MANET中基于網(wǎng)格可預(yù)測的位置服務(wù)*

廖過房，周繼鵬

(暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)系，廣東 廣州 510632)

移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad hoc Networks)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施、自組織和自配置的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)節(jié)點的移動動態(tài)地改變。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過協(xié)作來傳輸信息，通常節(jié)點既作為主機(jī)又作為路由器。節(jié)點的移動性使得網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)渥兓l繁且事先無法預(yù)測，所以在MANET中發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由是一個至關(guān)重要的問題，一直是研究的熱點和難點問題。

近年來，利用地理位置信息的路由協(xié)議在MANET中得到了很大發(fā)展。隨著全球定位技術(shù)(GPS)的普遍應(yīng)用，節(jié)點可以獲得自身準(zhǔn)確的位置信息。利用這些信息進(jìn)行路由可以降低路由協(xié)議的控制開銷、適應(yīng)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约疤岣呗酚蓞f(xié)議的可擴(kuò)展性。然而在基于位置信息的路由協(xié)議中，在發(fā)送路由包之前，源節(jié)點需要知道目的節(jié)點的具體位置，主要的問題是基于位置服務(wù)的路由協(xié)議中需要位置服務(wù)來確定目的節(jié)點的位置，并返回目的節(jié)點的位置信息。

本文從穩(wěn)定高效的角度對基于位置服務(wù)算法進(jìn)行研究，提出了基于網(wǎng)格可預(yù)測的位置服務(wù)GPLS(Gridbased Predictive Location Service)算法。該算法把整個網(wǎng)絡(luò)劃分成平面網(wǎng)格以避免洪泛操作。通過HASH方法對網(wǎng)格進(jìn)行分組，節(jié)點可以與組內(nèi)任意網(wǎng)格通信，減少了位置更新和查找的步驟和復(fù)雜性，節(jié)約了MANET中的能源和帶寬。根據(jù)同組網(wǎng)格內(nèi)任意位置服務(wù)節(jié)點提供的目的節(jié)點的位置，預(yù)測出目的節(jié)點的位置，提高M(jìn)ANET中位置服務(wù)的效率，避免洪泛操作。

1 相關(guān)算法

GLS(Grid Location Service)[1]將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為網(wǎng)格，節(jié)點把它的位置信息分布地存放在網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個位置服務(wù)器中。通過位置服務(wù)節(jié)點可隨時查詢網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的位置，各節(jié)點間采用地理路由轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分組傳輸。HNS(Helping Node Selection)[2]根據(jù)位置服務(wù)器中記錄節(jié)點移動的速度和記錄的時間來預(yù)判節(jié)點的位置，通過其他移動節(jié)點把數(shù)據(jù)包直接攜帶到預(yù)判的位置，再把數(shù)據(jù)包傳輸給目的節(jié)點。這樣既提高了數(shù)據(jù)包的投遞率，又有效地解決了移動自組網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點動態(tài)移動和空洞問題。PLS(Predictive Location Service)[3]是一個可預(yù)測、自適應(yīng)的平面位置服務(wù)。節(jié)點定期向周圍節(jié)點發(fā)送緩存中的位置信息。節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中洪泛查找目的節(jié)點，接收到信息的節(jié)點根據(jù)緩存中目的節(jié)點的位置信息預(yù)測出當(dāng)前目的節(jié)點的位置。HBLS(Hashing-Based Location Service)[4]是一個基于HASH集合和平面結(jié)構(gòu)的位置服務(wù)算法。在當(dāng)前服務(wù)器消失之前選擇一個新的服務(wù)器，以提高服務(wù)的可靠性和服務(wù)的時間。整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為多個不重疊的區(qū)域。在伸縮性和可靠性兩個方面權(quán)衡HBLS都是一個很好的算法。

2 算法描述

2.1 系統(tǒng)模型和假設(shè)

系統(tǒng)考慮n個節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中自由移動，節(jié)點通過無線技術(shù)彼此進(jìn)行通信，但是沒有提供固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。假設(shè)所有節(jié)點功能相當(dāng)，都有一個統(tǒng)一的傳輸范圍。每個節(jié)點配備GPS接收裝置，能確定節(jié)點自己的位置，所有在傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點都被認(rèn)為是鄰節(jié)點。節(jié)點既是源，又轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此形成了MANET。每個節(jié)點有一個唯一的身份標(biāo)識節(jié)點ID。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變是不可預(yù)測的。

2.2 網(wǎng)絡(luò)劃分和網(wǎng)格分組

在地理路由中，通常把網(wǎng)絡(luò)劃分成多個小網(wǎng)格，每個網(wǎng)格分配一個編號，在每個網(wǎng)格內(nèi)選擇一個合適的節(jié)點作為位置服務(wù)節(jié)點(黑點為位置服務(wù)節(jié)點)，整個網(wǎng)絡(luò)劃分成25個網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)劃分

通過網(wǎng)格 ID，建立一個 HASH函數(shù) f(Gi)=Gi%G0，其中，G0為常數(shù)，Gi為網(wǎng)格的ID。把 f(Gi)相同的分到一組，把一個網(wǎng)格G1內(nèi)的節(jié)點位置信息映射到其他網(wǎng)格G2、G3……Gn，映射到的網(wǎng)格被分到一組(G1、G2、G3……Gn)，位置服務(wù)節(jié)點定時向同組內(nèi)其他位置服務(wù)節(jié)點傳輸本網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點的位置信息。同組的網(wǎng)格盡量均勻分布到整個網(wǎng)絡(luò)中。如圖 1 所示，G0=7，f(1)=1%7=1，f(8)=8%7=1，f(15)=15%7=1，f(22)=22%7=1。把網(wǎng)格 1，8，15，22 分到組 1中。 依次類推組 2、組 3、組 4、組 5、組 6、組 0。

圖2 通信半徑R與網(wǎng)格大小a

2.3 位置服務(wù)器選擇

每個網(wǎng)格內(nèi)有位置服務(wù)節(jié)點，選擇離網(wǎng)格中心物理距離最近的節(jié)點作為位置服務(wù)節(jié)點。當(dāng)位置服務(wù)節(jié)點離開網(wǎng)格或停止服務(wù)以后，網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點需要重新選擇位置服務(wù)器。

物理距離計算公式：

式中，(x1，y1)、(x2，y2)為網(wǎng)格中心和節(jié)點的坐標(biāo)。

網(wǎng)格服務(wù)器節(jié)點保存同組網(wǎng)格區(qū)域產(chǎn)生的節(jié)點信息。源節(jié)點要查找目的節(jié)點信息，源節(jié)點可通過貪心算法向目的節(jié)點所在同一分組內(nèi)某個特定的網(wǎng)格發(fā)送查找信息。

2.4 位置的更新

節(jié)點根據(jù)最初產(chǎn)生時所在的網(wǎng)格獲得節(jié)點ID。節(jié)點把自己的位置信息登記到所在網(wǎng)格的位置服務(wù)節(jié)點中(位置信息包括節(jié)點 ID、位置、移動的速度、信息更新的時刻)，節(jié)點定時Thello向鄰居節(jié)點發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，報告自己的存在。節(jié)點定時Tstart從節(jié)點產(chǎn)生時所在分組的網(wǎng)格中選擇離現(xiàn)在物理距離最近的網(wǎng)格，并通過貪心算法向該網(wǎng)格報告自己的位置。位置服務(wù)節(jié)點定時Tserver通過貪心算法向同組其他網(wǎng)格位置服務(wù)節(jié)點單播本網(wǎng)格產(chǎn)生的節(jié)點的位置信息。

節(jié)點位置信息更新規(guī)則：

(1)節(jié)點定時Thello向周圍鄰居節(jié)點發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，報告自己的存在。

(2)當(dāng)節(jié)點離開當(dāng)前網(wǎng)格時，向當(dāng)前網(wǎng)格位置服務(wù)器發(fā)送離開請求，位置服務(wù)器對節(jié)點進(jìn)行相應(yīng)的登記。

(3)節(jié)點離開節(jié)點本身產(chǎn)生時所在網(wǎng)格后，根據(jù)移動的距離S0通過貪心算法向產(chǎn)生時所在網(wǎng)格分組最近位置服務(wù)節(jié)點發(fā)送位置更新信息，更新時間的間隔為Tstart。如果移動的距離小于S0，時間間隔到了Tstart，也需要向初始網(wǎng)格服務(wù)器發(fā)送自己的位置信息。

(4)當(dāng)節(jié)點加入一個新的網(wǎng)格，節(jié)點向周圍一跳的節(jié)點廣播hello數(shù)據(jù)包，獲得新的位置服務(wù)節(jié)點。

(5)位置服務(wù)節(jié)點定時Tserver向同組內(nèi)其他網(wǎng)格的服務(wù)節(jié)點通過貪心算法轉(zhuǎn)發(fā)本網(wǎng)格產(chǎn)生節(jié)點的位置信息。

(6)網(wǎng)格服務(wù)器記錄路過節(jié)點的位置信息，記錄的時間Tnode大于本網(wǎng)格或映射到本網(wǎng)格節(jié)點的位置信息的時間Tserver。

位置更新的例子如圖3所示。節(jié)點9在網(wǎng)格1產(chǎn)生，所以節(jié)點 9所在的網(wǎng)格分組(1，8，15，22)，當(dāng)節(jié)點移動到網(wǎng)格4時，網(wǎng)格組內(nèi)網(wǎng)格的中心距離節(jié)點9物理距離最近的網(wǎng)格是網(wǎng)格8，所以節(jié)點9向網(wǎng)格8報告自己的位置；當(dāng)節(jié)點移動到網(wǎng)格10時，網(wǎng)格內(nèi)網(wǎng)格的中心距離節(jié)點9物理距離最近的網(wǎng)格是15，所以節(jié)點9向網(wǎng)格15報告自己的位置，由于移動的距離和時間間隔都還沒到，所以當(dāng)節(jié)點移動到網(wǎng)格5時，不會向網(wǎng)格組報告自己的位置，但是網(wǎng)格10的位置服務(wù)器會保存節(jié)點9離開時的位置信息。網(wǎng)格15定時向網(wǎng)格1、網(wǎng)格8、網(wǎng)格15、網(wǎng)格22報告節(jié)點9的位置信息。傳輸方式全部采用貪心算法。

圖3 位置更新

2.5 位置的查找

當(dāng)源節(jié)點S需要和目的節(jié)點D通信時，源節(jié)點S需要查找目的節(jié)點D的位置，源節(jié)點S通過目的節(jié)點D的ID計算出目的節(jié)點所在的網(wǎng)格組，根據(jù)目的節(jié)點D產(chǎn)生時所在的網(wǎng)格組內(nèi)網(wǎng)格(G1、G2、G3……Gn)距離源節(jié)點S物理距離，選擇距離源節(jié)點最近的網(wǎng)格Gi，源節(jié)點向最近的網(wǎng)格Gi的位置服務(wù)節(jié)點查找目的節(jié)點D的位置信息，并利用預(yù)測公式預(yù)測目的節(jié)點D的位置。預(yù)測公式：

式中，T=min (Cprediction/Vrecord，(tnow-trecord))，Srecord為目的節(jié)點 D位置信息的位置，vrecord為目的節(jié)點D的速度，tnow為當(dāng)前時刻，trecord為記錄信息的時刻，Cprediction為預(yù)測因子，用這個常數(shù)避免過度預(yù)測。在Cprediction/Vrecord與tnow-trecord中選擇值更小的，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測目的節(jié)點位置信息并及時調(diào)整查找方向。

根據(jù)Sprediction預(yù)測目的節(jié)點D所在的網(wǎng)格G′，通過貪心算法向目的節(jié)點所在的網(wǎng)格G′發(fā)送查找信息。如果目的節(jié)點D在查找包到達(dá)的網(wǎng)格G′內(nèi)，則位置已經(jīng)找到；如果不在，但網(wǎng)格G′有目的節(jié)點D離開時的記錄，則根據(jù)預(yù)測函數(shù)和離開時的位置信息記錄預(yù)測網(wǎng)格G″，通過貪心算法向預(yù)測的網(wǎng)格G″發(fā)送查找信息；如果網(wǎng)格G′沒有目的節(jié)點D的位置信息，則目的節(jié)點D未到達(dá)網(wǎng)格G′，則要進(jìn)行折半查找，即向查找獲得的目的節(jié)點D的位置與預(yù)測的目的節(jié)點D的位置的中點所在的網(wǎng)格G?進(jìn)行查找。中點計算公式：

式中|Precond-Pprediction|＞S，Precond為查找獲得的目的節(jié)點 D的位置，Pprediction為預(yù)測的目的節(jié)點D的位置，Pnow為查找獲得的目的節(jié)點D的位置與預(yù)測的目的節(jié)點D的位置的中點，S0為常數(shù)。當(dāng)查找獲得的目的節(jié)點D的位置與預(yù)測的目的節(jié)點D的位置的距離太短時，預(yù)測就沒有意義，所以用S0來限制。

如果網(wǎng)格G?有目的節(jié)點D的位置信息，則可根據(jù)這一位置信息預(yù)測目的節(jié)點D的位置與網(wǎng)格，并通過貪心算法轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點D預(yù)測的網(wǎng)格；如果沒有，則認(rèn)為目的節(jié)點D未到達(dá)網(wǎng)格G?，再進(jìn)行折半查找；循環(huán)執(zhí)行，直到預(yù)測的網(wǎng)格中心與提供目的節(jié)點位置信息網(wǎng)格中心小于S0或目的節(jié)點D時停止。

查找步驟如下：

(1)當(dāng)源節(jié)點S需要與目的節(jié)點D通信時，本地的位置信息表中沒有目的節(jié)點D的位置信息。

(2)源節(jié)點S首先向本地網(wǎng)格服務(wù)器查找是否有目的節(jié)點D的位置信息，如果有，則停止查找；如果沒有，則發(fā)起目的節(jié)點D的位置查找。

(3)源節(jié)點S需要查找目的節(jié)點D，源節(jié)點S根據(jù)目的節(jié)點D的ID計算出目的節(jié)點D所屬的產(chǎn)生時所在的網(wǎng)格 G1，利用 HASH函數(shù)計算同組網(wǎng)格 G2、G3……Gn，從G1～Gn中選擇一個離當(dāng)前源節(jié)點物理距離最近的網(wǎng)格Gi，并通過貪心算法向其發(fā)送節(jié)點查找信息。

(4)根據(jù)網(wǎng)格Gi的服務(wù)器提供的目的節(jié)點D的信息，通過預(yù)測函數(shù)計算目的節(jié)點D所在的網(wǎng)格G′。

(5)通過貪心算法向預(yù)測的目的節(jié)點所在的網(wǎng)格G′轉(zhuǎn)發(fā)查找信息，如果查找包轉(zhuǎn)發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)有新的目的節(jié)點的位置信息，則進(jìn)行更新并及時調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)策略。

(6)如果目的節(jié)點D在路由查找包到達(dá)的網(wǎng)格G′內(nèi)，則位置已經(jīng)找到；如果不在，但有離開時的記錄，則根據(jù)離開時的記錄和預(yù)測函數(shù)預(yù)測目的節(jié)點在網(wǎng)格G″內(nèi)，向預(yù)測的網(wǎng)格G″查找，執(zhí)行第5步；如果G′中沒有目的節(jié)點D的信息，則認(rèn)為目的節(jié)點D未到達(dá)網(wǎng)格G′，執(zhí)行第7步。

(7)進(jìn)行折半查找，向中點網(wǎng)格查找是否有該目的節(jié)點D的位置信息，如果有，執(zhí)行第 4步；如果沒有，則說明二種可能：(1)初始服務(wù)器的節(jié)點D信息失效，這時應(yīng)該刪除；(2)節(jié)點異常離開網(wǎng)絡(luò)，停止查找。

目的節(jié)點D接收到查找請求包時，則通過貪心算法返回包括目的節(jié)點D的位置的信息包到源節(jié)點S。源節(jié)點S緩存目的節(jié)點D的位置信息，這樣位置服務(wù)實現(xiàn)了目的節(jié)點D的查找。

位置查找的例子如圖4所示。節(jié)點123要與節(jié)點9通信，首先節(jié)點123計算出節(jié)點9在網(wǎng)格 1產(chǎn)生，計算出網(wǎng)格 1，網(wǎng)格8、網(wǎng)格 15、網(wǎng)格 22在同一分組。網(wǎng)格組內(nèi)網(wǎng)格的中心距離節(jié)點123物理距離最近的是網(wǎng)格8，網(wǎng)格8提供節(jié)點9的位置信息是在網(wǎng)格10；向網(wǎng)格10查找節(jié)點9，到了網(wǎng)格10以后沒有找到節(jié)點9，但有節(jié)點9離開時的位置信息，根據(jù)位置信息預(yù)測出節(jié)點9在網(wǎng)格 5；向網(wǎng)格 5查找節(jié)點 9，網(wǎng)格 5也沒有節(jié)點 9，但是有節(jié)點9的位置信息，再次根據(jù)預(yù)測函數(shù)，預(yù)測出節(jié)點9在網(wǎng)格3；向網(wǎng)格3查找節(jié)點9，在網(wǎng)格3查找到節(jié)點9，節(jié)點9通過貪心算法向節(jié)點123回復(fù)自己的位置信息，節(jié)點123收到節(jié)點9的位置信息，這個時候位置查找成功。這里轉(zhuǎn)發(fā)方式全部采用貪心算法。

圖4 位置查找

3 位置服務(wù)算法比較

表1為幾種有關(guān)位置服務(wù)算法的比較。比較規(guī)則如下：(1)局部信息指位置服務(wù)有無提供除本節(jié)點位置信息以外的其他局部節(jié)點的信息，記錄局部信息對于移動網(wǎng)絡(luò)的無狀態(tài)通信非常有優(yōu)勢；(2)健壯性指網(wǎng)絡(luò)中個別節(jié)點失敗影響到節(jié)點通信的規(guī)模。健壯性越高，影響節(jié)點的數(shù)量越少；(3)復(fù)雜性指位置服務(wù)執(zhí)行操作的復(fù)雜程度。復(fù)雜性越低，位置服務(wù)越簡單，服務(wù)效率越高；(4)位置服務(wù)器是位置服務(wù)選擇的依據(jù)(有基于位置、基于節(jié)點和網(wǎng)格ID)和位置服務(wù)器主要節(jié)點位置信息的管理；(5)區(qū)域劃分指網(wǎng)絡(luò)是否根據(jù)區(qū)域劃分成小的網(wǎng)絡(luò).區(qū)域劃分能減少網(wǎng)絡(luò)總體能源和帶寬，對于能源和帶寬有限的MANET非常有意義；(6)更新和查找策略指更新和查找過程中位置服務(wù)的策略，有單播、廣播、洪泛、樹形(按照樹行的方式有規(guī)則的傳播)。因MANET的能量和帶寬非常有限，應(yīng)盡量避免洪泛操作，按一定規(guī)則方式建立起來的樹形傳播方式，則方便了鏈路的建立。

本文結(jié)合MANET中網(wǎng)格位置服務(wù)、可預(yù)測的位置服務(wù)和HASH分組的方法提出了基于網(wǎng)格可預(yù)測的位置服務(wù)算法，該算法使用網(wǎng)格來劃分網(wǎng)絡(luò)，并使用HASH方法對網(wǎng)格進(jìn)行分組，通過建立預(yù)測模型的方法查找目的節(jié)點位置，提高目的節(jié)點位置查找的準(zhǔn)確性。算法中源節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點所在的網(wǎng)格分組，通過貪心算法向該分組中的網(wǎng)格發(fā)送查找目的節(jié)點的信息，根據(jù)目的節(jié)點的歷史位置信息來預(yù)測目的節(jié)點的位置。把網(wǎng)格和預(yù)測結(jié)合在一起，避免了洪泛，減少了網(wǎng)絡(luò)的帶寬并提高了包的抵達(dá)率，提高了位置服務(wù)的性能。因此，在不增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的前提下提高了位置服務(wù)效率，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的能源和帶寬。

表1 相關(guān)算法比較

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