CN108541018B - 大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法。上级簇头根据簇成员的通信质量将簇成员划分为k个类，并统计每类中簇成员的数量。上级簇头给每类簇成员赋予选择权重，根据每类簇成员的选择权重和每类簇成员的数量来计算每个类的选中概率。上级簇头按照计算出的选中概率，随机选择一个类，然后从该类中等概率选出一个簇成员作为临时子簇头。选出临时子簇头后，该临时子簇头所在类的成员数减1。重复步骤B3至B5，选出新的临时子簇头，直至当前周期内能够生成的临时子簇头数达到上限或没有簇成员可供选择。上级簇头将判断选出的临时子簇头是否能成为正式子簇头，并更新临时子簇头、正式簇头、簇成员的数量。簇头利用该信息在步骤B3中判定是否能够生成新的临时子簇头。

Description

大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法

技术领域

本发明涉及自组网技术领域，尤其涉及到分簇自组网技术。

背景技术

分簇是管理大规模自组织网络的一种有效方法。传统自组织分簇网络的形成分为组网和分簇两个阶段。组网阶段首先形成非簇形网络，然后通过交互网络信息和改变设备间的关联关系，最终形成簇状拓扑。然而，当组网节点数多、并发量大时，设备间的组网信息交互会产生非常大的通信开销，信道容易拥塞，导致组网和分簇成功率低、时间长。甚至可能出现组网完全无法进行的情况。

现有选择生成簇头的技术方案有：

1、基于类的簇头选择算法：

LEACH协议主要应用于无线传感器网络。该协议将整个网络分为若干个簇，每个簇选取一个簇头，其他节点将自己所采集的信号传输给所属的簇头，簇头将所有接收到的信号和自己的信号进行数据融合并传送给接收器。由于簇头消耗的能量远高于其他节点，因此簇中所有成员轮次担任簇头。每个轮次结束后随机选择新的簇头，从而实现所有簇成员的能耗均衡。然而簇头是随机产生的，仍可能出现簇头分布不均匀，从而导致网络能量消耗不均匀。显然，LEACH协议基于先组网后成簇的方案，其算法核心是通过随机化选择簇头来是能耗在节点间分布均匀。

2、基于剩余能量的簇头选择算法：

HeeD协议进行簇头选择的主参数依赖于剩余能量，具有将多剩余能量的节点有较大的概率成为簇头，节点是否成为簇头取决于剩余能量是否比周围节点多得多。HeeD协议使用完全分布式的簇头产生方式，簇头产生较快，能产生分布较为均匀的簇头与合理的网络拓扑。

3、兼顾多因素的簇头选择算法：

兼顾多因素的簇头选择算法考虑了节点信任度、通信因素、能量因素和数据因素等进行簇头选择。节点信任度包括直接信任值(源节点与目标节点直接交互计算所得的信任值)和间接信任值(源节点通过推荐节点对目标节点的监控得到的信任值)；通信因素指目标节点历史通信的失败与否，可以作为判断其是否为恶意节点的依据；能量因素指设备的剩余能量；数据因素包括数据内容的大小以及数据的一致性。基于以上因素，为不同因素设计相应权重，从而计算每个节点的综合评分，依据评分进行簇头的选择。

4、蓝牙散射网(Scatternet)的主节点选择方法：

蓝牙散射网是蓝牙系统使用的一种拓扑结构，是由多个微微网互联形成的，每个微微网中包含一个主节点和多个次节点。组网时首先根据权重选择多个主节点，选出的主节点再依次形成各自的微微网并与现有的微微网互联，最后完成整个组网过程。该网络组网时已知所有需要入网设备的数量和状态，在形成微微网前先两两比较所有设备的权值(由剩余能量、数据处理能力等资源状况决定)，选取权值较大的一部分设备作为接下来组网过程中的主节点。然而在大规模自组织网络中，两两比较设备的权值将带来较大时间开销和组网延迟。本质上，这种方法等价于首先完成组网，然后交互网络信息，最后形成簇。

发明内容

为解决大规模自组织网络组网面临的上述问题，本发明提出了一种组网和分簇可同步进行的方法，通过在组网过程中不断生成簇来缓解网络拥塞。

然而，与先组网后分簇的传统方案不同，这种新组网方案在生成簇前没有与未入网设备交互。因此，网络无法获得周围未入网设备的空间分布、信道质量等信息，只能根据少量已知信息选择已入网设备生成新簇(即成为新的生成簇头)。如何选择生成簇头成为这种新组网方案所面临的问题。

本发明的目的在于提供大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，使网络中簇的总数以及设备经过簇头至网关的通信跳数能够得到有效减少，并使周围未入网设备都能入网。

大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，包括以下步骤：

步骤B1：在组网过程中，上级簇头根据簇成员与其通信质量将簇成员划分为k类：L₁,...,L_i-1,L_i,L_i+1,...,L_k，并统计每类簇成员的数量：n₁,n₂,...,n_k；

步骤B2：上级簇头给每类簇成员赋予选择权重：w₁,...,w_i-1,w_i,w_i+1,...,w_k；

步骤B3：若可以从当前簇成员中选出新的临时子簇头，根据每类簇成员的选择权重和每类簇成员的数量来计算每类簇成员被选中成为临时子簇头的概率：p₁,...,p_k；选中概率的计算公式为：

其中，n_i表示第i类簇成员的数量；设任意n_i＝0时，I(0)＝0，设任意n_i＞0时，I(n_i)＝1；

步骤B4：上级簇头根据计算出的概率分布随机选择一个类(p_i越大，第i类被选中的概率越大，反之越小)，然后从该类中等概率随机选出一个簇成员作为临时子簇头；

步骤B5：选出临时子簇头后，该临时子簇头所在类的成员数减1；重复步骤B3至B5，选出新的临时子簇头，直至当前T时间内能够生成的临时子簇头数达到上限或没有簇成员可供选择。

本发明的设计原理为：为最小化网络中簇的总数以及设备经过簇头至网关的通信跳数，需要将入网设备(同一个簇中的多个簇成员)按照不同信号强度等级分类。在保证一定信号强度的情况下，簇头优先选择信号强度较弱的设备作为新的生成子簇头。该方法在一定概率上能够保证生成的簇头距离上一级簇头较远，网络能以最小的通信跳数和最少的簇个数来扩展覆盖范围。本发明提出的方法可一次性生成多个簇头，并通过簇头的随机化生成来保证网络周围空间中的设备都有机会加入网络。此外，新生成的簇头具有时效性。若一段时间内没有设备通过新生成的簇头入网，即关联到该簇头，则该簇头被其上级簇头重置为簇成员。空出的簇头名额将被重新分配给其它已入网设备，以保证簇头名额的有效利用。

在上述步骤B3中，临时子簇头的选择概率根据不同信号质量等级的簇成员数量分布和设置的选择权重计算得到。簇头根据该概率分布随机选出临时子簇头。一个簇成员所在类的选中概率越高，则该簇成员成为临时子簇头的概率也越大。为保证周围所有设备都能入网，临时子簇头被随机选择。当某一类的簇成员数量为0时，簇头只能从其它类的簇成员中选出临时子簇头。因此，簇成员的选中概率将被重新计算。重新计算后，虽然不同类被选中的概率都会上升(其概率和始终为1)，但其概率分布仍然与选择权重的归一化结果保持一致。

优选地，步骤B3中，是否能够生成新的临时子簇头的判定方法为：设置任意一个簇中最多能够生成的正式子簇头数为N，一次能够生成的临时子簇头个数m。每当需要生成临时子簇头时，上级簇头使用公式s＝min(N-l,m,k)计算可生成的临时子簇头数s。其中，l表示当前簇内子簇头总数(包括正式子簇头和临时子簇头)，k表示非正式子簇头数(包括簇成员和临时子簇头)。当s＝0，上级簇头无法生成新的临时子簇头。系统中簇和簇头的数量从而被有效控制。本发明中，k为0表示所在簇中没有簇成员。若一段时间内没有设备加入该簇，则表明该簇并不能有效扩展网络覆盖范围。此时，该簇的簇头被重置为簇成员，以避免系统产生不必要的簇。

优选地，所述步骤B2中，簇头给每类簇成员赋予选择权重的方法为：将簇成员按通信质量由高至低分为k个类，L₁＞...＞L_i-1＞L_i＞L_i+1＞...＞L_k。相应地，选择权重具有如下关系，w₁＞...＞w_i-1＞w_i＞w_i+1＞...＞w_k。其中，L₁与w₁对应，L₂与w₂对应，依此类推，L_k与w_k对应。通常网络中不同设备与簇头的通信质量会有一定差异。若赋予通信质量较好的设备过高的选择权重，网络的簇数量和通信跳数将得不到有效控制；相反，若赋予通信质量较差的设备过高选择权重，信息传输的可靠性又会受到影响。因此，按照上述设计的选择权重，本发明优先选择通信质量处于中间值的簇成员作为子簇头。

优选地，选出的临时子簇头不一定都适合成为正式子簇头。例如，临时子簇头周围没有任何未入网设备的情况。

具体地，本发明列举了2种方式来判断一个临时子簇头是否能够成为正式子簇头：

方式一

选出临时子簇头后，用临时子簇头通过广播信标帧组网。若T时间内，没有设备通过广播组网关联到临时子簇头，则重置该临时子簇头为簇成员。此时，重复步骤B3、B4选择新的临时子簇头。若T时间内，临时子簇头有设备关联，则临时子簇头成为正式子簇头。在本方式中，规定时间内没有设备通过广播组网关联到临时子簇头意味着该临时子簇头周围没有未入网设备，或该临时子簇头与未入网设备的通信质量较差。由于该临时子簇头不适合成为正式簇头，其被重置为簇成员。

方式二

选出临时子簇头后，用临时子簇头通过广播信标帧组网。若T时间内，没有设备通过广播组网关联到临时子簇头，则重置该临时子簇头为簇成员。此时，重复步骤B3、B4选择新的临时子簇头。若T时间内，临时子簇头有设备关联，但该临时子簇头向上级簇头汇报簇信息超时，则重置该临时子簇头为簇成员。此时，重复步骤B3、B4选择新的临时子簇头。若T时间内，临时子簇头有设备关联，同时临时子簇头成功向上级簇头汇报簇信息，则临时子簇头成为正式子簇头。在本方式中，虽然有设备通过广播组网关联到临时子簇头，但并不意味着临时子簇头与其上级簇头的通信链路状态一直良好。因此，上级簇头可用汇报簇信息是否超时来判断与临时子簇头的通信质量，从而可避免发生故障或周围网络环境较差的设备成为簇头。

优选地，T时间为一个信标帧广播周期或多个信标帧广播周期。

上述技术方案适合对周围未入网设备的空间分布、信道质量等信息未知的情况下对簇头优化选择。例如，本发明所述的一种组网和成簇可同步进行的组网方法中，由于生成簇头时无法预知簇头周围是否有设备接入网络，故采用上述方案。

上述一种组网和分簇可同步进行的组网方法为：大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法。

大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法，包括以下步骤：

步骤A：正式簇头通过广播信标帧组网形成正式簇，转步骤B；

步骤B：从正式簇内选择符合临时子簇头条件的簇成员作为临时子簇头，转步骤C；

步骤C：临时子簇头广播信标帧组网形成临时簇，转步骤D、步骤E；

步骤D：若临时子簇头在T时间内未向正式簇头成功汇报簇信息，则重置该临时子簇头为簇成员；

步骤E：若临时子簇头在T时间内成功向正式簇头汇报簇信息，转步骤E1；

步骤E1：判断临时簇中簇成员数是否大于0；若大于0，则临时子簇头成为正式子簇头，若等于0，则重置该临时子簇头为簇成员；

步骤M：在正式子簇头所在的正式簇中重复步骤B至步骤M，生成新的正式簇。

大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法相当于上述步骤B。

大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法的设计原理为：

为了降低交互分簇所需网络信息带来的通信开销和时延，从而有效解决大规模网络组网时面临的困难，本发明将组网和分簇两个阶段合二为一，两者同步进行。在组网过程中，网络通过不断生成新的簇来减少大量设备间组网信息的交互以避免信道拥塞。此外，由于分簇过程逐渐进行，本发明还可降低交互分簇所需网络信息带来的通信开销和时延。在本发明中，正式簇头以广播信标帧的方式与其它设备组网，即广播组网。正式簇头周围的未入网设备监听信标帧，选出需要关联的簇头后发送入网请求。待正式簇头应答允许入网后，未入网设备与正式簇头关联，加入其管理的正式簇。其中，与正式簇头属于同一级网络中的设备称为其簇成员。若在某一T时间，正式簇内有N个簇成员，那么在本T时间内可以从N个簇成员中选择一个或多个成为临时簇头。选出的临时簇头开始新的广播组网。临时簇头的上一级正式簇头根据临时簇头是否成功上报簇信息，以及是否有新的设备关联到该临时簇头，判断其是否能成为正式簇头。当进入下一T时间，可能有新的簇成员加入该正式簇。若下一级子簇头数没有达到上限，正式簇头在其簇成员(包括新成员)中继续选出临时簇头。同样地，在指定临时簇头后，正式簇头根据临时簇头是否成功上报簇信息，以及是否有新的设备关联到该临时簇头，判断其是否能成为正式簇头。也就是说，本发明在组网时，每生成一个正式簇头，都可以利用生成的正式簇头组建一个新的簇，然后从新的簇内继续生成出新的正式簇头，再利用这个新的簇头形成新的正式簇，只是簇头在成为新的正式簇头前需要以临时簇头的身份来尝试与周围潜在未入网设备关联，并在规定时间内向其上级簇头汇报入网结果。整个网络的形成都是在组网的同时不断生成新的簇头和簇，并利用新生成的簇头继续形成新的下一级网络。往复循环，系统逐渐生成出大型簇状网络结构。在上述技术方案中，步骤D、步骤E、步骤E1用于确定临时子簇头应成为正式子簇头，还是需要被重置为簇成员。通过临时子簇头在时间内是否向上一级正式簇头成功汇报簇信息，网络可判断该临时子簇头与其上级正式簇头的无线通信是否异常。如果临时簇头上报簇信息失败，则表明通信链路丢包率过高，上级正式簇头会收回其临时簇头资格，并将其重置为簇成员。

总体来看，本发明为大规模自组织网络提供了一种生成簇组网技术。该技术使组网过程和成簇过程同步进行，可有效解决网络设备较多环境下的组网困难问题。在组网成簇过程中，本发明仅有少量的信息交互，从而使设备数较多时组网过程也不容易拥塞。然而，网络也因此无法获得周围未入网设备的空间分布及其信道环境信息。为解决该问题，本发明提出的生成簇组网技术将生成的簇头分为两大类，正式簇头(正式子簇头)和临时子簇头。在一个网络中，正式簇头用来与上一级簇中的正式簇头交互。在上一级簇中，该正式簇头称为上一级簇的正式子簇头。本级的簇头与它的正式子簇头交互，它的正式子簇头与该子簇头形成的下一级簇的簇成员交互，并同时从其簇成员中生成新的簇头和簇。正式簇头(正式子簇头)指已有设备关联成功的簇头(有簇成员)，而临时簇头是指可以被未入网设备关联但还未有设备关联的簇头(无簇成员)。临时簇头在与未入网设备关联成功后可成为正式簇头，在一段时间内未被关联或超时汇报簇信息则被重置为簇成员。只有正式簇头能生成新的子簇头。临时子簇头被用于“探寻”周围未入网的设备。

进一步地，由于任何一个簇头都存在故障风险，本发明采用的同步组网和同步生成簇的方式还可以解决簇头故障导致的簇重建问题。在现有技术中，由于组网和分簇过程分离，簇头故障时，系统需要通过重新综合网络信息，中心化或分布式地重新分簇。交互的大量信息可能导致网络出现拥塞。比较而言，本发明由于组网和成簇同步进行，可以使组网后的任意一簇成员重新生成下一级簇。因此，只需要在组网时或组网后对簇头监测，一旦发现簇头汇报簇信息超时，直接取消其簇头资格，并使其所管理的簇成员重新处于组网状态。这些解除关联的簇成员可重新加入周围的簇，并能够形成新的簇。这种特点使整个网络具有很强的自组织特性。在簇头故障时，网络只会在故障区周围发生局部重组和局部重新成簇。具体地，在步骤A至步骤M中至少任一步骤之后还进行步骤N。步骤N：若正式簇头在T时间内未向上级正式簇头成功汇报簇信息，则重置该正式簇头为簇成员；同时，该正式簇头向其簇成员发送离开网络消息，该正式簇被解散。

优选地，步骤D中，当临时簇中簇成员数大于0时，重置该临时子簇头为簇成员，临时子簇头向其临时簇内的簇成员发送离开网络消息(解除关联消息)，该临时簇被解散；当临时簇中簇成员数等于0时，直接重置该临时子簇头为簇成员。

优选地，步骤E1中，临时子簇头成为正式子簇头后，临时簇转为正式簇，新的正式簇头选择其簇成员作为临时子簇头继续扩展下一级子簇。

优选地，所述簇信息封装在汇报消息中，簇头向正式子簇头或临时子簇头发送汇报请求来轮询簇信息。汇报请求使用信标帧捎带传送，簇信息包括簇头信息和簇成员信息。

在本发明中，汇报的簇信息含有簇成员信息时，网络可根据该信息判断当前临时子簇头是否能成为正式子簇头。在接收到入网请求时，正式簇头或临时簇头会在接纳控制后回复入网结果(成功、失败以及失败原因)。

优选地，T时间为一个信标帧广播周期，也可以是多个信标帧广播周期。

基于上述方法所获得的一种分簇网络，

节点包括：正式簇头，以及从正式簇头所管理的簇成员中选出的临时簇头。

正式簇头：

正式簇头：

用于广播信标帧后等待周围的未入网设备加入；

用于向上级正式簇头汇报簇信息；

用于未入网设备加入所管理正式簇的接纳控制；

用于回复未入网设备加入其所管理正式簇的入网请求；

用于从与其关联的簇成员中选出临时子簇头；

用于临时簇头在时间内未成功汇报簇信息时，把临时簇头重置为其所在正式簇的簇成员；

用于在T时间内，临时簇头汇报簇信息未超时且临时簇中簇成员数大于0时把临时簇头设置为新的正式簇头；

用于在T时间内，临时簇头汇报簇信息未超时且临时簇中簇成员等于0时把临时簇头重置为其所在正式簇的簇成员；

临时簇头：

用于广播信标帧后等待周围的未入网设备加入形成临时簇；

用于向上级正式簇头汇报簇信息；

用于未入网设备加入所管理临时簇的接纳控制；

用于回复未入网设备加入所管理临时簇的入网请求；

用于在临时簇头变为簇成员时向临时簇内的簇成员发送离开网络消息。

所述正式簇头为第一级簇头时，正式簇头为协调器，称为根簇头。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：可有效减少网络中簇的数量以及设备与网关通信的路由跳数，且能保证周围未入网设备都有机会入网。将该技术应用于组网和成簇同步进行的组网方法中，可有效解决在周围设备空间分布和信道质量未知情况下，设备的入网问题。通过使用组网与成簇同步进行的方法，组网和分簇引起的通信开销可被有效降低，从而在设备数较多、并发入网量大时也不容易发生网络拥塞，系统的组网速度和成功率得到有效提升。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是广播组网时未入网设备入网流程。

图2是大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法中根簇头、正式子簇头、临时子簇头的组网流程。

图3是生成簇组网过程中网络的拓扑变化。

图4是大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图3、图4所示。

大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，包括以下步骤：

步骤B1：在组网过程中，上级簇头根据簇成员与其通信质量将簇成员划分为k类：L₁,...,L_i-1,L_i,L_i+1,...,L_k，并统计每类簇成员的数量：n₁,n₂,...,n_k；

步骤B2：上级簇头给每类簇成员赋予选择权重：w₁,...,w_i-1,w_i,w_i+1,...,w_k；

步骤B3：若可以从当前簇成员中选出新的临时子簇头，根据每类簇成员的选择权重和每类簇成员的数量来计算每类簇成员被选中成为临时子簇头的概率：p₁,...,p_k；选中概率的计算公式为：

其中，n_i表示第i类簇成员的数量；设任意n_i＝0时，I(0)＝0，设任意n_i＞0时，I(n_i)＝1；

步骤B4：上级簇头根据计算出的概率分布随机选择一个类(p_i越大，第i类被选中的概率越大，反之越小)，然后从该类中等概率随机选出一个簇成员作为临时子簇头；

步骤B5：选出临时子簇头后，该临时子簇头所在类的成员数减1；重复步骤B3至B5，选出新的临时子簇头，直至当前T时间内能够生成的临时子簇头数达到上限或没有簇成员可供选择。

本发明的设计原理为：为最小化网络中簇的总数以及设备经过簇头至网关的通信跳数，需要将入网设备(同一个簇中的多个簇成员)按照不同信号强度等级分类。在保证一定信号强度的情况下，簇头优先选择信号强度较弱的设备作为新的生成子簇头。该方法在一定概率上能够保证生成的簇头距离上一级簇头较远，网络能以最小的通信跳数和最少的簇个数来扩展覆盖范围。本发明提出的方法可一次性生成多个簇头，并通过簇头的随机化生成来保证网络周围空间中的设备都有机会加入网络。此外，新生成的簇头具有时效性。若一段时间内没有设备通过新生成的簇头入网，即关联到该簇头，则该簇头被其上级簇头重置为簇成员。空出的簇头名额将被重新分配给其它已入网设备，以保证簇头名额的有效利用。

在上述步骤B3中，选每类簇成员的选择概率根据不同信号质量等级的簇成员数量分布和设置的选择权重计算得到。簇头根据该概率分布随机选出一类。一个簇成员所在类的选中概率越高，则该类中簇成员成为临时子簇头的概率也越大，然后从同类簇成员中等概率选择出簇成员作为临时子簇头。为保证周围所有设备都能入网，采用随机选择的方法。当某一类的簇成员数量为0时，簇头只能从其它类的簇成员中选出临时子簇头。因此，簇成员的选中概率将被重新计算。重新计算后，虽然不同类被选中的概率都会上升(其概率和始终为1)，但其概率分布仍然与选择权重的归一化结果保持一致。上述方法既能保证临时子簇头按照权重分布被选出，又能保证所有设备都有机会成为簇头。

在上述步骤B3中，临时子簇头的选择概率根据不同信号质量等级的簇成员数量分布和设置的选择权重计算得到。簇头根据该概率分布随机选出临时子簇头。一个簇成员所在类的选中概率越高，则该簇成员成为临时子簇头的概率也越大。为保证周围所有设备都能入网，临时子簇头被随机选择。当某一类的簇成员数量为0时，簇头只能从其它类的簇成员中选出临时子簇头。因此，簇成员的选中概率将被重新计算。重新计算后，虽然不同类被选中的概率都会上升(其概率和始终为1)，但其概率分布仍然与选择权重的归一化结果保持一致。

优选地，步骤B3中，是否能够生成新的临时子簇头的判定方法为：设置任意一个簇中最多能够生成的正式子簇头数为N，一次能够生成的临时子簇头个数m。每当需要生成临时子簇头时，上级簇头使用公式s＝min(N-l,m,k)计算可生成的临时子簇头数s。其中，l表示当前簇内子簇头总数(包括正式子簇头和临时子簇头)，k表示非正式子簇头数(包括簇成员和临时子簇头)。当s＝0，上级簇头无法生成新的临时子簇头。系统中簇和簇头的数量从而被有效控制。本发明中，k为0表示所在簇中没有簇成员。若一段时间内没有设备加入该簇，则表明该簇并不能有效扩展网络覆盖范围。此时，该簇的簇头被重置为簇成员，以避免系统产生不必要的簇。

优选地，所述步骤B2中，簇头给每类簇成员赋予选择权重的方法为：将簇成员按通信质量由高至低分为k个类，L₁＞...＞L_i-1＞L_i＞L_i+1＞...＞L_k。相应地，选择权重具有如下关系，w₁＞...＞w_i-1＞w_i＞w_i+1＞...＞w_k。其中，L₁与w₁对应，L₂与w₂对应，依此类推，L_k与w_k对应。通常网络中不同设备与簇头的通信质量会有一定差异。若赋予通信质量较好的设备过高的选择权重，网络的簇数量和通信跳数将得不到有效控制；相反，若赋予通信质量较差的设备过高选择权重，信息传输的可靠性又会受到影响。因此，按照上述设计的选择权重，本发明优先选择通信质量处于中间值的簇成员作为子簇头。

具体地，上述技术方案以图3的网络进行簇头选择具体如下：

图3左侧所示的初始网络拓扑中仅存在一个根簇头(图3中黑色实心圆圈表示)，存在5个簇成员，即k＝5。我们预先设置5个通信质量等级，并将簇成员根据这5个等级划为5类，分别是：L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，若以信号质量由高到低排序，则有L₁＞L₂＞L₃＞L₄＞L₅。其中，1个簇成员属于L₁类，0个簇成员属于L₂类，2个簇成员属于L₃类，2个簇成员属于L₄类别，0个簇成员属于L₅类。L₁、L₂、L₃、L₄、L₅的选择权重分别是：w₁、w₂、w₃、w₄、w₅，且w₁＜w₂＜w₃＜w₄＞w₅。具体地，L₁的选择权重w₁是10，L₂的选择权重w₂是20，L₃的选择权重w₃是40，L₄的选择权重w₄是60，L₅的选择权重w₅是20。设该簇最多能够生成2个正式子簇头(即N＝2)，每次能够生成的临时子簇头个数为2(即m＝2)。当前状态下，子簇头总数为0(即l＝0)。经计算，此时s＝2，故执行上述随机选择算法。具体地，先按照公式

计算每类簇成员被选中的概率分布。其中，p₁＝10/110、p₂＝0、p₃＝40/110、p₄＝60/110、p₅＝0。按照上述概率随机选出临时子簇头。假设L₁中的簇成员被选中成为临时子簇头。此时，L₁中的簇成员数为0，计算后可得s＝1。因此，还可选出一个临时子簇头。重新利用公式

可得：p₁＝0、p₂＝0、p₃＝40/110、p₄＝60/110、p₅＝0。可以看出，此时临时子簇头只能从簇成员数大于0的L₃和L₄中选出，且它们的选中概率分布与其归一化的权重一致。采用这样的设计，每一个簇成员都有机会成为子簇头，且权重较大的簇成员有更大可能性成为子簇头，从而能够有效减少通信跳数，达到用最少簇个数来扩展通信覆盖范围的目的。成为临时子簇头后，其它周围的设备可加入新生成的簇。如图3最右侧的拓扑所示，设备加入簇后，原来选出的临时子簇头成为正式簇头(黑色实心圆圈表示)。

优选地，选出的临时子簇头不一定都适合成为正式子簇头。例如，临时子簇头周围没有任何未入网设备的情况。

具体地，本发明列举了2种方式来判断一个临时子簇头是否能够成为正式子簇头：

方式一

选出临时子簇头后，用临时子簇头通过广播信标帧组网。若T时间内，没有设备通过广播组网关联到临时子簇头，则重置该临时子簇头为簇成员。此时，重复步骤B3、B4选择新的临时子簇头。若T时间内，临时子簇头有设备关联，则临时子簇头成为正式子簇头。在本方式中，规定时间内没有设备通过广播组网关联到临时子簇头意味着该临时子簇头周围没有未入网设备，或该临时子簇头与未入网设备的通信质量较差。由于该临时子簇头不适合成为正式簇头，其被重置为簇成员。

方式二

选出临时子簇头后，用临时子簇头通过广播信标帧组网。若T时间内，没有设备通过广播组网关联到临时子簇头，则重置该临时子簇头为簇成员。此时，重复步骤B3、B4选择新的临时子簇头。若T时间内，临时子簇头有设备关联，但该临时子簇头向上级簇头汇报簇信息超时，则重置该临时子簇头为簇成员。此时，重复步骤B3、B4选择新的临时子簇头。若T时间内，临时子簇头有设备关联，同时临时子簇头成功向上级簇头汇报簇信息，则临时子簇头成为正式子簇头。在本方式中，虽然有设备通过广播组网关联到临时子簇头，但并不意味着临时子簇头与其上级簇头的通信链路状态一直良好。因此，上级簇头可用汇报簇信息是否超时来判断与临时子簇头的通信质量，从而可避免发生故障或周围网络环境较差的设备成为簇头。

优选地，T为1或大于1。

实施例2

将上述实施例1应用到大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法，具体应用到下述步骤B中。

如图1、图2，图3所示，大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法，包括以下步骤：

步骤A：正式簇头通过广播信标帧组网形成正式簇，转步骤B；

步骤B：从正式簇内选择符合临时子簇头条件的簇成员作为临时子簇头，转步骤C；

步骤C：临时子簇头广播信标帧组网形成临时簇，转步骤D、步骤E；

步骤D：若临时子簇头在T时间内未向正式簇头成功汇报簇信息，则重置该临时子簇头为簇成员；

步骤E：若临时子簇头在T时间内成功向正式簇头汇报簇信息，转步骤E1；

步骤E1：判断临时簇中簇成员数是否大于0；若大于0，则临时子簇头成为正式子簇头，若等于0，则重置该临时子簇头为簇成员；

步骤M：在正式子簇头所在的正式簇中重复步骤B至步骤M，生成新的正式簇。

大规模自组织无线通信网络的生成簇组网方法的设计原理为：

为了降低交互分簇所需网络信息带来的通信开销和时延，从而有效解决大规模网络组网时面临的困难，本发明将组网和分簇两个阶段合二为一，两者同步进行。在组网过程中，网络通过不断生成新的簇来减少大量设备间组网信息的交互以避免信道拥塞。此外，由于分簇过程逐渐进行，本发明还可降低交互分簇所需网络信息带来的通信开销和时延。在本发明中，正式簇头以广播信标帧的方式与其它设备组网，即广播组网。正式簇头周围的未入网设备监听信标帧，选出需要关联的簇头后发送入网请求。待正式簇头应答允许入网后，未入网设备与正式簇头关联，加入其管理的正式簇。其中，与正式簇头属于同一级网络中的设备称为其簇成员。若在某一T时间，正式簇内有N个簇成员，那么在本T时间内可以从N个簇成员中选择一个或多个成为临时簇头。选出的临时簇头开始新的广播组网。临时簇头的上一级正式簇头根据临时簇头是否成功上报簇信息，以及是否有新的设备关联到该临时簇头，判断其是否能成为正式簇头。当进入下一T时间，可能有新的簇成员加入该正式簇。若下一级子簇头数没有达到上限，正式簇头在其簇成员(包括新成员)中继续选出临时簇头。同样地，在指定临时簇头后，正式簇头根据临时簇头是否成功上报簇信息，以及是否有新的设备关联到该临时簇头，判断其是否能成为正式簇头。也就是说，本发明在组网时，每生成一个正式簇头，都可以利用生成的正式簇头组建一个新的簇，然后从新的簇内继续生成出新的正式簇头，再利用这个新的簇头形成新的正式簇，只是簇头在成为新的正式簇头前需要以临时簇头的身份来尝试与周围潜在未入网设备关联，并在规定时间内向其上级簇头汇报入网结果。整个网络的形成都是在组网的同时不断生成新的簇头和簇，并利用新生成的簇头继续形成新的下一级网络。往复循环，系统逐渐生成出大型簇状网络结构。在上述技术方案中，步骤D、步骤E、步骤E1用于确定临时子簇头应成为正式子簇头，还是需要被重置为簇成员。通过临时子簇头在时间内是否向上一级正式簇头成功汇报簇信息，网络可判断该临时子簇头与其上级正式簇头的无线通信是否异常。如果临时簇头上报簇信息失败，则表明通信链路丢包率过高，上级正式簇头会收回其临时簇头资格，并将其重置为簇成员。

具体地，

图1中，无论是正式簇头还是临时簇头都利用广播信标帧组网。其中，未入网设备扫描各信道，侦听簇头广播的信标帧，获取簇头信息。遍历所有簇头信息后，未入网设备选出最合适的簇头并向其发送入网请求。得到成功回复后，设备加入簇头所在的网络。若被拒绝，未入网设备继续选出新的簇头，并发送入网请求。若没有簇头可选，未入网设备重新扫描信道。

图3中，从左至右依次为网络生成簇的三个阶段，左边第一个阶段为根簇头生成第一个簇(图3中左侧虚线区域)。其中，根簇头为正式簇头(在图中用实心圆圈表示)。在该网络中存在5个簇成员(在图中空心圆圈表示)。到了中间第二阶段，根簇头选出2个符合条件的簇成员作为临时子簇头(在图中十字型圆圈表示)。此时，图中的临时子簇头开始广播信标帧组网，图3所示第一阶段虚线区域外的5个设备因此可加入临近的临时簇中。经过步骤E和E1，2个新生成的临时子簇头都成为正式簇头，并分别生成了2个正式簇。同样地，这两个新生成的正式簇也通过选择下一级临时子簇头来生成新的簇。本发明中组网和分簇始终同步进行。

总体来看，本发明为大规模自组织网络提供了一种生成簇组网技术。该技术将组网过程和成簇过程同步进行，可有效解决网络设备较多时组网困难的问题。在组网成簇过程中，本发明省去了信息交互过程，使得设备数较多时也不容易拥塞，但与此同时网络对周围未入网设备的空间分布和信道质量变得未知。为解决该问题，本发明提出的生成簇组网技术将生成的簇头分为两大类，正式簇头(正式子簇头)和临时子簇头，正式簇头与正式子簇头的区别是：在一个网络中，正式簇头用来与上级簇网中的正式簇头交互，在上级簇网中该正式簇头称为上级簇网的正式子簇头，而在本级簇网中的正式子簇头则与本级簇网交互，而本级簇网中的正式子簇头则与正式子簇头所在的下级簇网中的其他簇成员交互，并同时让其簇成员生成新的簇头和簇网。正式簇头(正式子簇头)指已有设备关联成功的簇头(有簇成员)，而临时簇头是指可以被未入网设备关联但还未有设备关联的簇头(无簇成员)。临时簇头在被关联成功后转化为正式簇头，在一段时间内未被关联则变为簇成员。只有正式簇头能生成新的子簇头。临时子簇头被用于“探测”周围未入网的设备。

进一步地，由于任何一个簇头都存在故障风险，本发明采用的同步组网和同步生成簇的方式还可以解决簇头故障导致的簇重建问题。在现有技术中，由于组网和分簇过程分离，簇头故障时，系统需要通过重新综合网络信息，中心化或分布式地重新分簇。交互的大量信息可能导致网络出现拥塞。比较而言，本发明由于组网和成簇同步进行，可以使组网后的任意一簇成员重新生成下一级簇。因此，只需要在组网时或组网后对簇头监测，一旦发现簇头汇报簇信息超时，直接取消其簇头资格，并使其所管理的簇成员重新处于组网状态。这些解除关联的簇成员可重新加入周围的簇，并能够形成新的簇。这种特点使整个网络具有很强的自组织特性。在簇头故障时，网络只会在故障区周围发生局部重组和局部重新成簇。具体地，在步骤A至步骤M中至少任一步骤之后还进行步骤N。步骤N：若正式簇头在T时间内未向上级正式簇头成功汇报簇信息，则重置该正式簇头为簇成员；同时，该正式簇头向其簇成员发送离开网络消息，该正式簇被解散。优选地，步骤B中，若没有符合临时子簇头条件的簇成员，则进行步骤N。步骤N：若正式簇头在T时间内未向上级正式簇头成功汇报簇信息，则重置该正式簇头为簇成员；同时，该正式簇头向其簇成员发送离开网络消息，该正式簇被解散。

实施例3

如图2所示，在实施例2的基础上，

优选地，步骤D中，当临时簇中簇成员数大于0时，重置该临时子簇头为簇成员，临时子簇头向其临时簇内的簇成员发送离开网络消息，该临时簇被解散；当临时簇中簇成员数等于0时，直接重置该临时子簇头为簇成员。

优选地，步骤E1中，临时子簇头成为正式子簇头后，临时簇转为正式簇，新的正式簇头选择其簇成员作为临时子簇头继续扩展下一级子簇。

优选地，所述簇信息封装在汇报消息中，簇头向正式子簇头或临时子簇头发送汇报请求来轮询簇信息。汇报请求使用信标帧捎带传送，簇信息包括簇头信息和簇成员信息。

在本发明中，汇报的簇信息含有簇成员信息时，网络可根据该信息判断当前临时子簇头是否能成为正式子簇头。在接收到入网请求时，正式簇头或临时簇头会在接纳控制后回复入网结果(成功、失败以及失败原因)。

优选地，T时间为一个信标帧广播周期，也可以是多个信标帧广播周期。

实施例4

一种生成簇组网，生成簇组网的节点包括：

正式簇头，以及从正式簇头所管理的簇成员中选出的临时簇头。

用于广播信标帧后等待周围的未入网设备加入；

用于向上级正式簇头汇报簇信息；

用于未入网设备加入所管理正式簇的接纳控制；

用于回复未入网设备加入其所管理正式簇的入网请求；

用于从与其关联的簇成员中选出临时子簇头；

用于临时簇头在T时间内未成功汇报簇信息时，把临时簇头重置为其所在正式簇的簇成员；

用于在T时间内，临时簇头汇报簇信息未超时且临时簇中簇成员数大于0时把临时簇头设置为新的正式簇头；

用于在T时间内，临时簇头汇报簇信息未超时且临时簇中簇成员等于0时把临时簇头重置为其所在正式簇的簇成员；

临时簇头：

用于广播信标帧后等待周围的未入网设备加入形成临时簇；

用于向上级正式簇头汇报簇信息；

用于未入网设备加入所管理临时簇的接纳控制；

用于回复未入网设备加入所管理临时簇的入网请求；

用于在临时簇头变为簇成员时向临时簇内的簇成员发送离开网络消息。

所述正式簇头为第一级簇头时，正式簇头为协调器，称为根簇头。

数据对比：

以80个实际设备进行组网(实验情况下这80个设备的位置不发生变化)，分别采用背景技术中所提到的ZigBee技术与本发明的设计对比后发现：基于IEEE802.15.4的ZigBee组网：80个设备全部入网所需时间大约为3分钟。

本发明的组网技术：80个设备全部入网所需时间大约为15秒。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了与上述实施例1-4描述的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法对应的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，由于本申请实施例中的装置解决问题的原理与本申请实施例1-4描述的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法相似，因此本实施例方法的实施可以参见实施例1-4描述的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法的实施，重复之处不再赘述。实施例5

本实施例提供一种大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，执行主体是上级簇头，该方法包括以下步骤(1)至步骤(4)：

(1)获取接入无线网络的多个簇成员中每个簇成员与自身连接的通信质量；

(2)根据获取到的每个所述簇成员的通信质量，将多个簇成员划分为不同类别的簇成员；

(3)确定所述不同类别的簇成员中每类簇成员的数量和权重，并根据所述每类簇成员的数量和权重，计算所述每类簇成员成为临时子簇头的概率；

(4)基于计算得到的所述每类簇成员成为临时子簇头的概率分布，确定选择临时子簇头的类别，并从确定的所述类别中选取簇成员作为临时子簇头。

上述步骤(3)具体包括以下步骤(31)至步骤(33)：

(31)按照通信质量与通信质量中间值越接近则权重越大的原则，向每类簇成员分配权重；

(32)分别统计不同类别的簇成员的数量，得到不同类别的簇成员中每类簇成员的数量；

(33)根据所述每类簇成员的数量和权重，计算所述每类簇成员成为临时子簇头的概率。

在上述步骤(31)中，不同类别的簇成员的含义与上述实施例中的术语“每类簇成员”一致。

在本实施例中，簇成员的通信质量的高低可以通过现有技术中与上级簇头连接的各簇成员的信号强度确定，信号强度越大，那么通信质量就越好。

上述信号强度，是上级簇头可以获取到的参数，而且簇成员数量是上级簇头在获取簇成员的信号强度时，统计与其连接的簇成员的数量得到的参数。

在上述实施例中记载了如下内容：优先选择通信质量处于中间值的簇成员作为子簇头。

上述子簇头包括：临时子簇头和正式子簇头。

上述步骤(32)可以包括以下步骤(321)至步骤(323)：

(321)分别获取当前簇内最多能够生成的正式子簇头数、一次能够生成的临时子簇头个数、当前簇内子簇头总数和非正式子簇头数；

(322)根据获取到的当前簇内最多能够生成的正式子簇头数、一次能够生成的临时子簇头个数、当前簇内子簇头总数和非正式子簇头数，分别计算所述每类簇成员可生成的临时子簇头数；

(323)当簇内可生成的临时子簇头数均非0时，统计每类簇成员的数量。

具体地，上述步骤(322)可以通过以下公式计算当前簇内可生成的临时子簇头数：

s＝min(N-l,m,k)

其中，s表示当前簇内的簇成员可生成的临时子簇头数；N表示最多能够生成的正式子簇头数；l表示当前簇内子簇头总数；m表示一次能够生成的临时子簇头个数；k表示非正式子簇头数。

在一个实施方式中，上述步骤(3)与步骤(33)可以通过以下公式计算每类簇成员成为临时子簇头的概率：

其中，p_i表示第i类簇成员成为临时子簇头的概率；w_i表示第i类簇成员的权重；n_i表示第i类簇成员的数量；k表示簇成员被划分成不同类别后的类别数量；I(n_i)根据n_i取0或1。

可选地，本实施例提出的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，还包括以下步骤(1)至步骤(2)：

(1)若在预设时段内接收到临时子簇头发送的簇信息时，将所述临时子簇头转换为正式子簇头；其中，所述簇信息用于指示有设备关联到所述临时子簇头；

(2)若在预设时段内未接收到所述临时子簇头发送的簇信息，则将所述临时子簇头重置为簇成员。

在上述步骤(1)中，上述簇信息的定义，是从实施例1中的如下描述中“若T时间内，临时子簇头有设备关联，同时临时子簇头成功向上级簇头汇报簇信息，则临时子簇头成为正式子簇头。在本方式中，虽然有设备通过广播组网关联到临时子簇头，但并不意味着临时子簇头与其上级簇头的通信链路状态一直良好。因此，上级簇头可用汇报簇信息是否超时来判断与临时子簇头的通信质量，从而可避免发生故障或周围网络环境较差的设备成为簇头。”得到的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，用于上级簇头，其特征在于，包括：获取接入无线网络的多个簇成员中每个簇成员与自身连接的通信质量；

根据获取到的每个所述簇成员的通信质量，将多个簇成员划分为不同类别的簇成员；

确定所述不同类别的簇成员中每类簇成员的数量和权重，并根据所述每类簇成员的数量和权重，计算所述每类簇成员成为临时子簇头的概率；

基于计算得到的所述每类簇成员成为临时子簇头的概率分布，确定选择临时子簇头的类别，并从确定的所述类别中选取簇成员作为临时子簇头；

其中，确定所述不同类别的簇成员中每类簇成员的数量和权重，并根据所述每类簇成员的数量和权重，计算所述每类簇成员成为临时子簇头的概率，包括：

按照通信质量与通信质量中间值越接近则权重越大的原则，向每类簇成员分配权重；

分别统计不同类别的簇成员的数量，得到不同类别的簇成员中每类簇成员的数量；

根据所述每类簇成员的数量和权重，计算所述每类簇成员成为临时子簇头的概率；

其中，根据所述每类簇成员的数量和权重，计算所述每类簇成员成为临时子簇头的概率，包括：通过以下公式计算每类簇成员成为临时子簇头的概率：

其中，p_i表示第i类簇成员成为临时子簇头的概率；w_i表示第i类簇成员的权重；n_i表示第i类簇成员的数量；k表示簇成员被划分成不同类别后的类别数量；I(n_i)根据n_i取0或1。

2.根据权利要求1所述的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，其特征在于，所述分别统计不同类别的簇成员的数量，得到不同类别的簇成员中每类簇成员的数量，包括：

分别获取当前簇内最多能够生成的正式子簇头数、一次能够生成的临时子簇头个数、当前簇内子簇头总数和非正式子簇头数；

根据获取到的当前簇内最多能够生成的正式子簇头数、一次能够生成的临时子簇头个数、当前簇内子簇头总数和非正式子簇头数，分别计算当前簇内可生成的临时子簇头数；

当簇内可生成的临时子簇头数均非0时，统计每类簇成员的数量。

3.根据权利要求2所述的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，其特征在于，根据获取到的当前簇内最多能够生成的正式子簇头数、一次能够生成的临时子簇头个数、当前簇内子簇头总数和非正式子簇头数，分别计算所述每类簇成员可生成的临时子簇头数，包括：

通过以下公式计算当前簇内可生成的临时子簇头数：

s＝min(N-l,m,k)

其中，s表示当前簇内的簇成员可生成的临时子簇头数；N表示最多能够生成的正式子簇头数；l表示当前簇内子簇头总数；m表示一次能够生成的临时子簇头个数；k表示非正式子簇头数。

4.根据权利要求1所述的大规模自组织无线通信分簇网络的生成簇头选择方法，其特征在于，还包括：

若在预设时段内接收到所述临时子簇头发送的簇信息时，将所述临时子簇头转换为正式子簇头；其中，所述簇信息用于指示有设备关联到所述临时子簇头。

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