CN110022185B - 一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法，采用了TDMA机制，将系统时间分割为多个连续的时帧；每个时帧由多个时隙组成，包括专用数据时隙(共D个)，用于骨干节点实时数据传输；随机数据时隙(共R个)，用于非骨干节点通过竞争的方式传输信令；随机接入时隙(共1个)，是刚开机节点申请入网以及网络时间同步所提供的时隙；开机后，发起节点首先成为骨干节点，按照算法规则，未入网节点依次入网成为非骨干节点或骨干节点；在网络工作过程中，通过相应的算法规则保障了网络的连通性和鲁棒性。本发明允许的网络节点的时间同步不依赖于某个特殊的节点(时间基准节点)，具有收敛速度较快、抗毁性能较强等特点。

Description

一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法

技术领域

本发明涉及网络算法技术领域，具体为一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法。

背景技术

目前常用的无线网络一般依赖大量的基础设施，然而网络的建设和维护需要大量的人力物力，以及在自然灾害，野外救援等一些特殊场景中，设备一旦被破坏，会使得网络陷入瘫痪。无线移动自组织网络具有无中心，不依赖基础设施，能够快速部署等特点，在许多场景下发挥着重要作用。在移动自组网节点数量很大的情况下，网络的维护开销急剧增长，导致网络性能降低。为了克服此问题，可选取网络中的部分节点构建“骨干网络”，从而使网络维护简单化。但在给定的拓扑图中，创建一个最小骨干网是一个NP难问题，以及如何创建一个合适的虚拟骨干网也成为讨论的热点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法，解决了现有技术的部分技术问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法，采用了TDMA机制，将系统时间分割为多个连续的时帧；每个时帧由多个时隙组成，包括专用数据时隙(共D个)，用于骨干节点实时数据传输；随机数据时隙(共R个)，用于非骨干节点通过竞争的方式传输信令；随机接入时隙(共1个)，是刚开机节点申请入网以及网络时间同步所提供的时隙；

开机后，发起节点首先成为骨干节点，按照算法规则，未入网节点依次入网成为非骨干节点或骨干节点；在网络工作过程中，通过相应的算法规则保障了网络的连通性和鲁棒性。

网络中的任意节点均处于“未入网状态”，“非骨干状态”，“骨干状态”之一。其中“未入网状态”指的是还未开机或刚开机但还未入网处于监听的状态，这些节点只能使用随机接入时隙发送数据；“非骨干状态”指的是该节点已入网，但只能使用随机数据时隙传送数据；“骨干状态”指的是该节点已入网，它作为网络的核心点具有路由转发功能，它能够使用专用数据时隙或者随机数据时隙传输数据。

这三个状态的状态转移图如图2所示。

对于网络中处于“未入网状态”的节点执行以下步骤：

Step 1.等待一小段时间(如一个时隙的时间)。

Step 2.若本节点为发起节点，那么本节点的状态设置为“骨干状态”，结束。

Step 3.若有一个邻节点为骨干节点则通过该邻节点申请入网，成为“非骨干状态”，结束。

Step 4.跳转至Step1。

对于网络中处于“非骨干状态”的节点执行以下步骤：

Step 1.等待一小段时间(如一个时隙的时间)。

Step 2.若本节点满足规则一，那么本节点的状态设置为“骨干状态”，结束。

Step 3.若本节点满足规则五，那么本节点的状态设置为“骨干状态”，结束。

Step 4.若本节点存在挂机重启或失联等情况，转为“未入网状态”，结束。

Step 5.跳转至Step1。

对于网络中处于“骨干状态”的节点执行以下步骤：

Step 1.等待一小段时间(如一个时隙的时间)。

Step 2.若本节点满足规则三或规则四，那么本节点设置为“非骨干状态”，结束。

Step 3.若本节点存在挂机重启或失联等情况，转为“未入网状态”，结束。

Step 4.跳转至Step1。

一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法，所述算法规则如下：

规则一：节点v有一个未入网节点邻居i，并且N_online(i)中不存在骨干节点，如果节点v并满足r(v)＞max{r(u)|u∈N_online(i),u≠v}，那么节点v将转为骨干节点；如果r(v)＝max{r(u)|u∈N_online(i),u≠v}

同时有ID(v)＞max{ID(u)|u∈N_online(i),u≠v}，则节点v在满足规则二的条件下可以转为骨干节点；

规则二：一个节点i想申请成为骨干节点时，节点i两跳范围内的邻居节点集合N_{twohop-backbone}(i)，N_{twohop-backbone}(i)集合中的每个节点都要满足两跳范围内的骨干节点数小于专用数据时隙数D；

规则三：如果骨干节点u的邻居中存在一个骨干节点v，骨干节点u转为非骨干节点的条件是满足

或N[u]＝N[v]满足且ID(u)＜ID(v)；

规则四：如果骨干节点u的邻居中存在骨干节点u和非骨干节点v，骨干节点u转为非骨干节点的条件是满足

或满足N(u)-{v,w}＝N(v)∪N(w)-{u,v,w}且ID(u)＝min(ID(u),ID(v),ID(w))；

规则五：非骨干节点v发现周围的任意两个骨干节点之间最小骨干跳数超过P，那么节点v在满足规则二的条件下可以转为骨干节点。

符号表

有益效果

本发明提供了一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法。具备以下有益效果：本发明允许的网络节点的时间同步不依赖于某个特殊的节点(时间基准节点),具有收敛速度较快、抗毁性能较强等特点。

附图说明

图1为本发明的时帧结构；

图2为本发明的算法状态转换图；

图3为本发明的网络拓扑图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

参照图1、图2、图3，本发明提供了一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法，采用了TDMA机制，将系统时间分割为多个连续的时帧；每个时帧由多个时隙组成，包括专用数据时隙(共D个)，用于骨干节点实时数据传输；随机数据时隙(共R个)，用于非骨干节点通过竞争的方式传输信令；随机接入时隙(共1个)，是刚开机节点申请入网以及网络时间同步所提供的时隙；

开机后，发起节点首先成为骨干节点，按照算法规则，未入网节点依次入网成为非骨干节点或骨干节点；在网络工作过程中，通过相应的算法规则保障了网络的连通性和鲁棒性。

实施例：一个11个节点的移动自组网拓扑如图3所示,设专用数据时隙D＝16，骨干节点最小跳数阈值P＝3。

例1：图中的节点f处于非骨干状态，其执行操作如下：

■Step 1.等待一小段时间(如一个时隙的时间)。

■Step 2.该节点发现满足规则一。即：它周围一个未入网的邻居节点e，有N_online(e)＝{f,c}。并且：

A.f,c均不是骨干节点

B.r(f)＝1,r(c)＝1

C.ID(f)＝6＞ID(c)＝3

D.N_{twohop-backbone}(f)，N_{twohop-backbone}(f)集合中的每个节点的两跳范围内的骨干节点数均小于D＝16。

本节点的状态设置为“骨干状态”，结束。

例2：图中的节点h处于未入网状态，其执行操作如下：

■Step 1.等待一小段时间(如一个时隙的时间)。

■Step 2.若本节点并非发起节点，下一步。

■Step 3.本节点邻居N_online(e)＝{f,c}，它们均为骨干节点，任选一个节点(例如f)，向其提交接入申请，成功后本节点转为非骨干状态。例3：图中的节点i处于非骨干状态，其执行操作如下：

■Step 1.等待一小段时间(如一个时隙的时间)。

■Step 2.若本节点周围无未接入节点，不满足规则一，下一步。

■Step 3.若本节点满足规则五；

即：节点i发现周围两个骨干节点j,b之间最小骨干跳数为4，超过P＝3，同时N_{twohop-backbone}(i)，N_{twohop-backbone}(i)集合中的每个节点的两跳范围内的骨干节点数均小于D＝16。本节点的状态设置为“骨干状态”，结束。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种适合于移动自组网的虚拟骨干网算法，其特征在于，所述算法规则如下：

规则一：节点v有一个未入网节点邻居i，并且N_online(i)中不存在骨干节点，如果节点v并满足r(v)＞max{r(u)|u∈N_online(i),u≠v}，那么节点v将转为骨干节点；如果r(v)＝max{r(u)|u∈N_online(i),u≠v}

同时有ID(v)＞max{ID(u)|u∈N_online(i),u≠v}，则节点v在满足规则二的条件下可以转为骨干节点；

规则二：一个节点i想申请成为骨干节点时，节点i两跳范围内的邻居节点集合N_{twohop-backbone}(i)，N_{twohop-backbone}(i)集合中的每个节点都要满足两跳范围内的骨干节点数小于专用数据时隙数D；

规则三：如果骨干节点u的邻居中存在一个骨干节点v，骨干节点u转为非骨干节点的条件是满足

或N[u]＝N[v]满足且ID(u)＜ID(v)；

规则四：如果骨干节点u的邻居中存在骨干节点u和非骨干节点v，骨干节点u转为非骨干节点的条件是满足

或满足N(u)-{v,w}＝N(v)∪N(w)-{u,v,w}且ID(u)＝min(ID(u),ID(v),ID(w))；

指节点v的N(v)与节点w的N(w)的并集去掉节点u的{u}后的集合包含节点u的N(u)；N(u)-{v,w}＝N(v)∪N(w)-{u,v,w}：指节点u的N(u)去掉节点v,w的{v,w}后的集合等于节点v的N(v)与节点w的N(w)的并集去掉节点u,v,w的{u,v,w}后的集合；

规则五：非骨干节点v发现周围的任意两个骨干节点之间最小骨干跳数超过P，那么节点v在满足规则二的条件下可以转为骨干节点；

规则一至规则五的符号介绍如下：

D,R分别为专用数据时隙个数以及随机数据时隙个数；

w指节点w；

{u}包含节点u的集合；

{v,w}包含节点v、w的集合；{u,v,w}包含节点u、v、w的集合；

r(u)、r(v)指节点u,节点v周围骨干节点的邻居数；

N(u)、N(v)、N(w)分别代表节点u、节点v、节点w一跳范围内的邻居节点集合，集合中不包括节点u、节点v、节点w本身；

N[u] N[u]＝N(u)∪{u},表示N(u)与{u}的并集，即节点u一跳范围内的邻居节点集合，包括节点u本身；

N[v] N[v]＝N(v)∪{v},表示N(v)与{v}的并集，即节点v一跳范围内的邻居节点集合，包括节点v本身；

N[w] N[w]＝N(w)∪{w},表示N(w)与{w}的并集，即节点w一跳范围内的邻居节点集合，包括节点w本身；

ID(u) ID号是节点在网络中的唯一标识符，ID号由整数构成，每个节点设备都有自己唯一的ID号,ID(u)表示节点u在网络中的唯一的一个标识数；

ID(i)、ID(v)分别表示节点i、节点v在网络中的唯一的一个标识数；

N_online(u),N_online(i)分别指节点u、节点i目前已知的一跳范围内已入网的节点的集合，包括了骨干节点和非骨干节点，但是在通信范围内未入网的节点无法被探知，将不会被记录在内；

N_backbone(u)指节点u目前已知的一跳范围内已入网的骨干节点的集合；

N_non-backbone(u)指节点u目前已知的一跳范围内已入网的非骨干节点的集合；

N_{twohop-online}(u)指节点u目前已知的两跳范围内已入网的节点的集合；

N_{twohop-backbone}(u)指节点u目前已知的两跳范围内已入网的骨干节点的集合。

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