CN103369578B - 无线自组织网络环境下的群组生成与维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组织网络环境下的移动节点群组的生成方法，其特征在于所述无线自组织网络中每个移动节点按照有限状态机数学模型配置自身节点的状态，所述方法包括以下步骤：（1）移动节点启动后定时广播自己的状态消息到网关，直至收到来自无线自组织网络内某一网关的回复消息后，将自身状态转换为未加入群组状态，并广播自身权重信息的消息；（2）处于未加入群组状态的移动节点侦测到周围群首节点的邀请加入消息加入群首节点的移动节点群组，并将自身状态转换为加入群组，但非群首节点状态；（3）处于未加入群组状态的移动节点侦测到周围没有可加入的移动节点群组，移动节点则将自身状态转换为群首节点，组建一个新的移动节点群组，并广播邀请加入消息。该方法中节点可以在启动后较短的时间内加入群组或者成为群首，极大的降低网关的通信负荷，在大规模无线自组织网络环境下具有很广的应用前景。

Description

无线自组织网络环境下的群组生成与维护方法

技术领域

本发明属于无线自组织网络技术领域，具体涉及一种基于群移动性的适用于无线自组网环境的群组生成与维护方法。

背景技术

群移动性(Group Mobility,GM)是指在多移动终端场景(比如军事训练、火灾抢险、地震、公交系统等)下，一定数量的移动节点在某一段时间内具有相同或相似的运动趋势，在这种情况下将这些节点组织成为一个移动群，整个群的移动称为群移动性。通过群首节点对群内节点进行管理，可以有效地减少发送的数据包数，降低的数据的传输延迟。

在多终端环境下使用群移动性技术对终端进行管理具有以下优点：(1)反映网络的真实特性。群组移动模型更能反映现实世界中大规模实体之间的运动联系。(2)可扩展性强。平面结构的网络比较简单，但规模受限并且可扩展性差，这是因为每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，而维护这些路由信息需要大量的控制消息。在分群结构的网络中不需要维护复杂的路由信息，这就大大的减少了网络中路由控制消息的数量，因此具有很好的扩展性。(3)资源利用率高。采用分群结构有利于进行路由选择和多播的扩展性、网络管理、功率控制、在群内实现码分、信道接入的有效控制、支持虚电路、带宽分配等。

随着下一代移动网络(Next Generation Mobile Network,NGMN)的发展，各种类型的终端如手机、GPS导航仪等在用户中逐渐普及，越来越多的用户需要在移动的过程中享受手持终端提供的各种服务，这种情况下就会对终端的网络接入点如WiMAX基站、AP等设备的性能提出很高的要求。另外，在现实中的一些场景，尤其是在公共交通系统场景中，多终端在某时间段内可能会有着相同的运动趋势；在这种群移动场景下，可以考虑将这些移动节点组建成一个群，群在移动过程中构成一个移动的网络。通过选举群内的节点作为群首，对群内的通信终端进行管理，从而减轻网络接入点的负载。

在已有的一些对群组的生成与维护方法比如GSD(Group-based ServiceDiscovery Protocl，参见D.Chakraborty,A.Joshi,and T.Finin.GSD:a novel groupbased service discovery protocol for MANETs.In Proc.Of IEEE MWCN,2002)中，一般是通过最大连接度、最小ID进行群首的选择以及群组的划分，这种分群方法不考虑节点自身的状态信息，用一种完全随机的方法建立以及维护群组，在某些情况下可能会随机选取了能量即将耗尽的节点作为群首，或者节点选择了距离自己非常远的群组进行加入，严重影响了节点之间的能量均衡以及群组的稳定性。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种无线自组织网络环境下的移动节点群组的生成方法，解决了现有技术中现有的移动节点群构建方法造成节点之间的能量均衡以及群组的稳定性问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种无线自组织网络环境下的移动节点群组的生成方法，其特征在于所述无线自组织网络中每个移动节点按照有限状态机数学模型配置自身节点的状态，所述方法包括以下步骤：

(1)移动节点启动后定时广播自己的状态消息到网关，直至收到来自无线自组织网络内某一网关的回复消息后，将自身状态转换为未加入群组状态，并广播自身权重信息的消息；

(2)处于未加入群组状态的移动节点侦测到周围群首节点的邀请加入消息加入群首节点的移动节点群组，并将自身状态转换为加入群组，但非群首节点状态；

(3)处于未加入群组状态的移动节点侦测到周围没有可加入的移动节点群组，移动节点则将自身状态转换为群首节点，组建一个新的移动节点群组，并广播邀请加入消息。

优选的，所述方法中处于未加入群组状态的移动节点的侦测是在计时周期内进行的。

优选的，所述方法步骤(3)中当计时周期内处于未加入群组状态的移动节点侦测到周围没有可加入的移动节点群组，也没有接收到其他节点广播自身权重信息的消息时，直接将自身状态转换为群首节点，并广播邀请加入消息。

优选的，所述方法步骤(3)中当计时周期内处于未加入群组状态的移动节点侦测到周围没有可加入的移动节点群组，但接收到其他节点广播自身权重信息的消息时，将其他节点广播自身权重信息的消息中最大的weight值与自身节点weight值进行比较，当自身节点weight值大于其他节点的节点广播自身权重信息的消息中最大的weight值时，将自身状态转换为群首节点，并广播邀请加入消息；否则维持自身状态，在下一计时周期内按照步骤(2)～步骤(3)继续进行。

所述方法中当处于未加入群组状态的移动节点的自身节点weight值小于其他节点的节点广播自身权重信息的消息中最大的weight值时，广播通知权重信息的消息中最大的weight值的某节点为此次选举的胜利者的消息。

优选的，所述方法中当处于未加入群组状态的移动节点收到权重信息的消息中最大的weight值的某节点为此次选举的胜利者的消息时，将自身状态转换为群首节点，并广播邀请加入消息。

优选的，所述方法中当计时周期内处于未加入群组状态的移动节点侦测到其他节点的广播自身状态的消息时，将维持自身状态，并回送自身权重信息的消息。

优选的，所述方法步骤(2)中当计时周期内处于未加入群组状态的移动节点接收到周围群首节点的邀请加入消息时，将自身状态转换为加入群组，但非群首节点状态，并回送邀请加入消息的反馈消息。

本发明技术方案提供了一种适用于无线自组织网络环境下的群组生成与维护方法。通过对节点的状态建立状态机，保证在群组的生成与维护过程中不会因为不可靠的通信信道对节点的状态造成不可恢复的影响，使节点在定长的时间间隔内通过定时发送数条消息完成群组的建立。在群组建立以后，群首需要负责维护群组并协调群内节点与外部节点的通信，通过这种方法避免了所有节点与网关直接通信，降低网关的负荷，在包含大规模无线终端的场景下，本发明可以通过分群以及稳定的群结构，降低终端管理的开销。

本发明技术方案中对每个终端节点引入状态机，群首节点对群内节点进行管理，网关只需对群首节点以及未加群的节点进行管理，使系统稳定可靠的运行。在群组生成与维护过程中，可以将节点划分为两大类：游离节点和群组节点。游离节点的状态分为：寻找网关(状态0)和未加入群(状态1)；群组节点的状态分为普通节点(状态2)以及群首节点(状态3)。终端启动之后进入状态0，此时的节点定时广播自己的状态消息到网关，直至收到来自某一网关的回复消息后进入状态1。处于状态1的节点在收到周围群首节点的邀请加入消息可以转变为状态2；若节点侦测到周围没有可加入的群组，节点转换为状态3成为群首组建一个新的群组。

适用于无线自组织网络环境下的群组生成系统具体包括以下几个模块：

(1)状态上报模块：每个节点在启动寻找到网关之后向网关报告自身状态；群首节点在检测到群内的节点状态发生变化时定时向网关报告。

(2)多群首选择模块：处于状态1的节点若检测到周围有多个群首，通过多群首选择模块选择特定的群首加入。多群首选择模块为周围的每个群首节点计算一个权值，然后加入到特定大小权值的群首(一般选择权值最大或最小的群首)所在的群。权值的确定方式有多种，比如选择周围节点中信号强度最大的节点作为群首，一般我们认为所有的节点以相同的功率工作，在无障碍物的情况下信号强度越大说明节点之间的距离越小；或者选择具有最大能量的节点作为群首，这样可以使节点之间的能量达到有效地均衡。在本发明中，当节点周围有多个群存在的情况下，先计算出所有可选群首节点的平局能量，然后选择高于平均能量的节点中信号强度最高的节点作为群首。

(3)信息采集模块：处于非0状态的节点在收到其它节点的请求特定服务消息(比如：收集周围的亮度信息)后，启动信息采集过程并通过状态上报模块回送结果到请求节点。信息采集过程通过与通信节点连接的传感节点获得。

(4)群组维护模块：处于状态3的节点通过群组维护模块对群内的节点进行维护。包括处理节点的加入、退出、离开事件，路由消息的转发，群组解散等。

群首节点要对加入其的所有群内普通节点进行管理，包括：判断群内节点是否丢失、处理其他节点的加入本群的请求、协调群内节点之间以及群内节点与其他群内的节点之间的通信、当群内节点少于指定的数目同时周围有可加入的群组时则解散本群组等。本发明提出的方法可以在无线自组织的不可靠的网络传输环境下提供稳定可靠的群组生成与维护机制，节点可以在启动后较短的时间内加入群组或者成为群首，极大的降低网关的通信负荷，在大规模无线自组织网络环境下具有很广的应用前景。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明技术方案充分考虑了能量均衡。由于群首节点负责整个群组的维护，其所消耗的能量相对于群内的普通节点也会相对提高。在本发明技术方案中，初始能量越高的节点成为群首节点的可能性越大，这样可以对节点的能量消耗速度进行均衡，使能量较少的节点成为群内的普通节点，延长节点的生命期。

技术方案可扩展性强。不同的群首选举规则组建成的群的结构可能是完全不同的。采用不同的节点权重值的计算方法，通过每个节点的权重值作为依据来组建群组，可以满足不同环境下对群组的需求。

技术方案群组的稳定性强。当节点周围有多个群组可供选择加入时，节点根据信号强度来选择加入哪个群组。在一般情况下节点的信号强度可以作为两节点距离的一个表征量。在没有GPS位置信息的情况下，节点通过这种方法来近似估计各个群首与本节点的相对位置选择距离最近的群组加入，在移动场景下这种方法可以延长本节点在群组中的生存时间，提高了群组的稳定性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为终端节点状态转换图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

在无线自组织网络环境下，节点之间通过射频的方式通信时，通常有以下几点约束：

(1)所有的消息均为广播消息，消息可以指定目的节点，但是除了目的节点以外的其它节点也会收到这条消息。但是非目的节点收到此消息后会立即丢弃，不会交由上层处理。

(2)节点之间的通信信道是不可靠的。也就是说节点A发送了一条消息到节点B之后，这条消息并不一定会被B收到。

(3)节点发送消息采用的是分时的方式。在一条消息A发送过程中如果节点又产生了一条需要发送的消息B，则消息B会被直接丢弃。

(4)如果同时有两条或以上的消息发送到一个节点，则两条消息只能收到先到达的那一条。

正是由于节点之间通信信道的不可靠因素，为群组的生成和维护带来了很大的困难。为了尽量减小不可靠的信道对群组生成及维护过程带来的影响，本实施例采用了有限状态机的思想，对节点进行状态划分。本发明的使用场景为在一个网关的覆盖范围下有许多终端节点，通过本发明提供的方法对终端节点进行分群以降低网关的通信以及计算负载。

节点的状态转换如图1所示，具体的群组生成及维护过程具体如下：

1、节点启动后，计算自身的权重值(当前电量值)后进入状态0，开始寻找网关。

2、寻找到网关后进入状态1，发送注册消息CTM_Reg，一定时间间隔内(5秒)若未收到网关回送的GWM_RegACK消息，则重复本规则直到发现网关。

3、处于状态1的节点，若收到GWM_InitGroup消息则向周围的节点广播CTM_Info消息。5秒后将本节点收到的其他节点发送的CTM_Info消息中包含的weight的最大值与本节点相比较，若本节点的weight值最大则进入状态3并广播CTM_InviteJoin消息。若收到其它节点发送的CTM_ReInfo消息，则回送单播CTM_Info消息。

4、处于状态1的节点广播探测消息CTM_Detect消息。并用t1＝5秒钟的时间等待其它节点的回复：

4.1若在此t1＝5秒钟内没有收到CTM_isHead消息，则广播一条群首选举消息CTM_HeadElectInfo，再等待t2＝5秒钟：

4.11如果在此t2＝5秒钟时间内，没有收到任何节点的CTM_HeadElectInfo_Feedback消息，说明周围未加入群组的节点中，没有权重值大于本节点的，则新建群并且本节点成为此新建群的群首节点，然后向周围节点广播CTM_InviteJoin消息。在收到对CTM_InviteJoin消息的反馈CTM_InviteJoin_Feedback消息后，将发送反馈消息的节点加入群内终端节点列表。

4.12如果在此t2＝5秒钟时间内，收到了一条或者多条CTM_HeadElectInfo_Feedback消息，将收到消息中包含的weight信息进行比较，并向具有最大weight值的节点发送CTM_ElectHeadWinner消息，请求此节点成为群首节点。

4.2若在此5秒钟时间内只收到了一条某节点发送的CTM_isHead，说明本节点周围有且只有一个群首，此时，本节点发送CTM_RequestJoinGroup消息，请求加入此群。

4.3若在此5秒时间内收到了多条CTM_isHead消息，先计算出所有可选群首节点的平局能量，然后选择高于平均能量的节点中信号强度最高的节点作为群首。向其发送CTM_RequestJoinGroup消息，加入此群。

5、在收到探测消息CTM_Detect后：

5.1若节点处于状态3，则发送CTM_isHead消息到发送探测消息的节点；

5.2若节点当前非状态3，对此消息不作回应，直接将其丢弃。

6、若节点状态为2或3，在收到CTM_HeadElectInfo消息后直接丢弃之，不作任何处理。

7、若节点为状态1，在收到CTM_HeadElectInfo消息后将此消息中含有的发送节点的weight信息与本节点相比较，如果本节点的weight值较其小，则将此消息丢弃；如果本节点的weight值更大，则回送CTM_HeadElectInfo_Feedback消息到发送节点。

8、若节点处于状态1且收到一条或多条CTM_InviteJoin消息，则选择消息RSSI值最大的节点回送CTM_ConfirmJoin消息。对其它节点发送的CTM_InviteJoin消息不作回复。

9、若本节点处于状态1且收到CTM_ElectHeadWinner消息，则本节点成为新建群的群首节点，并广播CTM_InviteJoin消息，在收到对CTM_InviteJoin消息的反馈CTM_InviteJoin_Feedback消息后，将发送反馈消息的节点加入群内终端节点列表。

10、若本节点为状态3，则需要：

10.1定时广播CTM_Beacon消息。

10.2通过群内节点对CTM_Beacon消息的回复情况判断节点时候离开，维护群内终端列表。若有节点连续三次未对CTM_Beacon消息进行回复，则发送CTM_NodeLeave消息报告网关此节点丢失，同时将此节点从群内终端列表中删除。

10.3定时将维护终端列表封装成消息CTM_TerminlList发送至网关，以此种方式报告终端的位置信息。

10.4在与网关的连接断开以后，进入状态1。

11、若本节点为状态2，收到CTM_Beacon消息后回送CTM_BeaconACK消息。

12、若本节点未状态1，则需要定时报告网关本节点处于状态1。

上述群组生成与维护规则中出现的消息类型如下表：

消息发送方	Crossbow终端	网关
			消息命名	CTM_	GWM_
消息标识符	0x10～0x2F	0x30～0x3F

消息格式定义如下表：

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无线自组织网络环境下的移动节点群组的生成方法，其特征在于所述无线自组织网络中每个移动节点按照有限状态机数学模型配置自身节点的状态，包括状态0即寻找网关、状态1即未加入群、状态2即普通节点以及状态3即群首节点，所述方法包括以下步骤：

1、节点启动后，计算自身的当前电量值后进入状态0；

2、寻找到网关后进入状态1，发送注册消息，一定时间间隔内若未收到网关回送消息，则重复本规则直到发现网关；

3、处于状态1的节点，若收到组群消息则向周围的节点广播自身权重消息，将在一定时间内收到的其他节点发送的自身权重消息中包含的权重值的最大值与本节点比较，若本节点的权重值最大则进入状态3并广播邀请加入消息，若收到其它节点发送的自身状态消息，则回送单播自身权重消息；

4、处于状态1的节点广播探测消息，并在一定时间等待其它节点的回复：

4.1若在步骤4中的一定时间内没有收到群首节点的回复消息，则广播一条群首选举消息，再等待另一一定时间t：

4.11如果在此t时间内，没有收到任何节点的群首选举反馈消息，则新建群并将本节点作为此新建群的群首节点，然后向周围节点广播邀请加入消息，在收到对邀请加入消息的反馈消息后，将发送反馈消息的节点加入群内终端节点列表；

4.12如果在此t时间内，收到了一条或者多条群首选举反馈消息，将收到消息中包含的权重值进行比较，并向具有最大权重值的节点发送选举胜利消息，请求此节点成为群首节点；

4.2若在步骤4中的一定时间内只收到了一条某节点发送的群首回复消息，本节点发送请求加入群消息；

4.3若在步骤4中的一定时间内收到了多条群首回复消息，先计算出所有可选群首节点的平均能量，然后选择高于平均能量的节点中信号强度最高的节点作为群首，向其发送请求加入群消息；

5、在收到探测消息后：

5.1若节点处于状态3，则发送群首回复消息到发送探测消息的节点；

5.2若节点当前非状态3，对此消息不作回应，直接将其丢弃；

6、若节点状态为2或3，在收到群首选举消息后直接丢弃，不作处理；

7、若节点为状态1，在收到群首选举消息后将此消息中含有的发送节点的权重值与本节点比较，如果本节点的权重值较其小，则将此消息丢弃；如果本节点的权重值更大，则回送群首选举反馈消息到发送节点；

8、若节点处于状态1且收到一条或多条邀请加入群组消息，则选择邀请加入群组消息中RSSI值最大的节点发送请求加入此节点消息的确认消息，对其它节点发送的邀请加入群组消息不作回复；

9、若本节点处于状态1且收到群首选举胜利消息，则本节点成为新建群的群首节点，并广播邀请加入群组消息，在收到对邀请加入群组消息的反馈消息后，将发送反馈消息的节点加入群内终端节点列表；

10、若本节点为状态3，则对加入其的所有群内普通节点进行管理，包括：判断群内节点是否丢失，处理其他节点的加入本群的请求，协调群内节点之间以及群内节点与其他群内的节点之间的通信，当群内节点少于指定的数目同时周围有可加入的群组时则解散本群组。