[發明專利]提升分布式多跳網絡可用性的分簇管理方法

有效

• 申請號: 201911415221.4
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111107603B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 史琰;張行奇;盛敏;劉俊宇;文娟;周笛;白衛崗
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;黎漢華

1.一種提升分布式多跳網絡可用性的分簇管理方法，其特征在于：包括如下：

(1)網絡中節點根據自身電量百分比信息隨機性參與競爭簇頭，實現如下：

(1a)計算節點電量百分比s：

其中，e表示節點電池當前電量，v表示節點電池容量；

(1b)根據節點電量百分比s計算成簇檢測門限P：

P＝exp[In(c)*s]

其中，In(c)為擴增因子，使得成簇檢測門限P隨電量百分比s呈指數增長，即電量百分比越高的節點成簇檢測概率越大；

(1c)進行成簇隨機性檢測：

(1c1)借助隨機數函數rand()生成一個0-(t×c)的隨機數R：R＝rand()％(t×c)；

其中，rand()函數是C語言中產生隨機數的一個隨機函數，t在0.6-0.8范圍取值；

(1c2)依據隨機數R和成簇檢測門限P，得到隨機性檢測結果result：

其中，result是一種布爾型數據類型，true表示結果為真，false表示結果為假；

(1c3)根據隨機性檢測結果確定節點競爭簇頭操作：

若隨機性檢測結果result為true，則節點參與競爭簇頭；

否則，執行(1c4)；

(1c4)判斷節點是否滿足連續3-5輪沒有參與競爭簇頭的競爭保護條件：

如果滿足競爭保護條件，則節點參與競爭簇頭；

如果不滿足競爭保護條件，則節點不參與競爭簇頭；

(2)根據節點的交互信息，按照權值最優原則選取網絡中的簇頭節點，實現如下：

(2a)確定節點各成簇權值參數數值：

(2a1)確定節點的鄰居節點中未入簇的節點數d，計算其度數與理想節點度數D之差的絕對值，即d'＝|d-D|；

(2a2)確定節點兩跳范圍中未入簇的節點數目m，根據m值預估節點作為簇頭的簇域范圍range，計算預估簇域節點數目M'和理想簇域節點數目M之差的絕對值，即m'＝|M'-M|，其中：

(2a3)根據節點的鄰節點信息，計算出成簇均衡因子S'：

其中K為節點的鄰節點個數，xi為節點的第i個鄰節點的度數，D為理想節點度數；

(2b)根據成簇權值參數數值計算成簇權值W：

W＝a×d'+b×m'+c×S'+x

其中，a，b，c為不同數值的權重因子，且a+b+c＝1，d'，m'，S'為(2a)中求得的成簇權值參數，x為輔助參數；

(2c)節點將成簇權值W及節點與鄰節點中成簇最小權值W_min放到勤務幀中，周期性地向周圍廣播勤務幀，該勤務幀是指節點間信息交互的一種hello數據包，用于添加節點交互的有用信息；

(2d)未入簇節點接收鄰節點勤務幀，保存鄰節點的W_min，并計算以本節點為中心的兩跳范圍最小成簇權值W_{2_min}；

(2e)未入簇節點先判斷本節點成簇權值W是否同兩跳范圍最小成簇權值W_{2_min}相等，再判斷成簇權值W是否小于或等于設定的成簇門限W_HT：

若這兩個成簇檢測條件均滿足，則競爭簇頭成功，即將滿足這兩個成簇檢測條件的節點作為簇頭節點；

否則，競爭簇頭失敗；

(3)簇頭節點同時執行(4)和(5)；

(4)簇域信息擴散及簇外節點入簇：

(4a)簇頭節點廣播簇域信息，該信息包括簇頭節點ID、簇內節點數目、簇的簇域范圍、節點簇內時鐘等級；

(4b)簇外節點接收廣播的簇域信息并保存下來后，先根據簇的簇域范圍確定自己是否可入簇的簇集合，再按照簇內節點數最小原則從可入簇的簇集合中選擇最優簇進行入簇；

(4c)簇外節點入簇后周期性廣播簇域信息，以使簇域信息向外擴散；

(5)簇域維護：

(5a)簇頭節點按照相似度最佳原則選取備用簇頭節點，以差速同步方式實現主從簇頭節點信息同步；實現如下：

(5a1)確定簇頭節點的鄰節點個數n；

(5a2)計算簇頭節點的同簇鄰節點node_i相似率same_rate_i：

same_rate_i＝m/n

其中，m為簇頭節點與同簇鄰節點node_i的重疊節點個數；

(5a3)根據同簇鄰節點node_i的相似率same_rate_i和電量百分比s_i計算備用節點權重W_{s_i}：

W_{s_i}＝g×same_rate_i+l×s_i

其中，g，l為不同數值的權重因子，且g+l＝1；

(5a4)簇頭節點在同簇鄰節點中找到最大備用節點權重W_{s_max}對應的備用節點slave_id_new；

(5a5)備用節點slave_id_new在同時滿足以下兩個條件下執行更新：

條件1：備用節點slave_id_new與已有的備用節點slave_id_old不相等；

條件2：W_{s_max}＞＝rate_HT且W_{s_max}-W_{s_old}＞＝rate_ST；

其中，rate_HT和rate_ST分別為備用節點更新檢測設定的硬門限和軟門限，用于防止在節點移動場景下備用簇頭節點頻繁變更；W_{s_max}為備用節點slave_id_new對應的備用節點權重，W_{s_old}為已有的備用節點slave_id_old對應的備用節點權重；

(5a6)主簇頭節點以如下兩種方式同時向備用簇頭節點發送同步信息：

方式1：主簇節點以周期T1定時向備用簇頭節點發送完整簇內數據信息；

方式2：主簇節點以周期T2定時向備用簇頭節點發送間隔內數據更改信息；

其中，T1為主簇頭節點發送完整簇內數據周期，T2為主簇頭節點在間隔內數據更改發送周期，T1的數值要遠大于T2，即T1的取值為T2的3-6倍；

(5a7)備用簇頭節點根據接收的同步信息，比較簇頭產生同步信息時間t1和本地數據更新時間t2大小：

若t1t2，則執行(5a8)，并令t2＝t1；

否則，不執行數據更新操作；

(5a8)根據同步信息類型執行如下更新操作：

若同步信息是簇頭節點完整的簇內數據信息，則通過同步信息直接替換本地簇內數據；

若同步信息是簇頭節點間隔內數據更改信息，則通過同步信息更改本地簇內數據；

(5b)備用簇頭節點對簇頭節點存活狀況進行檢測，按需行使簇頭節點功能。