基于目标追踪场景下边缘网络路由方法技术

本发明专利技术提出一种基于目标追踪场景下边缘网络路由方法。本发明专利技术主要包括三部分内容：初始状态网络构建，目标追踪的路由转发规则以及网络拓扑的动态构建。本发明专利技术克服传统TCP/IP协议和无线传感网络中的单节点过载以及应用通信高延时等缺点，使得边缘节点之间的协同在最低延时下完成，且保证了网络以较少的通信量完成任务，同时网络还支持节点动态弹性的扩展。

【技术实现步骤摘要】
基于目标追踪场景下边缘网络路由方法
本专利技术涉及通信
，特别涉及一种基于目标追踪场景下边缘网络路由方法。
技术介绍
边缘计算是在大数据时代尤其是在万物互联时代对云计算的扩展与补充，将传统的移动边缘端与云计算数据中心端完美的连接了起来。边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模式，其核心的理念是“计算应该更靠近数据的源头，可以更贴近用户”，极大的促进了如计算，存储以及网络等服务质量，降低了成本。但是边缘计算中极为关键的问题是移动边缘节点之间该如何构建网络；数据应该以何种路由协议进行转发，只有解决了这两个问题才能成功的构建出边缘网络实现节点间的网络通信。边缘网络的出现一定程度上是为了弥补云计算高延时的缺点，大多数边缘网络应用都对延时十分敏感，尤其是目标追踪场景下的边缘网络，目前有关于边缘网络路由协议的相关研究还以物联网为基础，甚至还有一些边缘端节点在协同通信时还采用TCP/IP网络协议架构。对于传统的互联网通信，TCP/IP网络协议架构已经被证明表现非常出色，但是对于新型的移动边缘网络，传统的网络协议架构并不能满足节点移动的特性，且单一的主从模式很容易造成某些节点的网络过载，不利于网络的负载均衡。无线传感网络路由协议是一种非主从的对等路由协议，可以克服传统的TCP/IP缺陷，并且在有些场景下的无线传感器可以小范围移动，和边缘网络有些相似。但是无线传感器的应用场景却与边缘网络的应用场景有很大不同，边缘节点对能量的消耗并不像无线传感器那样敏感，无线传感网络的通信协议很多都是以牺牲网络其他性能为代价而延长节点的生存时间，但这种代价在边缘网络中是却是不可接受的。
技术实现思路
对于移动边缘网络尤其是基于目标追踪场景下的多节点协同目标追踪，迫切希望一种新型的网络协议架构能够满足移动边缘计算的节点频繁移动、低延时、可扩展等特性。因此本专利技术希望边缘网络可以满足以下要求：1.能实时满足网络节点的动态变化，组建网络的节点与目标都是实时变化的，网络也要能适应节点的动态变化。2.网络必须支持节点数量的弹性变化。网络中的节点可能因为各种突发情况随时增加或随时减少，故网络必须对这种变化保持足够的敏感。3.网络必须以最少的通信量完成目标追踪任务，这样能够高效利用网络带宽，增强网络的负载能力。4.网络节点之间的通信应该以最快的速度传输到目标节点。对于无人驾驶这样的强实时应用必须以最快的速度予以应答，这样才能保证车辆间的安全。本专利技术主要提出一种基于边缘网络目标追踪场景下的动态路由方法，该路由方法主要包括三个部分：初始状态网络构建，目标追踪的路由转发规则以及网络拓扑的动态构建。本专利技术的具体步骤是：步骤1.初始构建边缘网络网络任意的两个边缘节点P1(x1,y1)和P2(x2,y2)都可以根据平面间两点的距离公式计算出P1和P2的距离d。根据权值的计算规则，可以计算出P1和P2两点之间的权值ww＝(x2-x1)2+(y2-y1)2构建边缘网络就是维护节点的连接关系以及节点与节点间的权值，边缘网络的拓扑信息可以用一个邻接矩阵M表示。其中N为边缘网络中边缘节点的个数，wi,j表示节点i与节点j之间的权值。步骤2.节点任务划分。为了完成目标追踪的任务，边缘网络需要将整个任务分配给部分边缘节点来执行。定义整个边缘网络中节点的集合为Point(P1,P2,…,Pi…,PN)，给定其中的K个节点分配任务协同完成目标追踪，定义这K个节点的集合为Pointwork(p1,p2,…,pi…,pK)。边缘网络产生的初衷是为了弥补云计算网络延时长等缺点，处理一些时延敏感型任务。为了保证目标追踪任务在最短的时间内完成，需要以一定的规则选出Pointwork节点集合。目标所在的位置为goal(x,y)，以节点距离目标所在的位置的最短距离为基准，选择出K个节点，在节点移动速度相同的情况下，距离目标越近的节点会越快的追上目标，处理任务的延时就越短。步骤3.最短路径的规划。根据步骤1构建了边缘网络，又根据步骤2完成了节点的任务划分，最短路径规划就是目标信息发送到网络分配任务的节点集合。为了保证最快的信息到达，本专利技术中采用全局最短路径规划算法Dijkstra算法保证了路径的权值和最小。步骤4.动态构建拓扑网络。边缘网络中的节点与目标的移动是连续变化的，可以看成是一种连续的输入信号x(t)，其频率为fx。边缘网络以一定的频率fs对x(t)进行采样，则采样以后的输入信号为x(nT)，其中T＝1/fs。根据采样定理可得：当fs≥2*fx即可根据x(nT)还原x(t)，创建一个flag(nT)数组记录每个节点在nT时刻位置是否发生改变。将所有位置发生变化的节点的位置信息广播出去，其余的节点更新该节点的位置信息，重新构建的网络拓扑结构这样可以保证网络的实时连接。若目标在本周期已经采样过的时刻出现在网络中，则需要在下一个周期T中才能发现目标，故网络延时delayT最长为：drlayT＝T+delaypath+max(delayi)delaypath表示数据在规划路径上转发所需的时间，delayi表示节点i广播自身位置信息所需的时间。delaypath+max(delayi)的加和与具体的网络结构有关，通常会在一个固定范围内波动，故网络的延时与采样周期T密切相关，延时与采样周期T基本呈正相关。步骤5.周期性的循环步骤2至步骤4直至任务结束。本专利技术的有益效果：本专利技术克服了传统TCP/IP协议和无线传感网络中的单节点过载以及应用通信高延时等缺点，使得边缘节点之间的协同在最低延时下完成，且保证了网络以较少的通信量完成任务，同时网络还支持节点动态弹性的扩展。本专利技术运用到边缘网络环境中，在满足边缘环境实时性的要求下还可以降低网络的通信量，以最短的网络延时完成分配的任务。附图说明图1是边缘网络路由协议的总体架构图；图2是边缘节点广播数据流向图；图3是网络节点任务划分示意图；图4是边缘网络拓扑图转换为拓扑图的生成树。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明，具体的实施步骤如下。边缘节点具备频繁移动的特性，网络结构的频繁改变同样增加了能量的消耗。边缘网络与传统网络的这些区别使得传统的物联网或者无线传感网络的路由协议无法直接应用在边缘网络上。因此本专利技术是在基于目标追踪场景下提出了一种边缘网络的路由方法，该方法主要解决边缘节点的协同通信问题，在保证网络高实时的前提下，优化网络的通信量。本专利技术以一定周期更新网络的拓扑结构用来维持网络拓扑的动态构建，并分析了影响网络延时一些因素。请参阅图1；图1给出本专利技术的总结框架图，主要包括三个部分。1.边缘节点初始状态构建网络的全局拓扑。2.某个节点发现目标后，规划出一同协同追踪目标的节点；并规划出发送信息的最短路径，将目标位置信息发送给预计协同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于目标追踪场景下边缘网络路由方法，其特征在于该方法包括如下步骤：/n步骤1.初始构建边缘网络/n根据平面间两点的距离公式计算网络中任意的两个边缘节点P

【技术特征摘要】
1.基于目标追踪场景下边缘网络路由方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1.初始构建边缘网络
根据平面间两点的距离公式计算网络中任意的两个边缘节点P1(x1,y1)和P2(x2,y2)的距离d；
根据权值的计算规则，计算出边缘节点P1(x1,y1)和P2(x2,y2)之间的权值w为d2；
构建边缘网络就是维护节点的连接关系以及节点与节点间的权值，边缘网络的拓扑信息用邻接矩阵；
步骤2.节点任务划分
定义整个边缘网络中节点的集合为Point(P1,P2,…,Pi…,PN)；给定其中的K个节点分配任务协同完成目标追踪，定义这K个节点的集合为Pointwork(p1,p2,…,pi…,pk)；
采用设定的规则选出Pointwork节点集合来保证目标追踪任务在最短的时间内完成；
步骤3.最短路径的规划
根据步骤1构建了边缘网络，又根据步骤2完成了节点的任务划分，最短路径规划就是将目标信息发送到网络分配任务的节点集合；为了保证最快的信息到达，信息的转发路径应为全局最短路径；
步骤4.动态构建拓扑网络；
边缘网络中的节点与目标的移动是连续变化的，将其视为一种连续的输入信号x(t)，其频率为fx；边缘网络以频率fs对x(t)进行采样，则采样后的输入信号为x(nT)，其中T＝1/fs；
创建一个数组记录每个节点在nT时刻位置是否发生改变，将所有位置发生变化的节点的位置信息广播出去，其余的节点更新该...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾刚勇，张忠义，李尤慧子，殷昱煜，蒋从锋，张纪林，万健，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33