基于分簇管理信息的无线自组织网络自适应分簇方法

1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信领域中的一种提升无线自组织网络可靠性和有效性的自适应分簇方法，该方法在分层网络的基础上，通过自适应分簇方法使节点能够实时地优化簇头选择与分簇结果。


背景技术：

2.无线自组织网络(mobile ad hoc network，manet)不同于传统的无线通信网络技术，它不需要固定设备来支持，并没有基站和中心节点，每个节点即用户终端自行组网，当需要进行通信时，每个用户节点都能进行数据的发送或转发。无线自组织网络突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地进行部署，适用于一些紧急场合特殊的通信需要，如救灾和军事用途等。
3.传统的自组织网络组织结构是平等式的，网络内的节点功能和地位相等，网内数据传递依赖于节点转发，但是在大规模组网以及多跳范围组网场景下，传统自组织网络组织混乱、控制开销大、时隙资源紧张，很难适应大规模网络节点场景，因此可扩展性较差。近年来，利用分簇算法构造分层式网络结构，优化网络带宽的应用，可以提高信道的利用率和网络性能，使得高性能的大规模自组织网络成为可能。在室外环境下，大规模分布式组网还面临着节点电量限制、障碍物遮挡、节点失效等恶劣情况，这就对网络的可靠性和时效性提出更高的要求。
4.目前，常见的分簇算法是自适应分簇算法，这种分簇算法是指在簇头选取过程中中心控制节点不负责簇头的选举工作，簇头选取过程是由节点按照统一设定的规则通过节点间信息交互自适应完成的。算法的特点是由节点自己判断是否满足某种条件决定自己是否成为簇头，它具有较好的扩展性、较强的自适应能力、较快的收敛速度，能够适应多种外界条件，且分簇所耗费的控制开销较小，而自适应分簇算法中动态分簇低功耗自适应集簇分层型协议(low energy adaptive clustering hierarchy，leach)算法是分级网络中常见的算法。但是由于每轮选出的簇头是随机选取的，可能选出的簇头能量较低、分布不够均匀，就会导致网络性能和负载不够稳定，同时由于每轮选出的簇头不同，簇头需要重新组织维护簇域网络，这样会增大系统的控制开销。
5.中国空间技术研究院在其“一种无线传感器网络自适应分簇的方法及装置”(专利申请号：202010121038.x，申请公布号：cn 111405634 a)的专利申请中，公开了一种无线传感器网络自适应分簇的方法，该方法确定无线传感器网络中待分簇的多个网络节点的特征信息，根据特征信息将多个网络节点进行分簇得到多个簇，以及根据实时的时间信息判断是否满足预设的重新分簇条件，虽然解决了分簇后的网络服务质量性能较差的技术问题，但是由于只考虑了分簇裂变以及合并这两种情况，而当普通成员节点需要离开簇、其他节点申请加入簇等情况没有考虑到，导致该方法在节点移动性较强的网络场景下，不能保证网络分簇的可靠性，并且该方法没有对分簇开销进行控制，使得在规模较大的网络场景下，开销会急剧增大。
6.北京邮电大学在其“一种基于主动门限设置的自适应分簇方法”(专利申请号：201610325841.9，申请公布号：cn105898821a)的专利申请中，提出了一种基于主动门限设置的自适应分簇方法，该方法通过让每个节点首先按欧式距离将邻居节点从小到大排列，然后再比较自身与其他所有邻居节点的权值，选择是否设定邻居节点数量门限。该方法虽然能达到自适应分簇的效果，并且也能在负载均衡性上有显著优势，但是由于该方法节点的权值考虑方面过为单一，没有考虑到诸如节点移动性、节点连接度等参数，使得簇结构的可靠性较低，并且簇结构只会随着节点间距离而自适应调整，而不会在固定的控制周期内对分簇进行自适应调整，导致该方法的时效性较低。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述已有无线自组织网分簇方法的不足，提出一种基于分簇管理信息的无线自组织网络自适应分簇方法，以在提高分簇可靠性和时效性的同时，降低分簇所带来的开销。
8.为了实现上述目的，本发明技术方案包括如下步骤：
9.(1)初始化无线自组织网络：
10.初始化包括n个节点z＝{z1,z2,...,zn,...,zn}的无线自组织网络，节点zn的簇头权值为wn，zn的通信半径内的节点组成邻居列表sn，zn的管理阶段分为开始、选择、自适应，zn的分簇状态分为起始、待入簇、簇成员、簇头，zn的分簇动作分为静止、分簇裂变、分簇合并、簇头替换，其中n≥3，zn表示第n个节点；
11.(2)每个节点获取分簇管理信息：
12.每个节点获取自己的簇头权值wn、邻居列表sn，并将wn、sn，以及管理阶段、分簇状态、分簇动作作为自己的分簇管理信息，并初始化分簇管理信息中的管理阶段、分簇状态和分簇动作为开始、起始和静止；
13.(3)初始分簇：
14.(3a)每个节点zn向自己sn中的每个节点发送管理阶段为开始阶段的分簇管理信息，实现分簇管理信息的交互；
15.(3b)每个节点zn判断自身的簇头权值wn是否小于所有其他邻居节点的簇头权值，若是，将自身的分簇状态调整为簇头，并执行步骤(3c)，否则，执行步骤(3d)；
16.(3c)分簇状态为簇头的节点zn向自己sn中的每个节点发送管理阶段为选择阶段的分簇管理信息，实现分簇管理信息的交互；
17.(3d)分簇状态不为簇头的节点zn判断是否收到了管理阶段为选择阶段的分簇管理信息，若是，则将节点zn的分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(3e)，否则将节点zn的分簇状态调整为待入簇，执行步骤(4)；
18.(3e)分簇状态为簇成员的节点zn判断是否收到了多个管理阶段为选择阶段的分簇管理信息，若是，则与分簇管理信息中wn最小的簇头节点组成簇，然后执行步骤(4)，否则，与唯一和自己交互管理阶段为选择阶段的分簇管理信息的簇头节点组成簇，然后执行步骤(4)；
19.(4)每个节点对自己的分簇管理信息进行自适应调整：
20.(4a)每个节点zn判断自身的分簇状态是否为簇头，若是，执行步骤(4b)，否则，执
行步骤(4k)；
21.(4b)分簇状态为簇头的节点zn判断在自身的通信范围内是否有任意节点zm的wm小于节点zn的wn，若是，执行步骤(4c)，否则，执行步骤(4f)；
22.(4c)分簇状态为簇头的节点zn判断zm是否满足蒙特卡洛条件，若是，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；
23.该步骤目的是让节点在进行簇头替换和簇头合并时，通过引入蒙特卡洛判定条件，避免了由于无线信道自身存在不稳定性导致节点权值的抖动带来的簇头频繁更换的现象，降低了很多没有必要的开销。
24.(4d)分簇状态为簇头的节点zn判断zm的分簇状态是否为簇头，若是，则执行步骤(4j)，否则，执行步骤(4e)；
25.(4e)分簇状态为簇头的节点zn向zm发送管理阶段为自适应阶段、分簇动作为簇头替换的分簇管理信息，并将节点zn的分簇状态信息调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
26.(4f)分簇状态为簇头的节点zn判断自己是否收到了新的入簇申请，并且当前簇内成员数目加上新入簇成员数目后将达到若是，则在簇内选取簇头权值最低的节点为新的簇头，然后执行步骤(4g)，否则，执行步骤(4h)；
27.(4g)分簇状态为簇头的节点zn向簇内成员节点广播管理阶段为自适应阶段、分簇动作为分簇裂变的分簇管理信息，然后执行步骤(5)；
28.(4h)分簇状态为簇头的节点zn判断自身簇与某相邻簇的簇成员数量加和是否小于若是，则执行步骤(4i)，否则，执行步骤(5)；
29.(4i)分簇状态为簇头的节点zn判断自身的簇头权值是否大于相邻簇簇头的簇头权值，若是，则执行步骤(4j)，否则，执行步骤(5)；
30.(4j)分簇状态为簇头的节点zn向自己簇内的成员广播管理阶段为自适应阶段、分簇动作为分簇合并的分簇管理信息，并将自身的分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
31.(4k)节点zn判断自身的分簇状态是否为簇成员，若是，则执行步骤(4m)，否则，执行步骤(4r)；
32.(4m)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否收到管理阶段为自适应阶段、分簇动作为簇头替换的分簇管理信息，若是，则执行步骤(4n)，否则，执行步骤(4o)；
33.(4n)分簇状态为簇成员的节点zn将簇头替换信息中的簇内成员信息保存下来，并将zn的分簇状态调整为簇头，然后执行步骤(5)；
34.(4o)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否收到管理阶段为自适应阶段、分簇动作为分簇裂变的分簇管理信息，若是，则执行步骤(4p)，否则，执行步骤(4r)；
35.(4p)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否为分簇裂变产生的新簇头，若是，则将zn的分簇状态调整为簇头，然后执行步骤(5)，否则，执行步骤(4q)；
36.(4q)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否为新簇头的邻居节点，若是，则zn选择新的簇加入并将自己的分簇状态调整为待入簇，然后执行步骤(5)，否则，直接执行步骤(5)；
37.(4r)分簇状态为簇成员的节点zn判断是否收到分簇动作为分簇合并的分簇管理
信息，若是，则将zn的分簇状态调整为待入簇，然后执行步骤(5)，否则，直接执行步骤(5)；
38.(4s)节点zn判断自身的分簇状态是否为待入簇，若是，则执行步骤(4t)，否则，执行步骤(5)；
39.(4t)分簇状态为待入簇的节点zn判断自己的邻居列表里是否有分簇状态为簇头的节点，若是，则执行步骤(4u)，否则，执行步骤(4v)；
40.(4u)分簇状态为待入簇的节点zn判断自己邻居列表里是否只有一个簇头节点，若是，则加入该簇，将自身的节点分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)，否则，在多个簇头节点里选取簇头权值最低的簇头节点加入，并将节点zn的分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
41.(4v)分簇状态为待入簇的节点zn选取邻居节点所在簇中簇头权值最低的加入，然后将自身的节点分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
42.(5)获取分簇结果：
43.每个节点将更新后的分簇管理信息发送至其邻居节点，该邻居节点通过所接收的更新后的分簇管理信息对自身的分簇状态进行自适应调整，得到成员数量均小于的多个簇。
44.本发明与现有技术相比具有以下优点：
45.第一，本发明由于在初始分簇的过程中，实现了节点之间分簇管理信息的交互，然后通过内部模块实时感知并分析周围节点分簇状态的变化，以此对自身分簇状态进行调整，保证了网络中的分簇结构能实时进行更新，在节点移动性较强的无线自组织网络中，能够及时对通信链路断开导致的簇断裂现象进行自适应调整，提升了簇结构的可靠性和时效性。
46.第二，本发明每个节点对自己的分簇管理信息进行自适应调整的过程中，通过分簇状态为簇头的节点判断自身通信范围内是否有任意节点满足蒙特卡洛条件，只有满足该条件后才能进行簇头替换或簇头合并，避免了由于无线信道自身存在不稳定性导致节点权值的抖动带来的簇头频繁更换的现象，降低了很多没有必要的开销。
附图说明
47.图1是本发明的实现流程图；
48.图2是本发明网络节点的结构示意图；
49.图3是本发明每个节点对自己的分簇管理信息进行自适应调整的实现流程图。
具体实施方式
50.以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
51.参照图1，本发明包括如下步骤。
52.步骤1)初始化无线自组织网络：
53.初始化包括36个节点z＝{z1,z2,...,zn,...,z
36
}的无线自组织网络，每个节点zn的结构如图2所示，包括自主分析模块、自主调整模块和无线传输模块；其中，自主分析模块，用于获取分簇管理信息、判断自身的分簇状态以及与其他节点进行簇头权值的比较；自主调整模块，用于对分簇管理信息进行调整；无线传输模块，用于与其他节点交互分簇管理
信息，节点zn的簇头权值为wn，wn表示其对应的节点zn适合担任簇头节点的程度，该wn越低越适合在无线自组织网络中担任簇头节点，其计算公式为：
54.wn＝a
×
d b
×
m c
×s55.其中，a，b，c为不同数值的权重因子，且a b c＝1，d，m，s为成簇权值参数，zn的通信半径内的节点组成邻居列表sn，表示在节点zn通信范围内所有除zn以外的节点的集合，zn的管理阶段分为开始、选择、自适应，zn的分簇状态分为起始、待入簇、簇成员、簇头，zn的分簇动作分为静止、分簇裂变、分簇合并、簇头替换，其中zn表示第n个节点；
56.步骤2)每个节点获取分簇管理信息：
57.每个节点获取自己的簇头权值wn、邻居列表sn，并将wn、sn，以及管理阶段、分簇状态、分簇动作作为自己的分簇管理信息，并初始化分簇管理信息中的管理阶段、分簇状态和分簇动作为开始、起始和静止；
58.步骤3)初始分簇：
59.(3a)每个节点zn向自己sn中的每个节点发送管理阶段为开始阶段的分簇管理信息，实现分簇管理信息的交互；
60.(3b)每个节点zn判断自身的簇头权值wn是否小于所有其他邻居节点的簇头权值，若是，将自身的分簇状态调整为簇头，并执行步骤(3c)，否则，执行步骤(3d)；
61.(3c)分簇状态为簇头的节点zn向自己sn中的每个节点发送管理阶段为选择阶段的分簇管理信息，实现分簇管理信息的交互；
62.(3d)分簇状态不为簇头的节点zn判断是否收到了管理阶段为选择阶段的分簇管理信息，若是，则将节点zn的分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(3e)，否则将节点zn的分簇状态调整为待入簇，执行步骤(4)；
63.(3e)分簇状态为簇成员的节点zn判断是否收到了多个管理阶段为选择阶段的分簇管理信息，若是，则与分簇管理信息中wn最小的簇头节点组成簇，然后执行步骤(4)，否则，与唯一和自己交互管理阶段为选择阶段的分簇管理信息的簇头节点组成簇，然后执行步骤(4)；
64.通过让节点分别获取各自的分簇管理信息，并与周围节点交互开始阶段的分簇管理信息，进行了初始分簇，使无线自组织网络中的所有节点均分为了三种分簇状态：簇头、待入簇和簇成员，以便后续对分簇管理信息进行的自适应调整；
65.步骤4)每个节点对自己的分簇管理信息进行自适应调整，实现步骤如图3所示：
66.(4a)每个节点zn判断自身的分簇状态是否为簇头，若是，执行步骤(4b)，否则，执行步骤(4k)；
67.(4b)分簇状态为簇头的节点zn判断在自身的通信范围内是否有任意节点zm的wm小于节点zn的wn，若是，执行步骤(4c)，否则，执行步骤(4f)；
68.(4c)分簇状态为簇头的节点zn判断zm是否满足蒙特卡洛条件，若是，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；
69.(4d)分簇状态为簇头的节点zn判断zm的分簇状态是否为簇头，若是，则执行步骤(4j)，否则，执行步骤(4e)；
70.(4e)分簇状态为簇头的节点zn向zm发送管理阶段为自适应阶段、分簇动作为簇头替换的分簇管理信息，并将节点zn的分簇状态信息调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
71.(4f)分簇状态为簇头的节点zn判断自己是否收到了新的入簇申请，并且当前簇内成员数目加上新入簇成员数目后将达到6个，若是，则在簇内选取簇头权值最低的节点为新的簇头，然后执行步骤(4g)，否则，执行步骤(4h)；
72.(4g)分簇状态为簇头的节点zn向簇内成员节点广播管理阶段为自适应阶段、分簇动作为分簇裂变的分簇管理信息，然后执行步骤(5)；
73.(4h)分簇状态为簇头的节点zn判断自身簇与某相邻簇的簇成员数量加和是否小于6，若是，则执行步骤(4i)，否则，执行步骤(5)；
74.(4i)分簇状态为簇头的节点zn判断自身的簇头权值是否大于相邻簇簇头的簇头权值，若是，则执行步骤(4j)，否则，执行步骤(5)；
75.(4j)分簇状态为簇头的节点zn向自己簇内的成员广播管理阶段为自适应阶段、分簇动作为分簇合并的分簇管理信息，并将自身的分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
76.(4k)节点zn判断自身的分簇状态是否为簇成员，若是，则执行步骤(4m)，否则，执行步骤(4r)；
77.(4m)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否收到管理阶段为自适应阶段、分簇动作为簇头替换的分簇管理信息，若是，则执行步骤(4n)，否则，执行步骤(4o)；
78.(4n)分簇状态为簇成员的节点zn将簇头替换信息中的簇内成员信息保存下来，并将zn的分簇状态调整为簇头，然后执行步骤(5)；
79.(4o)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否收到管理阶段为自适应阶段、分簇动作为分簇裂变的分簇管理信息，若是，则执行步骤(4p)，否则，执行步骤(4r)；
80.(4p)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否为分簇裂变产生的新簇头，若是，则将zn的分簇状态调整为簇头，然后执行步骤(5)，否则，执行步骤(4q)；
81.(4q)分簇状态为簇成员的节点zn判断自己是否为新簇头的邻居节点，若是，则zn选择新的簇加入并将自己的分簇状态调整为待入簇，然后执行步骤(5)，否则，直接执行步骤(5)；
82.(4r)分簇状态为簇成员的节点zn判断是否收到分簇动作为分簇合并的分簇管理信息，若是，则将zn的分簇状态调整为待入簇，然后执行步骤(5)，否则，直接执行步骤(5)；
83.(4s)节点zn判断自身的分簇状态是否为待入簇，若是，则执行步骤(4t)，否则，执行步骤(5)；
84.(4t)分簇状态为待入簇的节点zn判断自己的邻居列表里是否有分簇状态为簇头的节点，若是，则执行步骤(4u)，否则，执行步骤(4v)；
85.(4u)分簇状态为待入簇的节点zn判断自己邻居列表里是否只有一个簇头节点，若是，则加入该簇，将自身的节点分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)，否则，在多个簇头节点里选取簇头权值最低的簇头节点加入，并将节点zn的分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
86.(4v)分簇状态为待入簇的节点zn选取邻居节点所在簇中簇头权值最低的加入，然后将自身的节点分簇状态调整为簇成员，然后执行步骤(5)；
87.通过让三种分簇状态的节点分别与其他节点交互自适应阶段的分簇管理信息，使得所有节点的分簇管理信息均能根据周围环境的变化进行自适应调整。在簇合并和簇断裂
的过程中，由于对簇成员数量进行了约束，使得簇内成员的数量一直维持在小于6的状态，使得每个簇头的负载都更均衡，簇结构更稳定。
88.步骤5)获取分簇结果：
89.每个节点将更新后的分簇管理信息发送至其邻居节点，从而全网的节点都能通过接收到的邻居节点的分簇管理信息来自适应调整自身分簇状态，至此达成网络自适应分簇的效果，并且每个簇内的成员数量均小于6。