CN100438450C - 稳定节能分群维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稳定节能分群维护方法，包括：监测网络拓扑；判断探测到的事件是否是更换群首，是则更换群首操作，群首轮询群内成员节点并更新候选节点；否则根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护，群首轮询群内成员节点并更新候选节点。本发明通过事件触发群首以轮询方式对网络拓扑信息进行必要的更新，进而对分群结构进行必要的维护，选举候选节点作为备用群首，减少了群首更换时的信息交换，降低了开销。本发明还通过引入选择权值概念作为群首选举的判据，确保了节点担当群首的公平性，减少了分群维护过程中分群结构重建的次数，可有效保证分群结构的稳定性，均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。

Description

稳定节能分群维护方法

技术领域

本发明涉及一种网络分层分布式结构的维护方法，特别是一种基于事件驱动的稳定节能分群维护方法。

背景技术

高动态移动自组织网络中，在进行通信之前需要经过自组织过程形成预定的网络结构，以便实现对通信的支持、控制和管理。这些网络结构通常分为完全分布式、分层分布式和集中式三类。其中，为了支持自组织网络的无线、多跳、移动特性，分层分布式结构(即分群结构)是最有效的控制和管理方法。分群结构是利用分群协议把整个网络中的所有节点划归到多个相连的以群首(CH)为中心的群组，由群首负责群组内的控制和管理，其优点包括：提高信道的空间复用效率、减少路由和网络控制管理开销、易实现拥塞控制和流量均衡、为多媒体业务提供保证服务质量(QoS)的传输、易实现网络的移动性管理和局部同步、适于扩展拥有大量节点的自组织网络等。

高动态移动自组织网络中，节点的移动、加入、离去或失效等情况造成了通信链路的断接和网络拓扑的变化，这在分群之后表现为节点经常加入或离开群，影响分群结构乃至网络通信的稳定。更为严重的情况是，剧烈的节点移动导致频繁的群首更替和分群的分解、重构，引入了较大的通信和计算开销，进而严重影响其他网络性能，如通信所用路由、端到端吞吐量、时延、分组丢弃率和各类资源管理利用等。因此对于分层结构，最关键的问题是如何收集、运用拓扑信息，快速建立预定的分群结构，实现在高速移动环境下的动态稳定保持。

现有技术的分群维护方法通常是利用节点的某些特征或因素作为分群维护的依据，即把这些特征或因素映射成一种权重，当某一节点的权重在局部最大时，该节点就被选为群首。但在分群稳定和维护开销效果方面，现有技术的分群维护方法存在下述二方面缺陷：

(1)对节点移动性及节点特性变化造成拓扑变化、影响分群结构稳定的因素考虑不周。只是在节点移动导致入网、退网或失效而造成拓扑发生变化后去应对这些变化，所以不能有效保证分群结构的稳定；

(2)只有在分群结构出现问题时才进行被动维护。在高动态移动自组织网络中，节点由于充当群首而消耗更多的能量，所以某节点若长时间充当群首会导致该节点能量消耗迅速，能量消耗不均衡，影响网络的整体性能甚至网络的生存期；而在分群结构稳定性已经恶化的情况进行选举新群首等被动维护，不仅引入大量开销，而且很难得到优化网络整体性能的稳定分群结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定节能分群维护方法，通过基于事件驱动的群首轮询机制，在高动态移动环境下有效保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，有效解决现有技术被动维护开销大、节点担当群首公平性差导致能量消耗不均衡等技术缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种稳定节能分群维护方法，包括：监测网络拓扑；判断探测到的事件是否是更换群首，是则执行更换群首操作，群首轮询群内成员节点并更新候选节点；否则根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护，群首轮询群内成员节点并更新候选节点；其中，所述群首轮询群内成员节点并更新候选节点中节点的选择权值为W_i＝w₁S_i+w₂P_i+w₃R_i+w₄D_i，

式中，i表示节点ID，W_i表示节点i的选择权值，S_i表示节点i相对于其邻居节点的相对移动性值，P_i表示节点i的相对剩余能量状况值，R_i表示节点i的局部节点度值，D_i表示节点i与其所有邻居节点的平均相对距离之和，系数w₁，w₂，w₃和w₄是相应参数的权重值，且∑w_i＝1。

所述事件可以是更换群首，也可以是节点加入、节点退出、群首相遇、节点脱离群首、节点失效。

所述群首轮询群内成员节点并更新候选节点具体为：群首轮询群内成员节点，计算成员节点的选择权值；选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点；公布候选节点ID和各成员节点选择权值。

考虑到节点移动性及节点特性变化对分群结构稳定性的剧烈影响，针对现有技术节点担当群首公平性差导致的能量消耗不均衡以及被动维护导致开销大等技术问题，本发明提出了一种基于事件驱动的、主动的稳定节能分群维护方法，通过事件触发，群首以轮询方式对网络拓扑信息进行必要的更新，进而对分群结构进行必要的维护，并根据节点选择权值大小选举一个候选节点作为备用群首，使群首更换时无需通过被动交互的方式进行相关信息的获取，在很大程度上减少了信息的交换，降低了开销。同时，本发明通过引入选择权值概念作为群首选举的判据，充分考虑了引起网络拓扑变化的多个因素，并且确保了节点担当群首的公平性，使得所得分群结构稳定性大大提高，从而减少了分群维护过程中分群结构重建的次数，并且均衡了节点能量消耗，进而延长了节点以及网络的生存期。

本发明通过事件触发群首轮询方式是一种灵活的分群结构维护方式，当原群首不能承担群首角色时迅速激活备用群首担当群首角色，可以及时适应节点运动和群首能量消耗所带来的分群结构变化，有效的保证分群结构的稳定性。本发明根据节点的选择权值大小为每一个群首选举一个候选节点作为备用群首，选择权值考虑了节点的相对移动性、相对剩余能量状况、局部节点度和与邻居节点的平均相对距离之和，并通过权重值将上述节点特征有机地结合起来。将选择权值作为群首更换时选举群首的标准，使本发明可有效保证分群结构的稳定性，均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。

另外，本发明针对群首节点失效、群首相遇、成员节点脱离原群、节点的加入与退出等情况设计了相应的处理程序，使得本发明具有宽广的适应性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明稳定节能分群维护方法的流程图；

图2为本发明更换群首的流程图；

图3为本发明群首轮询群内成员节点并更新候选节点的流程图；

图4为本发明节点加入处理流程图；

图5为本发明节点退出处理流程图；

图6为本发明群首相遇处理流程图；

图7为本发明节点脱离群首处理流程图；

图8为本发明成员节点失效处理流程图；

图9为本发明候选节点监视群首状态的流程图。

具体实施方式

图1为本发明稳定节能分群维护方法的流程图，具体为：

步骤10、监测网络拓扑；

步骤20、判断探测到的事件是否是更换群首，是则执行步骤30，否则执行步骤40；

步骤30、更换群首操作，执行步骤50；

步骤40、根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护；

步骤50、群首轮询群内成员节点并更新候选节点。

上述技术方案实现了一种基于事件驱动的、主动的分群维护方法，通过事件触发，群首以轮询方式对网络拓扑信息进行必要的更新，进而对分群结构进行必要的维护，并根据节点选择权值大小选举一个候选节点作为备用群首，可以保证当原群首不能承担群首角色时迅速激活备用群首担当群首，达到及时适应节点移动及节点特性变化所带来的分群结构变化、有效地保证分群结构稳定性的目的。上述技术方案的事件触发群首轮询方式突破了现有技术只有在分群结构出现问题时才进行相应处理的被动维护方式，所需要的信息都能够通过群首轮询获得，无需通过被动交互的方式进行相关信息的获取，在很大程度上减少了信息交换，降低了开销。

同时，本发明通过引入选择权值概念作为群首选举的判据，充分考虑了引起网络拓扑变化的多个因素，确保了节点担当群首的公平性，使得所得分群结构稳定性大大提高，从而减少了分群维护过程中分群结构重建的次数，在很大程度上进一步降低了开销，并且均衡了节点能量消耗，最终达到均衡能量消耗、延长网络整体寿命的目的。在本发明技术方案中，选择权值定义为：

W_i＝w₁S_i+w₂P_i+w₃R_i+w₄D_i

式中，i表示节点ID，W_i表示节点i的选择权值，S_i表示节点i相对于其邻居节点的相对移动性值，P_i表示节点i的相对剩余能量状况值，R_i表示节点i的局部节点度值，D_i表示节点i与其所有邻居节点的平均相对距离之和，系数w₁、w₂、w₃和w₄是相应参数的权重值，且∑w_i＝1。

上述选择权值W_i考虑了节点的相对移动性、相对剩余能量状况、局部节点度和与其所有邻居节点的平均相对距离之和，并通过权重值将上述节点特征有机地结合起来，根据系统要求和网络的实际特点可以动态调节权重值以适应不同的系统要求。节点由于充当群首会消耗更多的能量，相对剩余能量状况可以很好地反映节点的能量状态，保证在一定范围内选举出具有较大能量的节点成为群首，避免了相对剩余能量较低的节点担当群首角色的可能性，因此均衡了网络中节点能量的消耗，延长了网络寿命。节点的高速运动将导致节点连接度的频繁变化，同时在维护过程中将会引入大量的控制开销，本发明选择权值引入节点的相对移动性可以很好地保证分群结构的稳定性。节点的局部节点度反映该节点与原群中成员节点的连结状况，该值越大，则表示对应节点与原群中越多的成员节点相连结，当该节点成为群首节点时引起的分群结构变化与原分群结构相比最小，因此可以很好地维护原来的分群结构，提高了稳定性，并且减少了因成员节点更换群首带来的开销。由于节点间传输信息所需的发射功率与节点之间的距离的平方成正比，某两个节点之间的相对距离定义为节点的传输半径与该两节点之间的实际距离之比，而某节点与其所有邻居节点的平均相对距离之和则定义为该节点与其所有邻居节点的相对距离之和与其邻居数之比，该越大则说明该节点与其邻居成为群首后可能消耗大的能量值越小，选择具有较大平均相对距离之和的节点作为群首可以降低其能量的消耗速率，从而可以降低群首变化频率，维护分群结构的稳定性。将选择权值作为群首更换时选举群首的标准，使本发明可有效保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。

本发明可根据系统要求和网络的实际特点对权重值w₁、w₂、w₃和w₄进行动态调节，以适应不同的系统要求。例如，对于无线传感器网络，由于节点移动性很低，影响分群结构的主要因素为节点的能量状态，可以设置w₁＝0.05～0.10，w₂＝0.40～0.45，w₃＝0.05～0.10，w₄＝0.40～0.45；对于高动态无线自组织网络，影响分群结构的主要因素为节点的移动性，并且节点的电源可以更换，能量不再是主要考虑的因素，可以设置w₁＝0.40～0.55，w₂＝0.05～0.10，w₃＝0.35～0.50，w₄＝0.05～0.10。

在本发明上述技术方案中，所述事件实际上是可能触发分群结构变化的事件，也可以称之为分群结构变化分类。在这些事件触发后，群首以轮询方式更新网络节点状态、更新分群结构并对分群结构进行必要维护。其中，事件可以是更换群首，也可以是节点加入、节点退出、群首相遇、节点脱离群首、节点失效等。

图2为本发明更换群首的流程图，具体为：

步骤31、群首激活群内候选节点；

步骤32、候选节点发送群首消息，宣布成为新群首；

步骤33、其他成员节点和原群首加入新群，形成新的分群结构。

在高动态移动自组织网络中，节点由于充当群首而消耗较多的能量，当群首不能担当群首角色时，原群首会发送激活消息激活候选节点成为新的群首节点。此时，新群首节点通过广播群首消息宣布自己的新角色。收到这个群首消息后，它的邻居节点，包括原来的群首节点都通过发送加入消息加入新群或者加入到临近群中，新的分群结构形成。

图3为本发明群首轮询群内成员节点并更新候选节点的流程图，具体为：

步骤51、群首轮询群内成员节点，计算成员节点的选择权值；

步骤52、选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点；

步骤53、公布候选节点ID和各成员节点选择权值。

更换群首后，群首开始轮询它的成员节点以获得节点的相对移动性值S、相对剩余能量状况值P、局部节点度值R和与其所有邻居节点的平均相对距离之和D，然后群首为自己及它的所有成员节点计算选择权值W，并选举具有最大选择权值的成员节点作为它的候选节点，并广播包含候选节点ID和所有节点的选择权值消息，使候选节点作为群首节点的备用存在，当原群首不能承担群首角色时迅速激活备用群首担当群首，减少更换群首过程中的信息交换，降低更换群首过程的能量开销。

对于更换群首以外的事件，本发明提供了一种先处理事件完成分群结构维护、后通过群首轮询获得更新后分群结构状态的技术方案。由于事件导致了分群结构变化，本发明及时调用相应程序进行事件处理，对发生变化的分群结构进行维护，既提高了分群结构的稳定性，又减少了分群结构重建次数。而对分群结构维护后，通过主动轮询又可以及时获得更新后分群结构的状态和信息，充分掌握群内各节点的状态，确保了节点担当群首的公平性。因此，本发明先处理事件后群首轮询的技术方案将分群结构的随时维护和及时轮询二者有机地结合在一起，进一步减少了分群维护过程中分群结构重建的次数，达到了均衡能量消耗、延长网络整体寿命的目的。

图4为本发明节点加入处理流程图，具体为：

步骤A1、新节点加入网络；

步骤A2、交替监听网络中的所有信道；

步骤A3、根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中。

当有节点加入到网络中时，它首先交替监听网络中的所有信道，基于监听结果，节点会选择加入到具有最大选择权值的群首所在的群中，成为该群的普通成员节点。

图5为本发明节点退出处理流程图，具体为：

步骤B1、退出节点向群首节点发送退网请求；

步骤B2、群首节点发送离开确认信息，在其成员列表中删除该退出节点；

步骤B3、退出节点收到所述离开确认信息后离开网络。

当有节点要退出网络时，它会向群首节点发送退网请求通知，群首节点会向该节点发送一个离开确认信息并且其从成员列表中删除该节点，在收到群首回复的确认信息后，该节点就可以正常离开网络。

图6为本发明群首相遇处理流程图，具体为：

步骤C1、两个群首相遇；

步骤C2、判断一个群首是否可以包含另一群首及其成员节点，是则执行步骤C3，否则执行步骤C4；

步骤C3、两个群合并；

步骤C4、分群结构保持不变。

当节点运动引起的网络拓扑变化使两个群首相遇时，如果一个群首及它的邻居节点所形成的集合能够包含另一个群首和它的普通成员节点，那么者两个群将会合并，能够覆盖原来的两个的所有普通成员节点的群首成为新群首，另一个群消失。其他情况下，分群结构保持不变。

图7为本发明节点脱离群首处理流程图，具体为：

步骤D1、一成员节点与其群首相距两跳或两跳以上；

步骤D2、该成员节点监听其他群所用信道；

步骤D3、判断是否存在群首与之相邻，是则执行步骤D4，否则返回执行步骤D2；

步骤D4、根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中；

步骤D5、向原群首发送加入新群消息；

步骤D6、原群首在其成员列表中删除该成员节点。

如果节点运动引起的网络拓扑变化使一个普通成员节点与它的群首相距两跳以上(包括两跳)，那么它会监听其他群所用的信道，如果该成员节点发现有群首与自己相邻(如存在相距一跳的新群首)，该节点会基于监听到的群首的选择权值选择加入到一个群。加入新群之后，该节点会通过原群中的相邻普通成员节点作为中继节点通知原群首，然后原群首将会将其从自己的成员列表中删除，成员节点脱离群首处理完毕。如果监听结果没有发现符合要求的群首存在，该节点会通过中继节点继续与原群首保持联系，并继续监听其他群所用的信道，直至发现符合要求的群首并加入到新群。

图8为本发明成员节点失效处理流程图，具体为：

步骤E1、群首在一段时间内未收到成员节点消息；

步骤E2、向成员节点发送询问消息；

步骤E3、判断是否收到返回的确认消息，收到时执行步骤E4，否则将询问计数值加1，执行步骤E5；

步骤E4、保持原分群结构不变；

步骤E5、判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤E6，否则返回执行步骤E2；

步骤E6、群首从成员列表删除该成员节点。

当节点运动引起的网络拓扑变化使有节点失效导致非正常状态下离开网络时，群首会在一段时间内收不到来自该节点的数据，或当群首向该节点发包后没有收到确认信息，群首会发送一个询问消息到该节点。如果该节点依然存在，它会发送确认信息给群首，节点失效处理完毕。否则，在尝试多次发送询问信息后群首依然没有收到回复的确认信息，则群首认为该节点已经消失，并将它从自己的成员列表中删除，节点失效处理完毕。

显然，本发明技术方案中的事件不限于上述内容，可以根据实际情况对事件进行定义。例如，在上述实施方案基础上，还可以包括候选节点监视群首状态的事件。

图9为本发明候选节点监视群首状态的流程图，候选节点定期接收群首广播的周期性消息，当一设定时间段内未收到消息时，执行下述操作：

步骤61、候选节点向群首发送询问消息；

步骤62、判断是否收到群首返回的确认消息，收到时返回执行步骤61，否则执行步骤63；

步骤63、候选节点判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤64，否则将询问计数值加1，返回执行步骤61；

步骤64、候选节点自动激活，发送成为新群首事件。

选节点作为群首节点的备用存在之后，候选节点通过检查是否收到群首节点广播的周期性消息，可以监视群首状态。当候选节点在一段时间内不能收到群首消息时，它会发送一个询问消息。如果群首还存在，它将会发送一个确认消息。当尝试一定次数后还是不能收到确认时，候选节点将会认为原群首已经消失，因此候选节点发送成为新群首事件，宣布成为新群首，广播群首消息。收到这个群首消息的节点如果不能和它的原群首通信，它们将会选择加入到新群中或者加入到其他相邻群中。该技术方案进一步确保了分群结构的稳定性，特别是当群首出现问题时，候选节点可以及时判断出群首是否存在，在高动态移动环境下从根本上有效保证分群结构的稳定。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种稳定节能分群维护方法，其中，包括：监测网络拓扑；判断探测到的事件是否是更换群首，是则更换群首操作，群首轮询群内成员节点并更新候选节点；否则根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护，群首轮询群内成员节点并更新候选节点；其中，所述群首轮询群内成员节点并更新候选节点中节点的选择权值为W_i＝w₁S_i+w₂P_i+w₃R_i+w₄D_i，

式中，i表示节点ID，W_i表示节点i的选择权值，S_i表示节点i相对于其邻居节点的相对移动性值，P_i表示节点i的相对剩余能量状况值，R_i表示节点i的局部节点度值，D_i表示节点i与其所有邻居节点的平均相对距离之和，系数w₁，w₂，w₃和w₄是相应参数的权重值，且∑w_i＝1。

2.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述更换群首操作具体为：群首激活群内候选节点；候选节点发送群首消息，宣布成为新群首；其他成员节点和原群首加入新群，形成新的分群结构。

3.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护包括节点加入处理，具体为：新节点加入网络；交替监听网络中的所有信道；根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中。

4.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护包括节点退出处理，具体为：退出节点向群首节点发送退网请求；群首节点发送离开确认信息，在其成员列表中删除该退出节点；退出节点收到所述离开确认信息后离开网络。

5.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护包括群首相遇处理，具体为：两个群首相遇，判断一个群首是否可以包含另一群首及其成员节点，是则两个群合并；否则分群结构保持不变。

6.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护包括成员节点脱离群首处理，具体为：一成员节点与其群首相距两跳或两跳以上；该成员节点监听其他群所用信道；判断是否存在群首与之相邻，是则根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中，向原群首发送加入新群消息，原群首在其成员列表中删除该成员节点；否则返回执行该成员节点监听其他群所用信道操作。

7.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述根据事件调用相应处理程序进行分群结构更新维护包括成员节点失效处理，具体为：群首在一段时间内未收到成员节点消息；重复向成员节点发送询问消息，当收到返回的确认消息时保持原分群结构不变，当未收到时群首从成员列表删除该成员节点。

8.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，所述群首轮询群内成员节点并更新候选节点具体为：群首轮询群内成员节点，计算成员节点的选择权值；选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点；公布候选节点ID和各成员节点选择权值。

9.如权利要求1所述的稳定节能分群维护方法，其中，还包括候选节点监视群首状态的操作，候选节点定期接收群首广播的周期性消息，当一设定时间段内未收到消息时，候选节点向群首发送询问消息，判断是否收到群首返回的确认消息，收到时返回执行候选节点向群首发送询问消息操作，否则判断询问计数值是否超过询问计数阈值，超过时候选节点自动激活，发送成为新群首事件。

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