CN106034280A - 一种自组网中基于节点身份特征的分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自组网中基于节点身份特征的分簇方法，包括：基于节点身份特征划分默认簇、分配簇ID并指定簇头；所述节点具有全网唯一的节点ID和簇内唯一的簇内ID，所述簇内ID由其所在簇的簇头基于节点身份特征行分配；各簇占用公共控制区广播本簇信息并侦听邻簇信息；所述簇信息至少包括：簇ID和簇头的簇内ID；各簇内节点占用簇内控制区广播本节点信息并侦听邻节点信息；所述节点信息至少包括簇内ID。本发明考虑了节点身份特征，在不改变节点编制体系条件下，实现了安全高速率的通信。

Description

一种自组网中基于节点身份特征的分簇方法

技术领域

本发明涉及自组织网络，尤其涉及一种自组网中基于身份特征的分簇方法。

背景技术

Ad Hoc网络通常采用分簇方法来实现分级结构，以支持网络的可扩展性和QoS保障。目前，分簇算法主要包括无头簇和有头簇两大类。

由于无头簇在节点移动场景中簇管理的开销太大，移动Ad Hoc网络更青睐于有头簇的分级结构。诸如基于节点ID的链路分簇算法(Link clusteralgorithm,LCA)实现简单，但是簇头太多；基于节点度的分簇算法簇个数较少，但是节点移动性比较强时，簇头更新频繁，簇结构变化太大；基于移动性的分簇算法要求计算邻居的移动速度，计算复杂度比较大；而考虑了簇稳定性和节点能耗的分簇算法更适合于静态网络。同时这些网络场景中节点为簇头的一跳节点，不适合于多跳网络。

支持多跳的有头簇，诸如基于地理位置的分簇结构需要传递节点的位置坐标，开销太大；最大最小跳分簇算法通过测量节点密度，数量，运动模式和业务需求来动态调整簇的尺寸。这种分簇算法也没有考虑节点之间的业务属性和所在组织制约关系，无法满足具有节点业务特征的移动Ad Hoc网络对通信的需求。

分簇算法的选择依赖于实际的需求，网络环境和节点特征。当网络节点之间具有组织性，层级关系，移动性和保密要求的时候，目前存在的无头簇，一跳簇和多跳簇均不能适用于这类有严格组织结构关系的网络。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种自组网中基于节点身份特征的分簇方法，包括：

基于节点身份特征划分默认簇、分配簇ID并指定簇头；

所述节点具有全网唯一的节点ID和簇内唯一的簇内ID，所述簇内ID由其所在簇的簇头基于节点身份特征行分配；

各簇占用公共控制区广播本簇信息并侦听邻簇信息；所述簇信息至少包括：簇ID和簇头的簇内ID；

各簇内节点占用簇内控制区广播本节点信息并侦听邻节点信息；所述节点信息至少包括簇内ID。

优选的，还包括：当簇头消失或簇头派分队出簇时，失去簇头的原簇节点根据簇头策略产生新簇头，所述新簇称为原簇的分裂簇，具有与原簇相同的簇ID。进一步的，所述产生新簇头的过程包括：所述失去簇头的原簇节点继续发送节点广播并侦听邻节点，比较本节点是否比邻节点更符合所述簇头策略：如果是则在后续节点广播中标识身份为簇头；如果不是则在后续节点广播消息中标识身份为成员。跟进一步的，所述失去簇头的原簇节点收到簇头信息后，在节点广播消息中携带节点ID；所述新簇头接收并记录所述节点ID到本簇黑白灰名单。

优选的，所述簇在簇头消失后停止簇广播，所述新簇头产生后在公共控制区发送新簇广播，所述新簇广播携带簇ID、新簇头的簇内ID和新簇使用的资源。

优选的，还包括：所述簇与其他邻簇可以相互合并。进一步的，所述合并过程包括：簇内节点发现其他邻簇后，通过随机竞争申请接入所述邻簇；或者簇内节点将其邻簇信息转发给本簇簇头节点，所述簇头节点在本簇内广播向目标簇合并信息，所述簇内节点随机竞争接入所述目标簇；或者簇内节点将其邻簇信息转发给本簇簇头节点，所述簇头节点与目标簇簇头进行信息协商：如果所述目标簇可以接纳本簇所有成员，则所述簇头节点在本簇内广播向目标簇合并信息，所述簇内节点随机竞争接入所述目标簇；如果所述目标簇可以接纳本簇部分成员，则所述簇头随机选择相应个数的簇成员，并在广播向目标簇合并信息中添加所述选定的节点信息；所述选定的簇成员节点随机竞争接入所述目标簇；如果所述目标簇不能接纳任何新成员，则所述簇维持不变。

优选的，还包括：具有相同簇ID的簇相遇时进行自合并，进行自合并的各簇的所有节点在簇内控制区更新邻居列表的过程中完成对簇头的更新。进一步的，所述簇内成员节点如果收到比自身维护的簇头更符合所述簇头策略的簇头消息，则在节点广播中携带节点ID；所述簇头节点如果收到比自身更符合所述簇头策略的簇头消息，则在节点广播中删除簇头标识、携带节点ID，并转发所述接收到的簇头消息。所述具有相同簇ID的各簇为原簇和分裂簇，或同一个原簇的多个分裂簇。

优选的，所述簇头策略包括：由簇内ID最小/大的节点作为簇头，或者根据优先级算法由优先级最高的节点作为簇头。所述占用为TDMA方式。

本发明考虑了节点身份特征，在不改变节点编制体系条件下，实现了安全高速率的通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中产生新簇头的流程框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的方法适用于具有严格组织结构关系的节点构成的自组织网络，诸如军队，学校，企业部门之间等。本发明提出一种自组网中基于节点身份特征的分簇方法包括：

基于节点身份特征划分默认簇、分配簇ID并指定簇头；

所述节点具有全网唯一的节点ID和簇内唯一的簇内ID，所述簇内ID由其所在簇的簇头基于节点身份特征行分配；

各簇占用公共控制区广播本簇信息并侦听邻簇信息；所述簇信息至少包括：簇ID和簇头的簇内ID；

各簇内节点占用簇内控制区广播本节点信息并侦听邻节点信息；所述节点信息至少包括簇内ID。

进一步的，当簇头消失或簇头派分队出簇时，失去簇头的原簇节点根据簇头策略产生新簇头，所述新簇称为原簇的分裂簇，具有与原簇相同的簇ID。进一步的，所述产生新簇头的过程包括：所述各原簇节点继续发送节点广播并侦听邻节点，比较本节点是否比邻节点更符合所述簇头策略：如果是则在后续节点广播中标识身份为簇头；如果不是则在后续节点广播消息中标识身份为成员。跟进一步的，所述原簇节点收到簇头信息后，在节点广播消息中携带节点ID；所述新簇头接收并记录所述节点ID到本簇黑白灰名单。

优选的，所述簇在簇头消失后停止簇广播，所述新簇头产生后在公共控制区发送新簇广播，所述新簇广播携带簇ID、新簇头的簇内ID和新簇使用的资源。

上述方法中，簇之间可以相互合并。所述合并过程可以采用如下方式进行：

方式1、簇内节点发现其他邻簇后，通过随机竞争申请接入所述邻簇；

方式2、簇内节点将其邻簇信息转发给本簇簇头节点，所述簇头节点在本簇内广播向目标簇合并信息，所述簇内节点随机竞争接入所述目标簇；

方式3、簇内节点将其邻簇信息转发给本簇簇头节点，所述簇头节点与目标簇簇头进行信息协商：

如果所述目标簇可以接纳本簇所有成员，则所述簇头节点在本簇内广播向目标簇合并信息，所述簇内节点随机竞争接入所述目标簇；

如果所述目标簇可以接纳本簇部分成员，则所述簇头随机选择相应个数的簇成员，并在广播向目标簇合并信息中添加所述选定的节点信息；所述选定的簇成员节点随机竞争接入所述目标簇；

如果所述目标簇不能接纳任何新成员，则所述簇维持不变。

特别的，当具有相同簇ID的簇相遇时，可以进行自合并，进行自合并的各簇的所有节点在簇内控制区更新邻居列表的过程中完成对簇头的更新。具体如下：

成员节点如果收到比自身维护的簇头更符合所述簇头策略的簇头消息，则在节点广播中携带节点ID，并转发所述接收到的簇头消息；

簇头节点如果收到比自身更符合所述簇头策略的簇头消息，则在节点广播中删除簇头标识、携带节点ID，并转发所述接收到的簇头消息。

上述具有相同簇ID的各簇可能是原簇和分裂簇，也可能是同一个原簇的多个分裂簇。

上述方法中涉及到的簇头策略可以是：由簇内ID最小的节点作为簇头，或者由簇内ID最大的节点作为簇头，或者根据优先级算法由优先级最高的节点作为簇头等等。此外节点进行簇广播和节点广播时对资源的占用可以采用TDMA方式或其他。

本发明考虑了节点身份特征，在不改变节点编制体系条件下，实现了安全高速率的通信。

实施例1

以军队为例，网络节点包括连长，排长，班长，士兵，假设簇个数为16。

分配簇ID：以班为单位进行分簇，每个簇有唯一的簇ID(0-15)，簇之间为平级；簇ID分配满足班级之间的编制关系，并被全网所知，例如0000,0001,0010为排长1下所直属的三个簇，0011,0100,0101为排长2下所直属的三个簇。

分配簇内ID：默认班长为簇头，簇内ID最小为0，班级成员为簇成员，簇内ID按照1,2,3,4依次排开；连长和排长根据行动需求可以加入任意簇，由簇头为其分配簇内ID；

簇头策略：按照簇内ID值选择簇头，簇内ID最小的节点为簇头，其他节点为簇成员，若簇头失去联系，则簇内成员ID值最小节点自动成为新簇头，依次类推。

节点优先级：连长>排长>班长>士兵。

实施例2：

当原簇头消失或分队派遣的情况下，会启动簇分裂过程，此时丢失了簇头的节点会按照基于节点簇内ID的簇头策略，选择产生新的簇头，当形成新簇头之后，则支持节点选择新簇加入。请参照附图1。

节点通过邻居节点广播信息，确认可通信的最小簇内ID，该最小簇内ID即为新的簇头，监听过程中，关闭簇广播功能。具体如下：

1、节点在对应于簇内ID的节点广播子帧发送节点广播信息，同时监听其他子帧，维护本节点邻居列表；

2、邻居发现窗口结束，比较邻居列表中节点的簇内ID与自己的簇内ID

a)如果自己的簇内ID值最小，在下一个超帧对应的节点广播消息中携带<簇头>标识；

b)如果自己的簇内ID值不最小，继续发送节点广播信息，标识身份为<成员>；

3、簇头形成后，

a)簇头在公共控制区广播簇信息，携带<簇ID，簇头ID>；

b)节点收到簇头节点信息，更新邻居列表，并在节点广播中携带<节点ID>；

c)簇头收到节点上报的节点ID后，将节点ID存储进相应的黑灰白名单，同时，有权利剔除非法节点；

d)簇头仍在本簇内进行发现，若发现簇内ID值更小的节点，则进行簇合并。

实施例3

簇与簇之间可以合并，可用方式如下：

方案一：簇内节点发现邻簇存在，根据需求随机竞争申请接入该簇；

方案二：簇内节点将邻簇信息转发给簇头，由簇头节点在本簇广播“向目标簇合并信息”，节点随机竞争接入该目标簇；

方案三：

节点将邻簇信息转发给簇头，簇头节点与邻簇簇头节点协商簇合并信息，包括：分裂簇属性，分裂簇节点属性，邻簇可接纳的新成员个数等。

如果邻簇可以完全接纳所有的本簇成员，则本簇簇头在簇内广播“向目标簇合并信息”，各节点随机竞争接入该目标簇；

如果邻簇不能完全接纳所有的本簇成员，则本簇簇头随机选择相应个数的簇成员加入该簇，并在广播“向目标簇合并”信息的时候，添加该节点信息。

如果邻簇不能接纳任何新成员，则本簇维持原状态。

实施例4

分裂簇与原簇或与同一原簇的其他分裂簇相遇，则进行自合并，具体如下：

节点收到节点广播消息，更新邻居列表；

对于成员节点：收到簇头消息，则比较自己维护的簇头簇内ID与收到的簇头簇内ID：如果原来维护的簇头簇内ID更小，则只更新邻居列表；如果收到的新簇头簇内ID更小，则更新自己维护的簇头信息，同时在节点广播中携带自己的节点ID；

对于簇头节点：收到另一个簇头信息，比较自己的簇内ID与收到的簇头簇内ID；如果自己的簇内ID值更小，则在节点广播过程中，仍然携带自己身份标识<簇头>；如果收到的簇头簇内ID更小，则在节点广播消息中删除自己的身份标识，携带节点ID，并转发该簇头信息；

簇头收到新节点的节点ID，置其进入节点名单。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种自组网中基于节点身份特征的分簇方法，包括：

基于节点身份特征划分默认簇、分配簇ID并指定簇头；

所述节点具有全网唯一的节点ID和簇内唯一的簇内ID，所述簇内ID由其所在簇的簇头基于节点身份特征进行分配；

各簇占用公共控制区广播本簇信息并侦听邻簇信息；所述簇信息至少包括：簇ID和簇头的簇内ID；

各簇内节点占用簇内控制区广播本节点信息并侦听邻节点信息；所述节点信息至少包括簇内ID。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

当簇头消失或簇头派分队出簇时，失去簇头的原簇节点根据簇头策略产生新簇头，所述新簇称为原簇的分裂簇，具有与原簇相同的簇ID。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述产生新簇头的过程包括：所述失去簇头的原簇节点继续发送节点广播并侦听邻节点，比较本节点是否比邻节点更符合所述簇头策略：如果是则在后续节点广播中标识身份为簇头；如果不是则在后续节点广播消息中标识身份为成员。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

所述失去簇头的原簇节点收到簇头信息后，在节点广播消息中携带节点ID；所述新簇头接收并记录所述节点ID到本簇黑白灰名单。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：所述簇在簇头消失后停止簇广播，所述新簇头产生后在公共控制区发送新簇广播，所述新簇广播携带簇ID、新簇头的簇内ID和新簇使用的资源。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：所述簇与其他邻簇可以相互合并。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述合并过程包括：

簇内节点发现其他邻簇后，通过随机竞争申请接入所述邻簇；或者，

簇内节点将其邻簇信息转发给本簇簇头节点，所述簇头节点在本簇内广播向目标簇合并信息，所述簇内节点随机竞争接入所述目标簇；或者，

簇内节点将其邻簇信息转发给本簇簇头节点，所述簇头节点与目标簇簇头进行信息协商：

如果所述目标簇可以接纳本簇所有成员，则所述簇头节点在本簇内广播向目标簇合并信息，所述簇内节点随机竞争接入所述目标簇；

如果所述目标簇可以接纳本簇部分成员，则所述簇头随机选择相应个数的簇成员，并在广播向目标簇合并信息中添加所述选定的节点信息；所述选定的簇成员节点随机竞争接入所述目标簇；

如果所述目标簇不能接纳任何新成员，则所述簇维持不变。

8.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：具有相同簇ID的簇相遇时进行自合并，进行自合并的各簇的所有节点在簇内控制区更新邻居列表的过程中完成对簇头的更新。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述自合并具体包括括：

所述簇内成员节点如果收到比自身维护的簇头更符合所述簇头策略的簇头消息，则在节点广播中携带节点ID，并转发所述接收到的簇头消息；

所述簇头节点如果收到比自身更符合所述簇头策略的簇头消息，则在节点广播中删除簇头标识、携带节点ID，并转发所述接收到的簇头消息。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述具有相同簇ID的各簇为原簇和分裂簇，或同一个原簇的多个分裂簇。

11.根据权利要求2、3、5和9任意一项所述的方法，其特征在于，所述簇头策略包括：由簇内ID最小/大的节点作为簇头，或者根据优先级算法由优先级最高的节点作为簇头。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述占用为TDMA方式。