[发明专利]适用于自组织网络的分布式自适应分簇方法

说明书

本发明公开的一种适用于自组织网络的分布式自适应分簇方法，旨在提供一种能够降低网络控制开销，提升网络频谱利用率和网络能量效率的分布式自适应分簇方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在自组织网络中，每个网络节点构建依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行控制信息交互的环境感知、自学习和自决策三大功能模块，各个网络节点在本节点的控制周期内利用无线传输模块与邻居节点交互控制信息的能力，通过无线接收单元接收邻居节点的分簇控制信息，并将无线接收单元获取到的邻居节点的分簇控制信息上报到环境感知功能模块；循环执行簇头选择流程、簇头替换流程、簇头切换流程、分簇裂变流程和分簇合并流程，实时地优化簇头选择。

技术领域

本发明涉及一种适用于自组织网络的分布式自适应分簇方法。

背景技术

自组织网络(AdHoc)是由若干个移动节点通过分布式网络协议自发组成的一个无中心多跳网络。自组织网络能够高效地处理网络拓扑变化、传输链路故障等问题，具有很强的灵活性和抗毁性。作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它中间节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。值得注意的是，与一般网络中的多跳不同，无线自组网中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专门的路由设备完成的。区别于预设基站的蜂窝网络，自组织网络赋予所有网络节点与邻居节点周期性进行控制信息交互的能力，允许网络节点在任何地方、任何时间构建无需任何预设基础设施的无线通信系统。在自组织网络中，网络节点依靠无线收发装置进行通信，与邻居节点交互控制信息与数据业务。由于无线通信所能提供的网络带宽要远小于有线通信的网络带宽，自组织网络所能提供的网络容量也远小于有线网络的网络容量。此外，自组织网络经常工作于较为恶劣的野外环境，网络节点可能仅仅依靠蓄电池等有限的能源进行供电。因此，如何有效地利用受限的带宽资源与有限的能量资源来提升自组织网络的网络频谱利用率和网络能量效率就是分簇方法关注的问题。

无线自组织网络环境下，节点间的无线链路及由此而形成的网络拓扑结构随节点的位置分布和移动、信道的变化等因素呈现出动态变化的特性。拓扑结构的动态变化使节点间链路状态信息的获取和管理维护困难。由于相邻节点间存在“隐蔽终端”、“暴露终端”、“侵入终端”等相互干扰，使得无线链路状态难以确定，例如带宽、时延、时延抖动等链路参数都很难及时获取和更新维护。无线自组织网络具有两种不同的层次结构：平面结构和分层结构。在平面结构中，所有节点的地位平等，因此，又称为对等式结构。平面结构中每个节点都需要知道到达其他所有节点的路由。由于节点的移动性，维护这个动态路由需要大量的控制信息。网络规模越大，路由维护的开销就越大。所以平面结构的网络可扩展性较差。分级结构需要相应的分簇算法和簇维护机制。在分级结构的自组织网络(AdHoc)中，簇头负责本簇内成员节点之间的通信以及本簇成员节点和其他簇成员节点间的通信，因此，如何动态选择出最合理的节点担任簇头，成为分簇算法的关键问题。另外，由于节点随时随地加入或者移出，网络链路随时容易断开，影响通信服务质量。在分级的结构中，由于簇头节点不仅要维护到达其他簇头的路由信息，而且还要维护与本簇成员以及本簇内成员与成员之间的通信。因此，簇头节点的任务相当繁重，而由于无线通信的资源有限，所以，需要一种良好的分簇结构以及路由算法，来维护分级自组织网络路由和通信的服务质量。目前典型的分簇算法有最小ID分簇算法、最高节点度分簇算法、最低移动性分簇算法和基于节点移动性预报的分簇算法等。最小ID分簇算法依据节点ID选择簇头，该算法简单易实现。当节点移动性较强时，簇头更新频率较高，簇维护开销较大。最高节点度分簇算法选取节点度大于所有未被覆盖的邻节点的节点成为簇头，当节点度相同时，选取具有较小ID的节点作为簇头。该算法没有考虑负载平衡等因素。最低移动性分簇算法根据节点的移动性的权重来选举簇头。该算法的簇头计算开销较大，未考虑负载平衡和节点的能量损耗问题。基于节点移动性预报的分簇算法是通过学习移动节点的移动历史行为来预报移动节点的运动趋势，进而选出簇头。该算法不适合于经常更改路径，没有习惯性的移动行为的自组织网络。