方法对于所有的节点都是完全相同的；-该方法是动态的：随着网络条件的变化，使用自学习算法(其反过来被分散)，每个节点可以根据被选为收件人的节点的数量和身份，和/或给定数据包要试图的重传数量来修改其自己的策略。尽管该方法对于每个节点都是分布式和相同的，但其根据基于在邻近节点(其中通过“邻近节点”意味着具有正确接收互相进行传输的能力的节点)之间本地信息交换的基础上的网络条件的学习、导致影响网络以优化其整体性能、利用使系统的节点能够以不同方式(每次传输所选的不同数量的中继、节点所使用的不同数量的重传)操作的可能性。本专利技术的其它特征将从随后参考所附的附图的板的描述中清楚地显现，其中：图1是标准水下网络的示意图；图2是OSI协议栈的方案；图3示出了LLC子层的执行流程；图4详细地示出了用于下一跳节点的学习和选择的模块；图5示出了作为网络流量的函数的PDR(即，数据包递送比率，其是由信宿节点正确接收的数据包的数量和由节点生成的数据包的数量之间的比率)，设置根据本专利技术的CARMA协议与已知的QELAR和EFlood协议的比较；图6示出了在图5的三个参考协议中，由网络所消耗的用于将数据位正确地递送到信宿节点的作为网络负载的函数的能量的不同图；图7比较了在图5和6的三个不同协议中，定义为数据包的生成之间的时间和它们被正确递送到信宿节点的时间的平均延时；以及图8示出了网络节点用于在低流量和高流量情况下成功递送信息的位所花费的能量。具体实施方式参照附图，考虑到如图1的水下传感器网络，其由被适当地定位以覆盖感兴趣区域的多个节点组成。不论节点是固定的还是由移动车辆表示，每个节点都配备有传感器和一个或多个通信设备。节点从周围环境中收集数据，在本地处理之后，数据被发送到一个或多个信宿节点，一个或多个信宿节点基于应用的类型在别处存储/处理/输送数据。本专利技术是将网络层(路由)与数据链路层的LLC(逻辑链路控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在水下通信传感器网络中在每次传输/重传数据包时选择所述数据包将被发送到的节点的集合的方法，并且所述方法针对每个节点设想支配LLC(逻辑链路控制)层的传输/重传的策略的模块和路由模块，所述方法的特征在于其包括：在考虑到该数据包已经被传输的次数的情况下使用自学习算法，所述自学习算法针对每个数据包自主地并且在没有明确交换确认消息的情况下，确定该数据包将被重新发送到的节点的最优集合(路由逻辑)；和根据通信网络的特定特征来确定要执行的最大重传数量、选择最佳操作模式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.16 IT 102015000062628(UB2015A005144)1.一种用于在水下通信传感器网络中在每次传输/重传数据包时选择所述数据包将被发送到的节点的集合的方法，并且所述方法针对每个节点设想支配LLC(逻辑链路控制)层的传输/重传的策略的模块和路由模块，所述方法的特征在于其包括：在考虑到该数据包已经被传输的次数的情况下使用自学习算法，所述自学习算法针对每个数据包自主地并且在没有明确交换确认消息的情况下，确定该数据包将被重新发送到的节点的最优集合(路由逻辑)；和根据通信网络的特定特征来确定要执行的最大重传数量、选择最佳操作模式。2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，随着网络条件变化，使用所述分散式自学习算法，每个节点能够根据被选为收件人的所述节点的数量和身份和/或数据包要试图重传的数量来修改其自己的策略。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述算法对于所有的节点都是相同的并且基于Q学习。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LLC子层通过连续执行以下步骤来支配节点的重传逻辑：当节点必须发送(或在重传的情况下重新发送)数据包时，所述节点与所述节点的路由模块进行交互以用于识别数据包要被发送到的节点：为此，所述LLC子层将数据包已经被传输(不成功)的次数发送到网络层，并从后者接收所述数据包将被发送到的节点的集合(通常将是该数据包重传数量的函数的集合)；在所述节点已经发送数据包并且启动了定时器之后，所述节点使用串音技术等待隐式确认，由此如果已经发送所述数据包的节点中的至少一个重传所述数据包，则所述数据包被认为已经被成功发送，且然后继续传输下一数据包；相反，如果没有检测到所述数据包的副本，则假定所述节点中没有一个已经接收到所述数据包，并且所述数据包在回退期间之后被重传；每个数据包最多被传输K次，在这之后所述数据包被拒绝，所述参数K基于所估计的负载被动态地设置。5.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述自学习算法中，在每个节点i中，数据包的状态s由所述数据包已被传输的次数来表示(如果所述数据包还未被传输，则s＝0，如果所述数据包已经被传输一次，则s＝1等)，而可能的动作a是所述数据包能够发送到的节点的不同子集：(a＝{j}：所述数据包仅被发送到节点j，a＝{j1，j2}：所述数据包被发送到节点j1和节点j2，a＝{j1，j2，...，jn}：所述数据包被发送到节点j1，j2，...，jn等)；并且在于对于每个状态，所述自学习算法跟踪用于s和a的每个值的变量集合Qi(s,a)，Qi(s,a)表示路由模块关于当所述节点i处于状态s时执行动作a相关联的成本的本地估计，所述成本即与向集合a中的所述节点已经传输s次的数据包相关联的总成本。6.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述算法设想，无论何时所述节点必须发送数据包，其执行以下两个步骤：在第一步骤中，更新估计Qi(s,a)；并且在第二步骤中，基于这些估计的值，选择所述数据包要发送到的节点的集合。7.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在更新步骤中，计算Qi(s,a)的新值为以下的总和：与已经被传输s次的数据包当前传输到集合a中的节点相关联的总成本；和将所述数据包的可能进一步重传的成本由包括在0和1之间的因数γ打折后的平均成本，其中与已经被传输了s次的数据包当前传输到集合a的节点相关联的总成本等于以下三项的总和：i将数据包传输到与所述动作相关联的节点的集合a的成本；ii集合a的节点将数据包递送到目的地所使用的成本，所述成本被定义为属于所述集合a的每个节点j的传输成本的总和，每个节点j的...

【专利技术属性】
技术研发人员：奇亚拉·佩特里奥利，弗朗西斯科·洛·普雷西，瓦莱里奥·迪·瓦莱里奥，达妮埃莱·斯帕西尼，路易吉·皮卡里，
申请(专利权)人：罗马大学，
类型：发明
国别省市：意大利,IT