CN101437304B - 功率异类点Ad Hoc网络的一种松散虚拟分簇方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率异类点Ad Hoc网络下的虚拟分簇方法。本发明中并不是所有的节点都参与分簇过程，而是在节点间建立了一种松散的耦合关系，只有在B节点通信范围下的G节点才参与簇的形成过程，避免了在B节点密度稀疏的情况下，建立、维护簇引入较大的控制负载，使得分簇算法对于网络中的B节点具有较好的密度自适应性。同时结合分簇过程实现了网络信息的局部化，为节点建立了局部的拓扑图可以使用于各种决策算法。本发明可以有效地实现了功率异类点Ad Hoc网络的层次化，并具有低负载、密度自适应的特性。

Description

功率异类点Ad Hoc网络的一种松散虚拟分簇方法
技术领域
本发明应用于功率异类点无线移动自组织网络(Ad Hoc网络)，特别涉及功率异类点Ad Hoc网络的分簇方法。
背景技术
功率异类点Ad Hoc网络是指由不同功率的节点组成的Ad Hoc网络。在功率异类点Ad Hoc网络下通过分簇技术实现网络的层次化是提高网络可扩展性的有效手段之一。通过将网络中的节点划分为多个子集(簇)，在每个子集中选出一个簇首(Cluster Head)，构成高一层次的虚拟骨干网，实现网络的层次化(当然分层结构也可具有多级)。然后通过一些特殊节点(簇首，网关)的协调实现节点间的通信。基于簇的分层技术能够有效地提高路由协议的可扩展性。首先，通过一些特殊节点(比如簇首、网关)的有效协调能够节约大量有限的资源；其次，由簇首、网关构成的虚拟骨干网，能将路由信息的产生和散布限制在某个区域中，实现全网络信息的局部化，有效减少了维护全网信息所需的大量信息交互负载；第三，对于一个移动终端来说，分簇结构使得Ad Hoc网络显得更小、更稳定。当一个节点改变自己所从属的簇时，只需要在相应的簇内更新信息，不需要全网信息的更新，使得每个移动节点的处理和存储量大量地减小。因此，分簇技术能够有效的提高网络的可扩展性。
分簇技术在同类点Ad Hoc网络下，由于网络中的节点具有相同的性能，无法满足骨干网中节点在无线带宽、处理能力、能量等方面的高级需求。也就是说即使形成分层的网络结构，也会由于骨干网在性能方面的瓶颈限制网络的可扩展性。而功率异类点下的大功率节点在形成骨干网方面具有天然的优势，保证了骨干网的高效、可靠。但在所有分簇方法的研究重点都放在对簇首选择算法、簇的动态维护算法等的研究，重点是目前的分簇技术中使得网络中所有的节点都参与分簇了过程，我们称节点间的这种关系为一种强耦合关系。事实上，在无线Ad Hoc网络下由于节点的移动性并不是所有节点都适合形成簇，甚至有些节点参与分簇带来的负面影响远远大于其带来的好处，尤其在负载方面。
发明内容
本发明的目的在于解决以往分簇机制中由于所有节点都参与分簇而引起的负面影响，为功率异类点Ad Hoc网络提供一种有效的虚拟分簇方法，实现网络的分层结构，进而提高网络的可扩展性。本发明中提出了一种松散、自适应、低负载的分簇机制，称之为松散虚拟分簇(Loose Virtual Clustering，LVC)。
本发明的技术方案是这样实现的：包括以下步骤：
Step1.网络中的节点根据节点发射功率的不同分为两类：一类传输半径大的节点称为主节点，简称B节点；另一类普通节点称为G节点，根据与B节点之间的拓扑关系将G节点划分为三类，分别是：Gisolated、Gmember、Ggateway。其中Gisolated是不在任何B节点的通信半径内的G节点，Gmember是所有双向邻居都在自己簇首的覆盖范围内的G节点，Ggateway是双向邻居中存在不在自己簇首覆盖范围内的节点的G节点；
Step2.通过周期性的交换包含感知邻居信息的双向邻居发现包BND，为每个节点建立感知邻居表和双向邻居表；
Step3.选择高性能的B节点为簇首，G节点与簇首之间形成一种松散的耦合关系，也就是说G节点不需要强制建立与B节点间簇的关系，只有处于Gmember与Ggateway状态的节点才选择簇首，参与簇的形成过程，而不在任何B节点覆盖范围内的Gisolated不参加簇的建立过程；
Step4.在形成、维护虚拟簇的过程中，通过有关的控制包的交换，为簇首和簇成员建立包含局部拓扑信息的LAI表，其中还可包含位置、能量、负载其它各种网络信息。
所述的建立感知邻居表和双向邻居表，包括以下步骤：
Step1：每个节点广播一个只包含节点自己ID的双向邻居发现包BND；
Step2：发送完双向邻居发现包BND以后，等待用来接收来自其它节点的BND包，并根据接收到的BND包的发送者形成感知邻居表AN，AN表保存能够接收到的所有感知邻居的ID；
Step3：建立感知邻居表AN后再一次广播双向邻居发现包BND，其中包含节点自己ID外还包括感知邻居表AN中所有感知邻居节点的ID信息；
Step4：接收到双向邻居发现包BND的节点，查到该包中携带的感知邻居信息，如果自己ID也在其中，则认为当前节点与BND包的发送者之间存在一条双向链路，得到一个双向邻居，最终形成双向邻居BN表。
所述的簇首和簇成员建立包含局部拓扑信息的LAI表，包括以下步骤：
Step1：每个G节点通过限制洪泛的方式，将洪泛限制在TTL的跳数范围内，向感知邻居表AN中的多个B节点发送包含自己双向邻居信息的G节点LVC初始化包GLI；
Step2：每个接收到GLI包的B节点学其中携带的双向邻居信息建立LAI然后在一跳范围内广播B节点LVC初始化包BLI，将自己建立的局部拓扑信息local_topo_info发送给自己覆盖范围下的所有G节点；
Step3：G节点接收来自B节点广播的BLI包，并根据接收到的BLI包中的local_topo_info建立LAI；
Step4：G节点结合LAI选择路由跳数最小的B节点为簇首，并判断G节点状态，并删除LAI中的拓扑信息。然后每个节点根据状态作相应的处理：
Figure G2008102327050D00041
Gmember、Ggateway节点：多播簇成员注册包CMR分别到新、旧簇首，因为这里是初始化所以只有新的簇首，该包中的信息类似于GLI包，主要包含自己双向邻居信息bidirecetional_neighbor_info；
Figure G2008102327050D00042
Gisolated节点：Gisolated接收不到BLI包，没有簇首，因此Gisolated节点不做任何处理；
Step5：每个簇首B节点接受到来自成员的CMR，建立新的关于簇成员的LAI，然后在一跳范围内广播簇首声明包CHD，将自己簇成员的拓扑信息local_topo_info通知给覆盖范围内的所有G节点；
Step6：当G节点接受到来自B节点的簇首声明包CHD以后，并根据local_topo_info建立自己的LAI，而B节点对于接受到的簇首声明包CHD不处理。
本发明在功率异类点Ad Hoc网络下实现了网络的分层结构，这种虚拟分簇机制具有负载低、自适应性的特性。同时，通过在路由协议中使用LVC的分簇方法，有效提高了路由协议的性能，尤其在可扩展方面。
附图说明
图1示一个G节点维护的AN和BN表节点所在区域图。
图2分别显示了本发明中B节点和G节点维护的LAI表中节点的分布区域图。
(a)表示B节点LAI表中节点的分布区域图；
(b)表示G节点LAI表中节点的分布区域图；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，表示G节点gi的感知邻居AN和双向邻居BN节点的分布。其中以gi为圆心，RB为半径的圆内的所有B节点以及图中的阴影区域中的节点为gi的AN表中的节点，而图中阴影的圆形区域为G节点gi的BN表中节点的分布区域。
参照图2所示，Rcluster(0＜Rcluster≤RB)表示以B节点为簇首的簇的半径，其中分别显示了B节点和G节点维护的LAI表中节点的分布，其中图(a)表示B节点X维护的LAI，它是有关该B节点所有成员及这些成员双向邻居的拓扑信息。图(b)中显示的是G节点Y所维护的LAI，该拓扑信息通过收集来自G节点RB范围内的B节点发送的拓扑信息形成。
本发明将使用LVC机制的Ad Hoc网络中的节点根据节点发射功率的不同分为两类：一类传输半径大的节点称为主节点(简称B节点)；另一类普通节点称为G节点。并且B节点数量远远小于G节点。
将网络中的G节点划分为三类：Gisolated、Gmember、Ggataway。并定义如下：
Figure G2008102327050D00051
Gisolated：不在任何B节点的通信半径内的G节点。
Figure G2008102327050D00061
Gmember：所有双向邻居都在自己簇首的覆盖范围内的G节点。
Ggataway：双向邻居中存在不在自己簇首覆盖范围内的节点的G节点。
选择高性能的B节点为簇首，G节点与簇首之间形成一种松散的耦合关系，也就是说G节点不需要强制建立与B节点间簇的关系，只有在B节点通信范围下的G节点才参与簇的形成过程。LVC中只有处于Gmember与Ggataway状态的节点参与簇的形成过程，而不在任何B节点覆盖范围内的Gisolated不参加簇的建立过程。
簇首B节点在形成、维护虚拟簇的过程中，通过与形成、维护簇有关的控制包的交换，为簇首和簇成员建立了局部感知信息(Local AwareInformation，LAI)表，主要包含拓扑信息，另外还可包含位置、能量、负载等各种网络信息，从而实现了网络局部信息的感知，有利于其他网络决策算法的最优化。
在LVC机制的维护过程中，只有节点与周围节点的链路状态发生变化(链路的建立或者消失)才按需的进行维护。而这些变化是通过节点周期性发送的BND包来检测的，当节点通过周期性发送的检测包检测到节点链路发生变化时激活相应的维护算法，更新节点维护的LAI、节点状态、簇首等相关信息。
本发明具体的实施过程包主要括LVC初始化、LVC建立和LVC维护三个方面，下面主要通过在LAI中建立局部拓扑来详细描述LVC实施过程的具体方法：
1).LVC的初始化准备过程
Step1：每个节点广播一个双向邻居发现(Bidirectional NeighborDiscovery，BND)包，通知周围节点自己的类型或者状态(在网络第一步初始化时G节点无法获得所有感知邻居及自己的状态信息，因此BND包只包含节点自己的类型。但是随着网络初始化的继续便可获得节点感知邻居及自己的状态信息，并通过BND包周期性通知邻居节点)。
Step2：发送完BND以后，每个节点等待一段时间用来接收来自其它节点的BND包，并根据接收到的BND包的发送者形成感知邻居AN(AwareNeighbor)表，AN表保存所有感知邻居的ID和状态信息。
Step3：等待建立AN后每个节点再一次广播BND包，除了包含节点自己类型信息以外还包括AN表中所有感知邻居的ID及类型信息aware_neighbor_info。
Step4：接收到BND包的节点，在aware_neighbor_info中查找自己的ID，如果找到则认为当前节点与BND的发送者之间存在一条双向链路，得到一个双向邻居，最终形成双向邻居BN表，BN表保存了所有双向邻居节点ID。
2).LVC的建立
Step1：每个G节点通过限制洪泛的方式(将洪泛限制在TTL的跳数范围内)向AN表中的多个B节点发送包含自己双向邻居信息(bidirecetional_neighbor_info)的G节点LVC初始化(G_node LvcInitialization，GLI)包。
GLI包LF的规则为：G节点第一次接受到GLI包以后，如果TTL字段不为0则继续广播，否则丢弃；B节点接收到GLI包后不再继续洪泛，并学习GLI包中的bidirecetional_neighbor_info建立LAI。
Step2：每个B节点等待用来收集GLI发送的双向邻居信息bidirecetional_neighbor_info建立LAI然后在一跳范围内广播B节点LVC初始化(B_node Lvc Initialization，BLI)包，将自己局部拓扑信息(local_topo_info)发送给自己覆盖范围下的所有G节点。然后B节点删除LAI中的拓扑信息，因为形成该拓扑信息主要目的是G节点选择自己的簇首、判断节点状态。
Step3：G节点发送完GLI包后等待用于接收来自B节点广播的BLI包，并根据接收到的BLI包中的local_topo_info建立LAI。
Step4：G节点结合LAI选择路由跳数最小的B节点为簇首，并判断G节点状态得到自己的簇首及状态。然后每个节点根据状态作相应的处理：
Figure G2008102327050D00081
Gmember、Ggateway节点：多播簇成员注册(Cluster Member Register，CMR)包分别到新旧簇首(因为这里是初始化所以只有新的簇首)。该包中的信息类似于GLI包，主要包含自己双向邻居信息(bidirecetional_neighbor_info)。CMR包到新簇首的路由可以结合LAI使用最短路径算法得到。
Figure G2008102327050D00082
Gisolated节点：Gisolated接收不到BLI包，没有簇首，因此Gisolated节点不做任何处理。
类似于step2，G节点执行完簇首选择和节点状态判断算法也删除LAI中的信息。
Step5：每个簇首B节点等待接受到来自成员的CMR，建立新的关于簇成员的LAI。然后在一跳范围内广播簇首声明(Cluster Head Declare，CHD)包，将自己簇成员的拓扑信息local_topo_info通知给覆盖范围内的所有G节点。
Step6：当G节点接受到来自B节点的CHD包以后，并根据local_topo_info建立自己的LAI。而B节点对于接受到来自其他B节点的CHD不处理。
通过上面5步就完成了LVC的初始化，建立了一种松散的虚拟分簇结构，实现了功率异类点Ad Hoc网络的层次化，同时每个节点也得到了一个局部感知拓扑LAI。
3).LVC的维护
在LVC的维护中，只有节点与周围节点的链路状态发生变化(链路的建立或者消失)才按需的进行维护。而这些变化是通过节点周期性发送的BND包来检测的，当节点ni通过BND包检测到以下任意一种事件发生时激活维护算法：
Figure G2008102327050D00091
对于AN表中的节点，如果在一定时间门限Tthreshold内没有接收到来自节点nj的BND包，则认为nj移出当前节点的通信范围。
Figure G2008102327050D00092
接收到一个不存在于AN表中的新节点nj发送的BND包。
G node Maintenance Arithmetic：
step1：ni更新状态、AN、BN表；
step2：
如果nj＝CH(ni)即ni的簇首发生变化。首先根据LAI得到旧簇首nj的路由，然后删除LAI中nj及其成员的拓扑信息，接着根据簇首选择算法选择新的簇首(节点状态更新为Gisolated时例外)，最后多播发送CMR包，向新簇首注册同时通知旧的簇首nj从LAI中删除节点ni的双向邻居信息。
如果T(nj)＝B且nj≠CH(ni)即发生链路变化的节点为其他B节点时，则更新LAI表中该B节点所有成员有关的拓扑信息。
如果BN表发生变化，则Gmember和Ggateway向簇首发送包含自己双向邻居信息bidirectional_neighbor_info的双向邻居更新(BidirectionalNeighbor Update，BNU)包。
step3：当B节点接收到CMR包以后更新LAI，然后广播CHD；接收到BUN包以后更新LAI，然后转发广播BNU包。更新覆盖范围下所有G节点的LAI。
B node Maintenance Arithmetic：
step1：ni更新AN、BN以及LAI表信息；
step2：如果BN表发生变化，则发送BNU包更新覆盖范围下所有G节点的LAI。

Claims (2)

1.功率异类点Ad Hoc网络的一种松散虚拟分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1.网络中的节点根据节点发射功率的不同分为两类：一类传输半径大的节点称为主节点，简称B节点；另一类普通节点称为G节点，根据与B节点之间的拓扑关系将G节点划分为三类，分别是：Gisolated、Gmember、Ggateway；其中Gisolated是不在任何B节点的通信半径内的G节点，Gmember是所有双向邻居都在自己簇首的覆盖范围内的G节点，Ggateway是双向邻居中存在不在自己簇首覆盖范围内的节点的G节点；
Step2.通过周期性的交换包含感知邻居信息的双向邻居发现包BND，为每个节点建立感知邻居表和双向邻居表；
Step3.选择高性能的B节点为簇首，G节点与簇首之间形成一种松散的耦合关系，也就是说G节点不需要强制建立与B节点间簇的关系，只有处于Gmember与Ggateway状态的节点才选择簇首，参与簇的形成过程，而不在任何B节点覆盖范围内的Gisolated不参加簇的建立过程；
Step4.在形成、维护虚拟簇的过程中，通过有关的控制包的交换，为簇首和簇成员建立包含局部拓扑信息的LAI表，其中还包含位置、能量、负载及其它各种网络信息，LAI为局部感知信息；
Step5：每个G节点通过限制洪泛的方式，将洪泛限制在TTL的跳数范围内，向感知邻居表AN中的多个B节点发送包含自己双向邻居信息的G节点LVC初始化包GLI，LVC为松散虚拟分簇；
Step6：每个接收到GLI包的B节点学习其中携带的双向邻居信息建立 LAI，然后在一跳范围内广播包含局部拓扑信息local_topo_info的B节点LVC初始化包BLI；
Step7：G节点接收来自B节点广播的BLI包，并根据接收到的BLI包中的local_topo_info建立LAI；
Step8：G节点结合LAI选择路由跳数最小的B节点为簇首，并判断G节点状态，并删除LAI中的拓扑信息，然后每个节点根据状态作相应的处理：
Figure FSB00000304510300021
Gmember、Ggateway节点：Gmember、Ggateway节点基于多播技术发送簇成员注册包CMR分别到新、旧簇首，该包中的信息类似于GLI包，主要包含自己双向邻居信息bidirecetional_neighbor_info； 
Figure FSB00000304510300022
Gisolated节点：Gisolated接收不到BLI包，没有簇首，因此Gisolated节点不做任何处理；
Step9：每个簇首B节点接收到来自成员的CMR，建立新的关于簇成员的LAI，然后在一跳范围内广播簇首声明包CHD，将自己簇成员的拓扑信息local_topo_info通知给覆盖范围内的所有G节点；
Step10：当G节点接收到来自B节点的簇首声明包CHD以后，并根据local_topo_info建立自己的LAI，而B节点对于接收到的簇首声明包CHD不处理。
2.根据权利要求1所述的功率异类点Ad Hoc网络的一种松散虚拟分簇方法，其特征在于，建立感知邻居表和双向邻居表，包括以下步骤：
Step1：每个节点广播一个只包含节点自己ID的双向邻居发现包BND；
Step2：发送完双向邻居发现包BND以后，等待用来接收来自其它节点的BND包，并根据接收到的BND包的发送者形成感知邻居表AN，AN表 保存能够接收到的所有感知邻居的ID；
Step3：建立感知邻居表AN后再一次广播双向邻居发现包BND，其中包含节点自己ID外还包括感知邻居表AN中所有感知邻居节点的ID信息；
Step4：接收到双向邻居发现包BND的节点，查到该包中携带的感知邻居信息，如果自己ID也在其中，则认为当前节点与BND包的发送者之间存在一条双向链路，得到一个双向邻居，最终形成双向邻居BN表。 
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