CN103945487A - 一种电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法 - Google Patents

Abstract

一种电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法。其包括预定义阶段和构造最大可靠性簇的方法阶段，构造最大可靠性簇的方法包括选取簇头；节点加入簇；簇头节点选取backup节点；检验并修复簇结构等步骤。本发明提供的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法能有效提高电力通信网可靠性、保证服务时延，同时提高资源利用率和综合通信能力，其中构造最大可靠性簇的方法阶段能够有效地延长簇头节点和簇成员节点的有效时间，同时减少在构造簇周期内节点消耗的能量。

Description

一种电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法

技术领域

本发明属于电力通信技术领域，特别是涉及一种电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法。

背景技术

电力通信网是电网的重要组成部分，贯穿于整个电网的发、输、配、变、用以及调度等六大环节，是电网高效、安全、可靠运营的关键。随着新技术、新能源在电网中的应用和发展，大量适应于这类应用的业务相继出现，越来越多的智能电力终端、传感器设备、便携式终端被部署在电力通信网中，为电网运营者以及用户提供诸如监测、控制、信息采集、智能用电等服务。这些服务要求电力通信网覆盖的相关通信设备之间能够实现双向的信息交换，提供高效的通信功能。

电力通信网中，智能电力终端、传感器设备、便携式终端等设备分布广泛且大部分位于电网的接入层，与各类业务密切相关，物理结构复杂多变，运行方式具有明显的动态性，使稳定监控和高效控制等应用难度增加。新业务新能源更加带来了新的不确定因素，电力通信网对可靠性的要求需进一步提高。同时，电力通信网所涉及的数据和服务关系到国计民生，保障其高效可靠具有重大的现实意义。因此电力通信网中研究面向可靠性的分簇方法、以保证服务时延、提高资源利用率和电力通信网通信能力具有重要的研究价值。

为了解现有技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

中国发明专利第200810156116.9号中公开了一种基于状态机制的移动自组织网络分簇方法，该方法为一种移动自组织网络中的分簇方法，主要通过四个步骤完成：第一，节点开机；第二，启动状态机制，使用门限值将节点的速度、连接度、剩余能量分成优秀、良好、一般三个等级；第三，簇的形成，按速度、连接度、剩余能量顺序选择最好的节点作为簇头节点；第四，簇的管理，普通节点加入两跳范围之内的簇。

中国发明专利第201310077023.8号中公开了一种物联网中基于能耗最小的分簇组网方法，该方法为一种物联网中基于能耗最小的分簇组网方法，主要解决现有技术节点发送数据时能耗大的问题。通过四个步骤完成：第一，接入点AP广播一个数据分组，通知所有节点开始分簇；第二，节点寻找路径损耗最小的数据传输链路，并对寻找到的链路进行标识；第三，节点根据这些链路标识建立数据转发表，接入点AP根据数据转发表进行分簇，使得簇成员在通过簇头转发数据时能耗最小；第四，接入点AP将分簇的结果告知各节点，分簇结束。

中国发明专利第201310099538.8号中公开了一种基于分簇的移动虚拟网络映射方法，该方法为一种基于分簇的移动虚拟网络映射方法，以提高虚拟网络到移动物理网络映射成功率和虚拟网络收益、降低映射开销为目标，以物理网络分簇为基础，解决移动网络环境中的虚拟网络映射、资源分配中节点和链路的协调性差以及虚拟网络拓扑稀疏时方法性能差等问题。主要通过个两步骤完成：第一，依据节点的移动规律，预测节点间链路稳定性；第二，以此对物理网络进行分簇，将虚拟网络映射分为簇间和簇内两种映射方式。

第一种方法对移动自组织网进行分簇，能够选出节点速度较小的簇头节点。但是其提出的方法没有考虑节点CPU的计算能力，同时其提出的方法按节点速度、连接度、剩余能量优先级排列，选取簇头时容易选到速度优秀但剩余能量一般的节点，而加权求和法的灵活性更好，能够选出综合能力更强的簇头节点。第二种方法对物联网进行分簇，能够使网络总体能量消耗最小。但由于电力通信中没有中心基站，所有节点具有移动性，通过节点间相互协作提供服务，因此其提出的方法不适用于电力通信网。第三种方法通过将虚拟网络映射到物理网络来预测节点间链路的稳定性，从而对物理网络分簇。但是其提出的方法基于马尔可夫链来预测节点间链路的稳定性，预测的准确性得不到保证。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法，通过选取最稳定的簇头节点，形成可靠性高的簇结构，有效地解决了电力通信网中簇结构容易失效的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法包括包括预定义阶段和构造最大可靠性簇的方法阶段，预定义阶段包括构造最大可靠性簇的方法所需要的如下定义：

1)节点基本信息定义；

2)节点类型定义；

3)簇成员列表定义；

4)节点发送的消息定义；

5)节点计时器定义；

所述的构造最大可靠性簇的方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1：选取簇头；节点检测本地剩余能量RmnP、连接度d、CPU计算能力cc、速度v并计算本地综合加权值W；节点与其邻节点通信Status消息比较综合加权值W值大小，综合加权值W值最大的节点自选为簇头节点，簇头节点构建簇成员列表；

步骤2：节点加入簇；簇头节点向其一跳范围内的邻节点广播BeaconArea簇存在消息；邻节点通过JoinArea消息加入簇，簇头节点维护簇成员列表；

步骤3：簇头节点选取backup节点；

步骤4：检验并修复簇结构。

在步骤1中，所述的选取簇头的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤101：检测节点u的剩余能量u.RmnP、连接度u.d、CPU计算能力u.cc、速度u.v；

步骤102：根据式(1)计算出节点u的综合加权值u.W；

u.W＝w1*u.RmnP+w2*u.d+w3*u.cc+(-w4)*u.v    (1)

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{i=4}{w}_i=1$

步骤103：节点u.role←newcomer，启动节点u的sendTimer(Status)和recvTimer(Status)计时器；

步骤104：节点u向其邻节点发送Status(Info(u))消息；

步骤105：节点u收到其某一邻节点v的Status(Info(v))，比较u.W与v.W；

步骤106：若u.W>v.W，重复步骤3)直至所有邻节点比较完毕，跳至步骤4)；若u.W<v.W，自动跳出步骤2；

步骤107：节点u自选取为簇头节点，u.role←dominator，节点u构造簇成员列表。

在步骤2中，所述的节点加入簇的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤201：簇头节点u启动sendTimer(BeaconArea)计时器；

步骤202：簇头节点u周期性地广播簇存在消息BeaconArea(Info(u))，区域号aid←u.nid；

步骤203：newcomer节点v接收BeaconArea(Info(u))消息，更新邻节点列表adjacentNodes中节点的Info；

步骤204：判断节点v的adjacentNodes列表中是否只存在一个dominator节点，若是，跳转到步骤206，若否，跳转到步骤205。

步骤205：从中选择综合加权值W值最大的dominator节点u,跳转至步骤4)；

步骤206：节点v向节点u发送JoinArea(Info(u),Info(v))消息，启动recvTimer(BeaconArea)计时器，监视簇存活信息；

步骤207：节点u收到节点v发来的JoinArea(Info(u),Info(v))消息，维护簇成员列表。v.role←dominatee,v.aid←u.aid；

步骤208：簇头节点u维护Service表中节点v的信息，节点v加入u所在的簇。

在步骤3中，所述的选取backup节点的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤301:簇头节点从簇成员列表中选取综合加权值W最大的节点v；

步骤302:v.role←backup,节点v构造簇成员列表；

步骤303:v广播Info(v)信息，维护簇成员列表。

在步骤4中，所述的检验并修复簇结构的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤401：检测网络环境中是否存在节点类型为newcomer的节点，若不存在，跳出，若存在，记此节点为i；

步骤402：判断节点i的邻节点类型是否均为dominatee，若是，进入步骤404；若否，进入步骤403；

步骤403：若邻节点存在类型为dominator的节点v，加入节点v所在的簇；

步骤404：节点i选取综合加权值W值最大的簇成员节点v；

步骤405：以节点v为中间节点，加入节点v所在的簇。

本发明提供的电力通信网中面向可靠性的分簇方法能够有效地提高电力通信网的可靠性、保证服务时延，同时提高资源利用率和综合通信能力，其中MRCM阶段将最大化簇的可靠性作为成簇目标，首先检测节点的剩余能量、CPU计算能力、节点连接度和节点速度，四者加权求和计算节点综合加权值W；其次W值最大的节点自选为簇头节点；然后其一跳范围内的节点加入簇；接着选取备份簇头节点；最后检验并修复簇结构。MRCM能够有效地延长簇头节点和簇成员节点的有效时间，同时减少在构造簇周期内节点消耗的能量。

附图说明

图1为本发明提供的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法中MRCM阶段流程图。

图2为本发明中选取簇头的方法流程图。

图3为本发明中节点加入簇的方法流程图。

图4为本发明中选取backup节点的方法流程图。

图5为本发明中检验并修复簇结构的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法包括：预定义阶段和最大可靠性簇的方法(MRCM)阶段，预定义阶段包括构造最大可靠性簇的方法(MRCM)所需要的如下定义：

1)节点基本信息定义：节点u基本信息定义为Info(u)＝{nid,aid,role,W,adjacentNodes[]},nid为节点编号，aid为节点所在簇簇头节点的nid，role为节点类型，W为节点的综合加权值，adjacentNodes[]为节点u一跳范围内邻节点列表。

2)节点类型定义：role＝{dominator,dominatee,newcomer,backup}，dominator为簇头节点，dominatee为簇成员节点，newcomer为尚未加入簇的新来节点，backup为备份簇头节点，当簇头节点失败时，备份节点当选为新的簇头节点，从而有效地减少重选簇头引起的服务时延，使用户体验更流畅。

3)簇成员列表定义：簇头节点和备份簇头节点还需在内存中构造簇成员列表，用于存储簇成员节点，表项为簇成员节点Info信息，记为表S。

4)节点发送的消息定义：节点发送三种消息：Status,BeaconArea,JoinArea。其中Status(Info(u))消息用于节点u周期性的广播u的状态和能量信息。BeaconArea(Info(v),t)用于初始簇头节点v周期性广播簇存在消息。JoinArea(Info(u),Info(v))消息用于节点u申请加入簇头节点v的簇。

5)节点计时器定义：节点使用节点计时器Timer定时发送消息、同步节点收发数据、并将连续时间简化成离散的时间间隔，在每个时间间隔t内分析节点的状态。有四种计时器：SendTimer,RecvTimer,MsgBufferTimer,NodeOperationTimer。其中SendTimer和RecvTimer用于控制节点周期性的收发消息，均能引发超时事件；MsgBufferTimer是节点周期性处理本地消息队列的计时器；NodeOperationTimer是节点周期性检查自己状态的计时器。

节点当选簇头的可能性由其综合加权值W决定，综合加权值W值的计算公式如式(1)所示：

u.W＝w1*u.RmnP+w2*u.d+w3*u.cc+(-w4)*u.v   (1)

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{i=4}{w}_i=1$

一个节点u的综合加权值W值由其剩余能量u.RmnP、连接度u.d、CPU计算能力u.cc、移动速度u.v四者加权求得，其中，w1、w2、w3、w4为这四者所占权重。

MRCM阶段的目标是电力通信网中所有节点都属于某个簇，不存在类型为newcomer的节点；如图1所示，所述的构造最大可靠性簇的方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1：选取簇头；节点检测本地剩余能量RmnP、连接度d、CPU计算能力cc、速度v并计算本地综合加权值W；节点与其邻节点通信Status消息比较综合加权值W值大小，综合加权值W值最大的节点自选为簇头节点，簇头节点构建簇成员列表；

步骤2：节点加入簇；簇头节点向其一跳范围内的邻节点广播BeaconArea簇存在消息；邻节点通过JoinArea消息加入簇，簇头节点维护簇成员列表；

步骤3：簇头节点选取backup节点；

步骤4：检验并修复簇结构。

如图2所示，在步骤1中，所述的选取簇头的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤101：检测节点u的剩余能量u.RmnP、连接度u.d、CPU计算能力u.cc、速度u.v；

步骤102：根据式(1)计算出节点u的综合加权值u.W；

u.W＝w1*u.RmnP+w2*u.d+w3*u.cc+(-w4)*u.v    (1)

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{i=4}{w}_i=1$

步骤103：节点u.role←newcomer，启动节点u的sendTimer(Status)和recvTimer(Status)计时器；

步骤104：节点u向其邻节点发送Status(Info(u))消息；

步骤105：节点u收到其某一邻节点v的Status(Info(v))，比较u.W与v.W；

步骤106：若u.W>v.W，重复步骤3)直至所有邻节点比较完毕，跳至步骤4)；若u.W<v.W，自动跳出步骤2；

步骤107：节点u自选取为簇头节点，u.role←dominator，节点u构造簇成员列表。

如图3所示，在步骤2中，所述的节点加入簇的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤201：簇头节点u启动sendTimer(BeaconArea)计时器；

步骤202：簇头节点u周期性地广播簇存在消息BeaconArea(Info(u))，区域号aid←u.nid；

步骤203：newcomer节点v接收BeaconArea(Info(u))消息，更新邻节点列表adjacentNodes中节点的Info；

步骤204：判断节点v的adjacentNodes列表中是否只存在一个dominator节点，若是，跳转到步骤206，若否，跳转到步骤205。

步骤205：从中选择综合加权值W值最大的dominator节点u,跳转至步骤4)；

步骤206：节点v向节点u发送JoinArea(Info(u),Info(v))消息，启动recvTimer(BeaconArea)计时器，监视簇存活信息；

步骤207：节点u收到节点v发来的JoinArea(Info(u),Info(v))消息，维护簇成员列表。v.role←dominatee,v.aid←u.aid；

步骤208：簇头节点u维护Service表中节点v的信息，节点v加入u所在的簇。

在步骤3中，所述的选取backup节点的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤301:簇头节点从簇成员列表中选取综合加权值W最大的节点v；

步骤302:v.role←backup,节点v构造簇成员列表；

步骤303:v广播Info(v)信息，维护簇成员列表。

在步骤4中，所述的检验并修复簇结构的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤401：检测网络环境中是否存在节点类型为newcomer的节点，若不存在，跳出，若存在，记此节点为i；

步骤402：判断节点i的邻节点类型是否均为dominatee，若是，进入步骤404；若否，进入步骤403；

步骤403：若邻节点存在类型为dominator的节点v，加入节点v所在的簇；

步骤404：节点i选取综合加权值W值最大的簇成员节点v；

步骤405：以节点v为中间节点，加入节点v所在的簇。

Claims (5)

1.一种电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法，其特征在于：其包括预定义阶段和构造最大可靠性簇的方法阶段，预定义阶段包括构造最大可靠性簇的方法所需要的如下定义：

1)节点基本信息定义；

2)节点类型定义；

3)簇成员列表定义；

4)节点发送的消息定义；

5)节点计时器定义；

所述的构造最大可靠性簇的方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1：选取簇头；节点检测本地剩余能量RmnP、连接度d、CPU计算能力cc、速度v并计算本地综合加权值W；节点与其邻节点通信Status消息比较综合加权值W值大小，综合加权值W值最大的节点自选为簇头节点，簇头节点构建簇成员列表；

步骤2：节点加入簇；簇头节点向其一跳范围内的邻节点广播BeaconArea簇存在消息；邻节点通过JoinArea消息加入簇，簇头节点维护簇成员列表；

步骤3：簇头节点选取backup节点；

步骤4：检验并修复簇结构。

2.根据权利要求1所述的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法，其特征在于：在步骤1中，所述的选取簇头的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤101：检测节点u的剩余能量u.RmnP、连接度u.d、CPU计算能力u.cc、速度u.v；

步骤102：根据式(1)计算出节点u的综合加权值u.W；

u.W＝w1*u.RmnP+w2*u.d+w3*u.cc+(-w4)*u.v    (1)

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{i=4}{w}_i=1$

步骤103：节点u.role←newcomer，启动节点u的sendTimer(Status)和recvTimer(Status)计时器；

步骤104：节点u向其邻节点发送Status(Info(u))消息；

步骤105：节点u收到其某一邻节点v的Status(Info(v))，比较u.W与v.W；

步骤106：若u.W>v.W，重复步骤3)直至所有邻节点比较完毕，跳至步骤4)；若u.W<v.W，自动跳出步骤2；

步骤107：节点u自选取为簇头节点，u.role←dominator，节点u构造簇成员列表。

3.根据权利要求1所述的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法，其特征在于：在步骤2中，所述的节点加入簇的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤201：簇头节点u启动sendTimer(BeaconArea)计时器；

步骤202：簇头节点u周期性地广播簇存在消息BeaconArea(Info(u))，区域号aid←u.nid；

步骤203：newcomer节点v接收BeaconArea(Info(u))消息，更新邻节点列表adjacentNodes中节点的Info；

步骤204：判断节点v的adjacentNodes列表中是否只存在一个dominator节点，若是，跳转到步骤206，若否，跳转到步骤205。

步骤205：从中选择综合加权值W值最大的dominator节点u,跳转至步骤4)；

步骤206：节点v向节点u发送JoinArea(Info(u),Info(v))消息，启动recvTimer(BeaconArea)计时器，监视簇存活信息；

步骤207：节点u收到节点v发来的JoinArea(Info(u),Info(v))消息，维护簇成员列表。v.role←dominatee,v.aid←u.aid；

步骤208：簇头节点u维护Service表中节点v的信息，节点v加入u所在的簇。

4.根据权利要求1所述的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法，其特征在于：在步骤3中，所述的选取backup节点的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤301:簇头节点从簇成员列表中选取综合加权值W最大的节点v；

步骤302:v.role←backup,节点v构造簇成员列表；

步骤303:v广播Info(v)信息，维护簇成员列表。

5.根据权利要求1所述的电力通信网中面向可靠性的节点分簇方法，其特征在于：在步骤4中，所述的检验并修复簇结构的方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤401：检测网络环境中是否存在节点类型为newcomer的节点，若不存在，跳出，若存在，记此节点为i；

步骤402：判断节点i的邻节点类型是否均为dominatee，若是，进入步骤404；若否，进入步骤403；

步骤403：若邻节点存在类型为dominator的节点v，加入节点v所在的簇；

步骤404：节点i选取综合加权值W值最大的簇成员节点v；

步骤405：以节点v为中间节点，加入节点v所在的簇。