CN104301971A - 一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法 - Google Patents

一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法，首先，定义一个多元一次函数将所需要考虑的因素作为自变量涵盖其中，网络中的每个节点按照函数计算其因变量w值；然后，每个节点以其自身及一跳范围内的节点为集合按照w值从大到小进行排序；接着，参考图论基于节点度的选取极大独立集的方法选出网络中的独立节点、网关节点和普通节点；最后，参考图论在极大独立集的基础上选出最小支配集方法找出节能节点和非节能节点；一次选举算法结束后间隔T时间再次进行该算法以保证节点的移动性和公平性。与现有技术相比，本发明利用多项式的方法将影响节能效果的因素都涵盖，参考图论方法求解，实现网络的连通性、公平性以及节能最大化。

Description

一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法。 
背景技术
在Ad hoc网络中，节点具有报文转发能力，节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即经过多跳(MutilHop)，这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。节点通过分层的网络协议和分布式方法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网(MultiHop Wireless Network)、自组织网络(SelfOrganized Network)或无固定设施的网络(Infrastructureless Network)。 
在移动ad hoc网络中，能耗问题一直是制约其发展的重要障碍。因此，对于网络中节能算法的研究也一直是ad hoc网络领域中的热点，实现节能的方法有很多，比如在保证通信的可靠性和有效性的要求下降低发送功率、在设备不需要发送和接收的时候让设备处于休眠状态(能耗更低)、设计能耗更小的芯片等等，几乎通信协议中的每一层都可以在节能方面有所改进。本发明在MAC层的角度，结合一些图论的研究成果，设计出适用于ad hoc网络的分布式节能算法，通过算法根据需要不同，选出其需要工作的节点，让不需要工作的节点进行休眠，从而节省电池电量。 
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种可以移动ad hoc网络的节点选举方法，该方法将影响网络节点的能量的多种因素考虑其中，并且可以根据不同网络按照其要求选出最多的节能节点。 
技术方案：本发明的方法是一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法，是通过网络中所有节点都参与的分布式方法来实现的，由于要将保持网络的连通性以及节能最大化，该问题可以类比为图论中的按照一定要求选择连通支配集问题。方法的具体步骤如下： 
(1)定义多元一次函数w＝w0+w1×x1+w2×x2+...+wj×xj+...+wM×xM将所需要考虑的节能因素作为变量xj涵盖其中，因素的重要性通过系数wj表示，其中，1≤j≤M，M为非零自然数表示因素总数，w0为0到1的随机数；每个节点根据上述函数计算w值，节点的w值越大表示其越容易作为非节能点； 
(2)每个节点以其自身及一跳范围内的节点为集合按照w值从大到小进行排序； 
(3)依据w值的排序，参考图论基于节点度的选取极大独立集的方法选出网络中的独立节点、网关节点和普通节点； 
(4)依据w值的排序，参考图论在极大独立集的基础上选出最小支配集的方法选出节能节点和非节能节点； 
为保证公平性和移动性，在每隔T时间后或者有节点请求重新选举时重复步骤(1)至步骤(4)。 
有益效果：与现有技术相比，本发明在进行节点选举过程中，利用多项式的方法将影响节能效果的因素都涵盖，并且可以根据不同因素对耗能的影响，改变其权重参数得出最适合特定系统的wj(1≤j≤M)值，从而提高节能性能。 
附图说明
图1为本发明实施例的节能节点选举方法流程图； 
图2为本发明实施例中示例的拓扑结构图； 
图3为本发明实施例中示例的独立节点运算结果示意图，图中：n1,n5,n6,n7,n8为独立节点，n2,n4为网关节点，n3为普通节点； 
图4为本发明实施例中示例的节能节点运算结果示意图，图中：n1,n2,n4为非节能节点，n3,n5,n6,n7,n8为节能节点。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。 
如图1所示，本发明公开的一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法包括如下步骤： 
(1)根据需求定义一个多元一次函数将所需要考虑的因素作为自变量涵盖其中，网络中的每个节点按照函数计算其因变量w值。设网络中有N个节点，对每 个节点进行编号ni，1≤i≤N，N为非零自然数，定义函数w＝w0+w1×x1+w2×x2+...+wj×xj+...+wM×xM，1≤j≤M，M为非零自然数，将所需要考虑的因素xj涵盖其中，其作为非节能点(支配点)的倾向性通过w值来衡量，w值越大代表其越容易作为非节能点。如图2所示的网络中定义函数为w(x,y,z,k)＝w1×x/X+w2×y/Y+w3×z/Z+w4×k+p，(w1,w2,w3,w4＞0)，考虑4种因素，即能量、链路质量、节点一跳邻居数以及公平性。其中x代表节点剩余能量，X代表节点最大能量，剩余能量越高越容易成为支配点；y代表节点与其他邻居节点的平均链路质量，可以用LQI(link quality indicator，链路质量指示)表示，Y代表链路质量最好时LQI的值，链路质量好的节点可以减少出错率和重发次数；z代表节点周围一跳的邻居节点个数，Z代表整个网络的节点个数，邻居节点多的节点工作可以让更多节点休眠；k代表节点已经成为节能节点的次数，即休眠的次数，为保证公平性，非节能节点应该由所有节点轮换着担当。p为0到1的随机数，用以区别具有相同w值的点，w(x,y,z,k)＝w1×x/X+w2×y/Y+w3×z/Z+w4×k+p，(w1,w2,w3,w4＞0)，根据x，y，z，k的重要度不同，可以更改w1,w2,w3,w4的值。图2中，假设其w值大小顺序：w(n1)>w(n3)>w(n5)>w(n4)>w(n7)>w(n2)>w(n8)>w(n6)。 
(2)每个节点以其自身及一跳范围内的节点为集合按照w值从大到小进行排序。对每个节点ni，将其一跳节点及自身作为一个队列，进行排序，排序规则：按照节点w值进行递减排序。图2所示的网络排序结果如表1所示。 
节点ni 节点ni及其一跳节点的w值排序
n1 (n1,n3,n4,n2)
n2 (n1,n3,n5,n2,n6)
n3 (n1,n3,n4,n2)
n4 (n1,n3,n4,n7,n8)
n5 (n5,n2)
n6 (n2,n6)
n7 (n7,n4)
n8 (n4,n8)
表1图2中各个节点的本地排序表 
(3)依据w值的排序，参考图论基于节点度的选取极大独立集的方法选出网络中的独立节点、网关节点和普通节点。具体步骤如下： 
(3.1)对于网络中每个节点，设置变量M和N，令M＝0，N＝0，M表示节点周围的一跳独立节点数，N＝0表示节点未进行极大集选举方法，N＝1表示节点执行了方法。 
(3.2)首先从自身是其序列的w值最大的节点ni(1≤i≤N)开始，如样例中n1为序列(n1,n3,n4,n2)中第一个节点，则其为独立节点，令ni.M＝0,ni.N＝1，并将其选举结果ni.M通告其邻居； 
(3.3)ni的邻居节点nj收到后令nj.M加1，表示发现了一个邻居独立点，令nj.N＝1，表示自身执行了方法，并将其nj.M和nj.N转发其邻居； 
(3.4)nj的邻居nk在收到其信息后若自己是自身及周围一跳邻居节点且未执行方法(即N＝0)的集合中的最大w值节点，则nk也为独立点，其处理方式同ni，否则不处理。图2中ni为n1，n5，n7；nj为n2，n3，n4；nk为n6，n8。 
(3.5)所有的节点都执行过方法后消息传播结束，最终节点参数M＝0的节点为独立节点，M＝1的节点为普通节点，M>1的节点为网关节点。样例选举后如图3所示n1,n5,n6,n7,n8为独立节点，n2,n4为网关节点，n3为普通节点。 
(4)依据w值的排序，参考图论在极大独立集的基础上选出最小支配集的方法选出节能节点和非节能节点。在得到独立节点、网关节点、普通节点后通过选出连通支配集即可求出节能节点和非节能节点，具体步骤如下： 
(4.1)每个节点增加一个新的参数P，P表示该节点是否为节能节点，P＝1表示节点为非节能点，P＝0表示节点为节能点。先令所有网关节点和普通节点(即M>0的点)N＝0，P＝1；对于所有的独立点(即M＝0的点)，其N＝1，P＝1；此处N表示是否执行了支配集方法，N＝0表示未执行方法，N＝1表示已执行方法。 
(4.2)对于所有非独立点，节点广播其一跳邻居为独立点的节点编号；对于所有独立点，节点广播其一跳邻居为网关节点的节点编号；这样所有节点都能够知道其两跳范围内独立节点和网关节点的信息。下面对普通节点，网关节点和独立节点分别进行支配点选举： 
(4.3)对于所有普通节点令其N＝1，如果其两跳范围内的独立节点和网关节点构成的图能够连通，则为节能点令其P＝0，否则P＝1；如图3中的n3即为节能点。 
(4.4)对于所有网关节点ni，在普通节点选举结束后，对其自身及两跳范围内的网关节点进行排序，若其为序列中w值最小的节点，则N＝1，如样例中n2为(n4,n2)中w值更小点；若其两跳范围内的独立点集和网关点集导出的图能够连通(不包括自身)，则P＝0；否则P＝1,如n2.P＝1；并转发其节点信息ni.P，其一跳的节点nj收到后再进行转发，当nj的一跳网关节点nk收到后，判断自己是否是自身及两跳范围内N＝0的点集合中w值最小的节点，如果是，则nk处理方式同ni，否则暂不处理，如样例中n4，n4收到n2信息后判断自己也为非节能点。 
(4.5)对于所有独立节点，在上面两种节点选举结束后，对自身及两跳范围内的独立节点进行本地排序，并将N赋值为0；若节点是排序后的w值最小节点na(如(n1,n5,n6)中n6及(n1,n7,n8)中n8)，则N＝1；如果对于节点na两跳内的独立节点和一跳的网关节点中P＝1的点组成的集合所导出的图是连通的，并且能够使其na一跳周围任意的P＝0的非独立点与na一跳网关节点或者na两跳内的独立点相邻，则令na节点P＝0(如n6,n8)；并且通告该独立节点na的信息na.N和na.P，一跳P＝1的网关节点nb进行转发，使na两跳的独立节点nc收到该信息后，对比自己是否为自身及两跳范围内的独立节点中N＝0的集合中w值最小节点，如果是则按照na方式处理(如n5,n7)，否则不处理。 
(4.6)所有的节点都执行过方法后消息传播结束，所有P＝1的节点为最终选择的非节能节点；P＝0的节点为节能节点，结束。图4为基于图3独立集的w约束连通支配集选举结果。n1,n2,n4为非节能节点，n3,n5,n6,n7,n8为节能节点。 
由于移动ad hoc网络的移动性以及公平性的需要，选举需要间隔一段时间T后再次进行，此间隔时间可以根据具体的网络进行设置，在此不做具体说明。 
以上内容是结合具体网络拓扑结构和w值对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)定义多元一次函数w＝w0+w1×x1+w2×x2+...+wj×xj+...+wM×xM将所需要考虑的节能因素作为变量xj涵盖其中，因素的重要性通过系数wj表示，其中，1≤j≤M，M为非零自然数表示因素总数，w0为0到1的随机数；每个节点根据上述函数计算w值，节点的w值越大表示其越容易作为非节能点；
(2)每个节点以其自身及一跳范围内的节点为集合按照w值从大到小进行排序；
(3)依据w值的排序，参考图论基于节点度的选取极大独立集的方法选出网络中的独立节点、网关节点和普通节点；
(4)依据w值的排序，参考图论在极大独立集的基础上选出最小支配集的方法选出节能节点和非节能节点；
每间隔设定时间后或者有节点请求重新选举时重复步骤(1)至步骤(4)。
2.根据权利要求1所述的适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法，其特征在于：所述节能因素包括：节点能量因素、链路质量因素、节点一跳邻居数因素以及公平性因素；所述节点能量因素根据节点剩余能量与节点最大能量的比值求得，所述链路质量因素根据节点与其他邻居节点的平均链路质量与最高链路质量的比值求得，所述节点一跳邻居数因素根据节点周围一跳的邻居节点个数与整个网络的节点数的比值求得；所述公平性因素用节点已经成为节能节点的次数表示。
3.根据权利要求1所述的适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法，其特征在于，所述步骤(3)中的基于节点度的选取极大独立集的方法选出网络中的独立节点、网关节点和普通节点的具体步骤包括：
(3.1)对于网络中每个节点，设置变量M和N，令M＝0，N＝0，M表示节点周围的一跳独立节点数，N＝0表示节点未进行极大集选举方法，N＝1表示节点执行了方法；
(3.2)首先从自身是其序列的w值最大的节点ni开始，令ni.M＝0，ni.N＝1，并将其选举结果ni.M通告其邻居；
(3.3)ni的邻居节点nj收到后令nj.M加1，表示发现了一个邻居独立点，令nj.N＝1，表示自身执行了方法，并将其nj.M和nj.N转发其邻居；
(3.4)nj的邻居nk在收到信息后若自己是自身及周围一跳邻居节点且未执行方法的集合(N＝0)中的最大w值节点，则nk也为独立点，其处理方式同ni，否则不处理；
(3.5)所有的节点都执行过方法后消息传播结束，最终节点参数M＝0的节点为独立节点，M＝1的节点为普通节点，M>1的节点为网关节点。
4.根据权利要求1所述的适用于移动ad hoc网络的节能节点选举方法，其特征在于，所述步骤(4)中在极大独立集的基础上选出最小支配集的方法选出节能节点和非节能节点的具体步骤包括：
(4.1)对于网络中每个节点，设置变量P和N，令所有网关节点和普通节点N＝0，P＝1，所有的独立点N＝1，P＝1；P＝1表示节点为非节能点，P＝0表示节点为节能点，N＝0表示未执行支配集方法，N＝1表示已执行方法；
(4.2)对于所有非独立点，节点广播其一跳邻居为独立点的节点编号；对于所有独立点，节点广播其一跳邻居为网关节点的节点编号；
(4.3)对于所有普通节点令其N＝1，如果其两跳范围内的独立节点和网关节点构成的图能够连通，则为节能点令其P＝0，否则P＝1；
(4.4)对于所有网关节点ni，对其自身及两跳范围内的网关节点进行排序，若其为序列中w值最小的节点，则N＝1；若其两跳范围内的独立点集和网关点集导出的图能够连通，则P＝0，否则P＝1；并转发其节点信息N和P，其一跳的节点nj收到后再进行转发，当nj的一跳网关节点nk收到后，判断自己是否是自身及两跳范围内N＝0的点集合中w值最小的节点，如果是，则nk处理方式同ni，否则不处理；
(4.5)对于所有独立节点，对自身及两跳范围内的独立节点进行本地排序，并将N赋值为0；若节点是排序后的w值最小节点na，则N＝1；如果对于节点na两跳内的独立节点和一跳的网关节点中P＝1的点组成的集合所导出的图是连通的，并且能够使其na一跳周围任意的P＝0的非独立点与na一跳网关节点或者na两跳内的独立点相邻，则令na节点P＝0；并且通告该独立节点na的信息N和P，一跳P＝1的网关节点nb进行转发，使na两跳的独立节点nc收到该信息后，对比自己是否为自身及两跳范围内的独立节点中N＝0的集合中w值最小节点，如果是则按照na方式处理，否则不处理；
(4.6)所有的节点都执行过方法后消息传播结束，所有P＝1的节点为最终选择的非节能节点；P＝0的节点为节能节点。
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