CN103906187A - 基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法及系统，其方法包括：节点组内仅存在主节点时，初始的组序列等于当前主节点的序列，所述组序列包含N个相位；发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；将从节点分别对应在组内N个相位位置的序列与当前组序列进行“或”操作，得到N组组合序列；对N组组合序列分别计算与组序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；主节点将最优相位分配给从节点，组序列更新为当前组序列与从节点的序列“或”操作后得到的序列。本发明选取相位差的最优组合，降低现有其他邻居发现策略的发现时延。

Description

基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法及系统

技术领域

本发明涉及基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法及系统，属于无线传感器网络技术及无线个域网领域。

背景技术

邻居发现是无线传感器网络与无线个域网领域很重要的研究点，一般通过邻居发现用于发现通信机会。能量问题始终是无线传感器节点及无线个域网设备应用中的一个重要问题。众所周知，无线通信模块是无线设备中的最耗能的模块。因此，休眠调度机制是无线传感器节点及无线个域网设备中延长设备使用寿命最常用、最有效的机制之一。所谓休眠调度机制就是让节点交替处于“工作-休眠-工作”的节能技术。而在一些动物跟踪监测项目和军事项目中，人们不得不采用低占空比技术、甚至超低占空比技术节省能量，比如：让节点在1%的时间处于苏醒状态，其余99%的时间处于休眠状态。

低占空比的休眠调度技术是目前自组织网络节省能量的最重要技术之一，它能将系统的生命期延长数倍到数十倍。而低占空比技术却带来了一个难题——即各自按照自己的工作时间表异步地“工作-休眠-工作”的两个移动节点，它们可能在物理相遇时，根本无法相互发现。这就要求精心设计邻居发现算法，以实现高效的邻居发现。这种情形在移动场景下及超低占空比的机制下会显得尤为严重。

假设在以下的场景下，在一个较大的区域内，存在很多移动节点，这些节点可以是诸如手机之类的设备，这些节点具有短距离无线通信能力(如配备WiFi,ZigBee,BlueTooth模块等)，可以实现节点间的通信，这些节点可以随着人的移动而移动。这些节点都是采用休眠调度的方式进行工作。问题是：如何保证两个节点无论在何时出现都可以保证在同一个时槽内醒来并通信。

在休眠调度中，时间被分成连续的时隙，每个时隙是最小的调度单元。每个时隙内存在两种可能的状态：活跃状态（Active）和休眠状态(Inactive)。当处于活跃状态的时隙时，设备打开其无线模块，进行消息的发送及对信道的监听。而在休眠状态，设备无法进行任何与无线通信相关的操作，即便其他设备在此时隙内发送了消息，该设备也无法知道。这两种状态以特定的次序更替，组成了调度序列（Duty Cycle Pattern）。如图1所示，调度序列由0和1组成，其中数值1表示活跃状态，数值0表示休眠状态。移动终端设备按照以上调度序列中状态的顺序依次完成状态的转换。在一个调度周期内，每个时隙的序号成为休眠调度序列的索引。随着设备的运行，在任一时刻，设备都会处在休眠调度序列的某一个索引的位置，该位置称之为相位（Phase）。相位的数目与休眠调度序列在一个周期内的时隙的数目相同。

能量效率一般使用一个周期内活跃时隙数目占总时隙的比例来表示。例如图1，该示例的占空比为6/12，即节省了(12-6)/12比例的能量。若使用更低占空比的调度序列，则将节省更多的能量。

按照不同设备是否采用相同的休眠调度序列，可以将休眠调度协议分为两类：对称的休眠调度协议与非对称的休眠调度协议。系统中，所有设备采用相同的休眠调度序列称之为对称的休眠调度协议；反之，不同的设备可根据一定的规则独立地选取调度序列则称之为非对称休眠调度协议。在分布式系统中由于缺少全局信息，采用非对称的休眠调度协议难以协调，很难保证其最差发现时延，主要研究对称的休眠调度协议。低功耗的邻居发现即是利用了休眠调度协议的邻居发现协议。

根据系统中的设备是否需要全局同步的时钟，邻居发现协议又可分为：异步邻居发现和同步邻居发现。在实际应用中，不同个体所携带的移动设备是相互独立的，所有设备很难获得具有足够精度的统一全局时钟，因此本专利主要涉及异步的邻居发现协议。

异步的邻居发现协议设计目标是，无论设备在何时启动、两个设备在通信范围内的相位相差多少，总能够在可知的最坏时延范围内相互发现。以图1为例，设备S、A、B分别在全局时间1、2、3启动休眠调度，然而它们总能在最差12个时隙的时延内相互发现。异步邻居发现协议弱化了对时间同步的要求，使得协议更加简单、可靠。

当处于通信范围内的两个设备在同一全局时间维度上，同时处于活跃状态时，即被称作发现。因为活跃状态中，两个设备至少有一个处于监听状态，可以接收到另一个节点发出的消息。如图1所示，如果设备S和A在彼此的通信范围内，那么它们在全局时间的第4个时隙能够相互发现。

因为后面的工作需要用到经典的Disco协议，这里先对Disco协议作简单的介绍。Disco协议是一种异步的邻居发现协议，其通过选择两个互素的数来生成休眠调度序列：若休眠调度序列中时槽的索引值为这两个互素数中任意一个的倍数，则标记该时隙为活跃状态，否则为休眠状态。两个互素数的乘积就是休眠调度的周期T，也就是保证邻居发现的最差时延。

图1给出了Disco协议休眠调度序列产生的简单示例。选定数字3和4为互素数对，则其周期为3*4=12。图中“Pattern”行给出了休眠调度序列，其中索引值3、4、6、8、9、12是互素数3或4的倍数，因此被标记为活跃状态。三个设备分别为S、A和B，虽然三个设备分别拥有各自的时间，然而它们总能在一个足够长的时间内拥有重叠的活跃时隙，进而实现互相发现。图中，设备S能够在第4个和第9个时隙发现设备A，而在第6个和第8个时隙时发现设备B。当无线移动节点在移动时或者在具有休眠调度机制的无线网络中，两个移动节点如果有数据发送，则需要首先能够发现周围能够进行通信的邻居。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种可以实现快速计算组内多个节点的相位分配的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法，具体包括以下步骤：

步骤1：节点组内仅存在主节点时，初始的组相位值序列等于当前主节点的相位值序列，所述组序列包含N个相位；

步骤2：发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；

步骤3：将从节点分别对应在组内N个相位位置的相位值序列与当前组相位值序列进行“或”操作，得到N组组合序列；

步骤4：对N组组合序列分别计算与组相位值序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；

步骤5：得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；

步骤6：主节点将最优相位分配给从节点，组相位值序列更新为当前组相位值序列中的每个值与从节点的相位值序列中的每个值分别进行“或”操作后得到的序列。

本发明的有益效果是：本发明实现了给一组节点分配适当的相位来共同发现未知邻居，通过选取最优的相位差组合，达到最优化发现时延的目的，本发明选取相位差的最优组合，利用多节点的协作，降低现有其他邻居发现策略的发现时延；并且采用贪心算法，极大的降低了时间复杂度，减少了移动设备的计算压力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述N为大于2的自然数。

进一步，还包括步骤7：判断节点组内相位是否已达到饱和状态，如果是，完成节点组的构建，结束；否则，执行步骤2。

进一步，所述步骤4中每组时延等于一个组合序列中的每个值分别与组相位值序列中对应位置的值进行“与”操作。

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种可以实现快速计算组内多个节点的相位分配的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统，包括：初始化模块、新节点发现模块、操作序列模块、时延计算排序模块、最优相位模块和相位分配模块；

所述初始化模块在节点组内仅存在主节点时，将组相位值序列等于当前主节点的相位值序列，所述组相位值序列包含N个相位；

所述新节点发现模块发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；

所述操作序列模块将从节点分别对应在组内N个相位位置的相位值序列与当前组相位值序列进行“或”操作，得到N组组合序列；

所述时延计算排序模块对N组组合序列分别计算与组相位值序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；

所述最优相位模块从时延计算排序模块中得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；

所述相位分配模块控制主节点将最优相位分配给从节点，组相位值序列更新为当前组相位值序列与从节点的相位值序列“或”操作后得到的序列。

本发明的有益效果是：本发明实现了给一组节点分配适当的相位来共同发现未知邻居，通过选取最优的相位差组合，达到最优化发现时延的目的，本发明选取相位差的最优组合，利用多节点的协作，降低现有其他邻居发现策略的发现时延；并且采用贪心算法，极大的降低了时间复杂度，减少了移动设备的计算压力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述N为大于2的自然数。

进一步，还包括判断模块，所述判断模块用于判断节点组内相位是否已达到饱和状态，如果是，完成节点组的构建，结束；否则，发送指令到新节点发现模块，节点组继续发现新节点。

进一步，所述时延计算排序模块中每组时延等于一个组合序列中的每个值分别与组相位值序列中对应位置的值进行“与”操作。

附图说明

图1为现有技术中所述的邻居发现示意图；

图2为本发明所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法流程图；

图3为本发明所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统结构框图；

图4为周期为15的休眠调度序列及相位集列表图；

图5为不同相位组合的相互发现时延列表图；

图6为相位为15和10的两个节点组合发现其他相位节点时的时延列表图；

图7为相位为15和1的两个节点组合发现其他相位节点时的时延列表图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、初始化模块，2、新节点发现模块，3、操作序列模块，4、时延计算排序模块，5、最优相位模块，6、相位分配模块，7、判断模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2所示，基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法，具体包括以下步骤：

步骤1：节点组内仅存在主节点时，初始的组相位值序列等于当前主节点的相位值序列，所述组序列包含N个相位；

步骤2：发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；

步骤3：将从节点分别对应在组内N个相位位置的相位值序列与当前组相位值序列进行“或”操作，得到N组组合序列；

步骤4：对N组组合序列分别计算与组相位值序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；

步骤5：得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；

步骤6：主节点将最优相位分配给从节点，组相位值序列更新为当前组相位值序列中的每个值与从节点的相位值序列中的每个值分别进行“或”操作后得到的序列；

步骤7：判断节点组内相位是否已达到饱和状态，如果是，完成节点组的构建，结束；否则，执行步骤2。

所述N为大于2的自然数。

所述步骤4中每组时延等于一个组合序列中的每个值分别与组相位值序列中对应位置的值进行“与”操作。

基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统，包括：初始化模块1、新节点发现模块2、操作序列模块3、时延计算排序模块4、最优相位模块5和相位分配模块6；

所述初始化模块1在节点组内仅存在主节点时，将组相位值序列等于当前主节点的相位值序列，所述组相位值序列包含N个相位；

所述新节点发现模块2发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；

所述操作序列模块3将从节点分别对应在组内N个相位位置的相位值序列与当前组相位值序列进行“或”操作，得到N组组合序列；

所述时延计算排序模块4对N组组合序列分别计算与组相位值序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；

所述最优相位模块5从时延计算排序模块4中得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；

所述相位分配模块6控制主节点将最优相位分配给从节点，组相位值序列更新为当前组相位值序列与从节点的相位值序列“或”操作后得到的序列。

所述N为大于2的自然数。

还包括判断模块7，所述判断模块7用于判断节点组内相位是否已达到饱和状态，如果是，完成节点组的构建，结束；否则，发送指令到新节点发现模块2，节点组继续发现新节点。

所述时延计算排序模块4中每组时延等于一个组合序列中的每个值分别与组相位值序列中对应位置的值进行“与”操作。

通过对现有邻居发现协议研究发现，当两个设备处于不同的相位组合时，其发现时延不同；若多个设备分配不同的相位进行邻居发现，其中任意一个设备发现了邻居可视为该邻居被发现，则其发现时延比单个设备进行发现要小的多。

利用了以上两点观察现象，设计了LARES协议，基于组的快速邻居发现机制。其基本思想为:给一组设备分配适当的相位来共同发现未知邻居，通过选取最优的相位差组合，达到最优化发现时延的目的。LARES协议不局限于特定的休眠调度序列，可看做是一种中间件技术，能够选取相位差的最优组合，利用多设备的协作，降低现有其他邻居发现策略的发现时延。虽然，LARES协议可以支持多种休眠调度序列，为了容易理解，选取上文介绍的经典的Disco协议为例阐述算法的基本思想。

图4为周期为15的休眠调度序列及相位集列表图，图5为不同相位组合的相互发现时延列表。

设备S、A、B在彼此的通信范围内。此时，设备S和A已经相互发现，它们将协作共同来发现设备B。一旦设备S和A中的任意一个发现了B，则B也能够以很小的代价和时延被另一个设备发现。为了体现设备S和A是一个组合，因此可以将S和A看做一个虚拟设备C，则设备C可看做拥有一个新的休眠调度序列，该序列是通过对设备S和A的相应相位休眠调度序列进行``或''操作得到的。假设，此时设备S和A分别处于第15相位和第10相位，如图6前2行所示，虚拟设备C的新的休眠调度序列如表中第3行所示。当设备B处于不同的相位时，虚拟设备C的发现时延在表中第4行列出。通过计算可知，其期望发现时延为4.1个时隙。在图7所示的另一个例子中，设备S和A分别处于第15相位和第1相位，则其期望时延减少至2.4个时隙。由此可见，不同的相位组合导致了不同的期望发现时延。如果设备S和A的相位能够以最优化的方式选取和分配，那么期望时延可以被极大地降低。

基于组的邻居发现协议的发现时延是由相位组合决定的。随着时间的推移，每个设备所处的相位也是变化的，因此，相位组合更准确地说应该是相位差的组合。因为组内多个设备间的相位差是不会改变的，而相位差的数目与相位的数目是相同的。

该问题可定义为，从所有可能的相位差中选择k个相位差来最小化期望发现时延，其中k代表该休眠调度占空比下的最大成员数。该问题可以用以下模型来描述。

其中，L表示期望时延，也是本问题的优化目标。表示使用下面公式新合成的调度序列的原始相位。表示新休眠调度序列与i相位的调度序列进行”与”操作，即新序列与i相位序列同时处于活跃状态的时隙的索引值。f(X)表示取上述结果中的第一个同时为活跃状态的索引值，即发现时延。

公式中使用了两个平均，其中里面的平均表示发现待发现的邻居节点的期望时延，因为其所处的各个相位是等概率的，i指代的是相位。外面的平均公式表示随着协议的运行，组内合成的虚拟节点的调度序列的相位也发生变化，待发现邻居可能遇到其中的任何一个相位，表示新合成的调度序列的相位号。

其中Sm是新组合的调度序列，由k个相位的组合得到。满足第一个公式条件的k个相位之间的相位差就是本节要求的最优相位差组合。

该问题是一个整数规划问题（Integer Programming Problem），也已被很多研究证明是NP完全问题（NP-Complete Problem）。因此，无法在多项式时间复杂度上得到最优解。

考虑到应用需求，k个相位差并不需要同时获得：当一个新的设备加入组时才需产生一个相位差，因此相位差的分配是逐步完成的。基于此分配过程，本节提出了一种贪心算法，力求在可计算的时间复杂度内给出次优解。

算法步骤为：其输入为原休眠调度序列，以及所有可能存在的相位差。算法开始时，组内仅有一个设备，初始化为Sm=S0。一旦一个新的设备被发现并加入组，新的组合将由当前的组合和所有可能相位进行“OR”操作来构建。使用新的组合，计算期望时延，并选择得到最小期望时延时的相位。该相位为此轮中求得的当前时延最优的相位，将其分配给新加入的设备。按照上面的步骤选择第2个、第3个，直到第k个相位，每一步中都产生当前最优的相位组合。

遍历算法的时间复杂度是，而贪心算法的时间复杂度仅为，这极大降低了时间复杂度，减少了移动设备的计算压力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：节点组内仅存在主节点时，初始的组相位值序列等于当前主节点的相位值序列，所述组序列包含N个相位；

步骤2：发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；

步骤3：将从节点分别对应在组内N个相位位置的相位值序列与当前组相位值序列进行“或”操作，得到N组组合序列；

步骤4：对N组组合序列分别计算与组相位值序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；

步骤5：得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；

步骤6：主节点将最优相位分配给从节点，组相位值序列更新为当前组相位值序列中的每个值与从节点的相位值序列中的每个值分别进行“或”操作后得到的序列。

2.根据权利要求1所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法，其特征在于，所述N为大于2的自然数。

3.根据权利要求1或2所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法，其特征在于，还包括步骤7：判断节点组内相位是否已达到饱和状态，如果是，完成节点组的构建，结束；否则，执行步骤2。

4.根据权利要求3所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择方法，其特征在于，所述步骤4中每组时延等于一个组合序列中的每个值分别与组相位值序列中对应位置的值进行“与”操作。

5.基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统，其特征在于，包括：初始化模块、新节点发现模块、操作序列模块、时延计算排序模块、最优相位模块和相位分配模块；

所述初始化模块在节点组内仅存在主节点时，将组相位值序列等于当前主节点的相位值序列，所述组相位值序列包含N个相位；

所述新节点发现模块发现一个新节点加入节点组，成为主节点的从节点；

所述操作序列模块将从节点分别对应在组内N个相位位置的相位值序列与当前组相位值序列进行“或”操作，得到N组组合序列；

所述时延计算排序模块对N组组合序列分别计算与组相位值序列的时延，得到N组时延，并将N组时延按大小排序；

所述最优相位模块从时延计算排序模块中得到最小的一组时延，所述最小的一组时延对应的相位位置即为最优相位；

所述相位分配模块控制主节点将最优相位分配给从节点，组相位值序列更新为当前组相位值序列与从节点的相位值序列“或”操作后得到的序列。

6.根据权利要求4所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统，其特征在于，所述N为大于2的自然数。

7.根据权利要求4或5所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统，其特征在于，还包括判断模块，所述判断模块用于判断节点组内相位是否已达到饱和状态，如果是，完成节点组的构建，结束；否则，发送指令到新节点发现模块，节点组继续发现新节点。

8.根据权利要求7所述的基于组邻居发现机制的组内成员相位选择系统，其特征在于，所述时延计算排序模块中每组时延等于一个组合序列中的每个值分别与组相位值序列中对应位置的值进行“与”操作。

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