[發(fā)明專利]適用于自組織網(wǎng)絡(luò)的分布式自適應(yīng)分簇方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910442322.4
• 申請日: 2019-05-25
• 公開（公告）號: CN110234146B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃盛;王昭
• 申請（專利權(quán)）人: 西南電子技術(shù)研究所(中國電子科技集團公司第十研究所)
• 主分類號: H04W40/32
• 分類號: H04W40/32;H04W40/36;H04W84/18
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 周浩杰

本發(fā)明公開的一種適用于自組織網(wǎng)絡(luò)的分布式自適應(yīng)分簇方法，旨在提供一種能夠降低網(wǎng)絡(luò)控制開銷，提升網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)能量效率的分布式自適應(yīng)分簇方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：在自組織網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)建依據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與鄰居節(jié)點周期性地進行控制信息交互的環(huán)境感知、自學習和自決策三大功能模塊，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在本節(jié)點的控制周期內(nèi)利用無線傳輸模塊與鄰居節(jié)點交互控制信息的能力，通過無線接收單元接收鄰居節(jié)點的分簇控制信息，并將無線接收單元獲取到的鄰居節(jié)點的分簇控制信息上報到環(huán)境感知功能模塊；循環(huán)執(zhí)行簇頭選擇流程、簇頭替換流程、簇頭切換流程、分簇裂變流程和分簇合并流程，實時地優(yōu)化簇頭選擇。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種適用于自組織網(wǎng)絡(luò)的分布式自適應(yīng)分簇方法。

背景技術(shù)

自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHoc)是由若干個移動節(jié)點通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自發(fā)組成的一個無中心多跳網(wǎng)絡(luò)。自組織網(wǎng)絡(luò)能夠高效地處理網(wǎng)絡(luò)拓撲變化、傳輸鏈路故障等問題，具有很強的靈活性和抗毀性。作為一種分布式網(wǎng)絡(luò)，移動自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自治、多跳網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠在不能利用或者不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如基站、AP)的情況下，提供終端之間的相互通信。由于終端的發(fā)射功率和無線覆蓋范圍有限，因此距離較遠的兩個終端如果要進行通信就必須借助于其它中間節(jié)點進行分組轉(zhuǎn)發(fā)，這樣節(jié)點之間構(gòu)成了一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，與一般網(wǎng)絡(luò)中的多跳不同，無線自組網(wǎng)中的多跳路由是由普通節(jié)點共同協(xié)作完成的，而不是由專門的路由設(shè)備完成的。區(qū)別于預(yù)設(shè)基站的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)賦予所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與鄰居節(jié)點周期性進行控制信息交互的能力，允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在任何地方、任何時間構(gòu)建無需任何預(yù)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的無線通信系統(tǒng)。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依靠無線收發(fā)裝置進行通信，與鄰居節(jié)點交互控制信息與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于無線通信所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬要遠小于有線通信的網(wǎng)絡(luò)帶寬，自組織網(wǎng)絡(luò)所能提供的網(wǎng)絡(luò)容量也遠小于有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量。此外，自組織網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常工作于較為惡劣的野外環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能僅僅依靠蓄電池等有限的能源進行供電。因此，如何有效地利用受限的帶寬資源與有限的能量資源來提升自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)能量效率就是分簇方法關(guān)注的問題。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，節(jié)點間的無線鏈路及由此而形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨節(jié)點的位置分布和移動、信道的變化等因素呈現(xiàn)出動態(tài)變化的特性。拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化使節(jié)點間鏈路狀態(tài)信息的獲取和管理維護困難。由于相鄰節(jié)點間存在“隱蔽終端”、“暴露終端”、“侵入終端”等相互干擾，使得無線鏈路狀態(tài)難以確定，例如帶寬、時延、時延抖動等鏈路參數(shù)都很難及時獲取和更新維護。無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有兩種不同的層次結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)。在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點的地位平等，因此，又稱為對等式結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)中每個節(jié)點都需要知道到達其他所有節(jié)點的路由。由于節(jié)點的移動性，維護這個動態(tài)路由需要大量的控制信息。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，路由維護的開銷就越大。所以平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可擴展性較差。分級結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的分簇算法和簇維護機制。在分級結(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHoc)中，簇頭負責本簇內(nèi)成員節(jié)點之間的通信以及本簇成員節(jié)點和其他簇成員節(jié)點間的通信，因此，如何動態(tài)選擇出最合理的節(jié)點擔任簇頭，成為分簇算法的關(guān)鍵問題。另外，由于節(jié)點隨時隨地加入或者移出，網(wǎng)絡(luò)鏈路隨時容易斷開，影響通信服務(wù)質(zhì)量。在分級的結(jié)構(gòu)中，由于簇頭節(jié)點不僅要維護到達其他簇頭的路由信息，而且還要維護與本簇成員以及本簇內(nèi)成員與成員之間的通信。因此，簇頭節(jié)點的任務(wù)相當繁重，而由于無線通信的資源有限，所以，需要一種良好的分簇結(jié)構(gòu)以及路由算法，來維護分級自組織網(wǎng)絡(luò)路由和通信的服務(wù)質(zhì)量。目前典型的分簇算法有最小ID分簇算法、最高節(jié)點度分簇算法、最低移動性分簇算法和基于節(jié)點移動性預(yù)報的分簇算法等。最小ID分簇算法依據(jù)節(jié)點ID選擇簇頭，該算法簡單易實現(xiàn)。當節(jié)點移動性較強時，簇頭更新頻率較高，簇維護開銷較大。最高節(jié)點度分簇算法選取節(jié)點度大于所有未被覆蓋的鄰節(jié)點的節(jié)點成為簇頭，當節(jié)點度相同時，選取具有較小ID的節(jié)點作為簇頭。該算法沒有考慮負載平衡等因素。最低移動性分簇算法根據(jù)節(jié)點的移動性的權(quán)重來選舉簇頭。該算法的簇頭計算開銷較大，未考慮負載平衡和節(jié)點的能量損耗問題。基于節(jié)點移動性預(yù)報的分簇算法是通過學習移動節(jié)點的移動歷史行為來預(yù)報移動節(jié)點的運動趨勢，進而選出簇頭。該算法不適合于經(jīng)常更改路徑，沒有習慣性的移動行為的自組織網(wǎng)絡(luò)。