CN111356039B - 无线光通信网络的拓扑形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种无线光通信网络的拓扑形成方法，主要解决目前三维无线光通信网络拓扑连通度低下的问题，实现步骤为：对无线光通信网络进行初始化；每个节点扫描邻居节点，获取邻居节点信息；每个节点计算自己的最大接入度C；将自身节点能量最优的节点升级为簇头节点；非簇头节点根据链路权值Wij选择一跳或两跳接入簇结构；对簇头节点进行Delaunay三角剖分，将其中属于邻居节点间的连接加入网络拓扑结构；对超出最大接入度的簇头节点进行拓扑优化，完成拓扑结构的建立。本发明能平衡网络能量，延长网络生存时间，提高了网络的联通度，增强了通信性能，可用于三维立体分布下的无线光通信网络。

Description

无线光通信网络的拓扑形成方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种无线光通信网络的拓扑形成方法，可用于三维立体分布下的无线光通信网络。
背景技术
自由空间激光通信FSO是指在宽阔无障碍物的空间内，如大气和海洋等,利用无线激光作为通信载体，对多种形式的通信业务，如语音、视频、数据等，进行交流的一种通信手段。FSO有带宽高，无需频率许可，抗电磁干扰，保密性高，成本低廉的优点，在应急通信、本地网接入、卫星通信、以及军事通信等领域的应用前景广阔。
目前，无线光通信领域的应用方式基本采用点对点通信，随着通信设备数量和带宽需求的增加，单纯的点对点通信已经不能满足大规模网络应用的要求，需要无线光通信组网技术的支持。由于无线光通信具有视距传输、对收发端对准性要求较高、链路功率受限且受到大气信道的影响等特点，因此传统Mesh、Ad-hoc中的组网技术不能照搬到无线光通信网络中，合理有效的网络拓扑结构及良好的路由算法可以最大限度弥补无线光通信链路特性带来的缺陷，同时对通信系统性能和整个网络的生存也有重大影响。
传统射频无线网络组网技术已经发展相对成熟，但无线光通信网络不同于传统射频无线网络，相比射频通信，无线光通信终端携带有限的收发器使其节点度受限，且只能定向收发信号，这导致无线光链路更容易断开，网络拓扑结构随时都发生变化，使得无线光网络拓扑控制难度增加，更需要良好的无线光网络拓扑形成方案增强网络的稳定性。
目前无线光网络拓扑结构主要分为两种：平面式网络拓扑结构和分层式网络拓扑结构。平面式网络拓扑结构适用于节点数目较少的小型网络中，所有节点等级一致，既能作为中心节点和其他节点进行信息传输，也可以作为中继节点转发收到的信息进行信息传输。分层式网络拓扑则通过分层使得网络变成多个平面式拓扑结构，其中每个底层的拓扑结构都具有一个簇头节点，所有簇头节点再通过形成平面式拓扑结构构成上层网络。当节点个数增加时，分层式网络拓扑结构可以通过增加簇结构个数或者分级数来克服平面式网络拓扑结构容扩性差的缺点。同时，由于簇成员不需要承担其他节点信息转发的功能，在一定程度上减少了节点通信开销。例如，Tao Shang等人在Topology control algorithm anddynamic management scheme for mobile FSO networks[J].IEEE/OSA Journal ofOptical Communications&Networking,2015,7(9):906-917中，公开了一种基于图论的拓扑结构，该拓扑结构把所有节点分为上下两层，上层节点是具有高性能的固定基站，下层节点为移动节点，然后采用局部Delaunay三角剖分方法形成上层节点拓扑。该方法的优点是采用了局部Delaunay三角剖分方法形成上层拓扑，增强了网络的连通度，但是同目前现有的大多拓扑形成方法一样，其结构往往针对的是在一个平面内分布的无线光通信节点，并不能适用于三维空间无线光通信网络的拓扑形成。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无线光通信网络的拓扑形成方法，以通过三维Delaunay三角剖分为基础构建网络拓扑结构，解决现有技术仅适用于二维空间分布的局限性问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)对无线光通信网络进行初始化：
获取无线光通信网络每个节点的信息，包括每个节点的位置信息、节点能量、通信距离、节点度、节点ID和簇ID，其中簇ID用于标记节点所属簇；
(2)每个节点利用邻居发现算法寻找自身的邻居节点，并采用捕获、瞄准、跟踪APT系统对这些邻居节点进行扫描，获取邻居节点的节点信息；
(3)每个节点计算自己的最大接入度C；
(4)每个节点通过节点能量判断自己是否是邻居节点中的最优节点：若是，则将该节点升级为簇头节点，即将簇ID设置为自身节点ID，继续执行(12)；否则，执行(5)；
(5)每个节点判断自己的簇ID是否非零：若是，分簇完成，执行(12)；否则，执行(6)；
(6)每个节点计算自身到邻居节点的链路权值Wij；
(7)每个节点选择邻居节点中是簇头的节点，按照链路权值大小对其进行排序后，执行(8)；若不存在是簇头的邻居节点，则执行(9)；
(8)每个节点对排完序的簇头节点的子节点数进行判断：若邻居簇头节点的子节点数小于最大接入度，则向该簇头节点发送建立链接请求，将该簇头节点作为上级节点，将发射天线指向该簇头节点，并将自己的簇ID设置为该簇头节点的节点ID，继续执行(12)；如果所有簇头节点的子节点数都大于或等于最大接入度，则执行(9)：
(9)每个节点选择邻居节点中的非簇头节点，按照链路权值大小对其进行的排序后，执行(9)；若不存在邻居非簇头节点，则将该节点升级为簇头节点，即将簇ID设置为自身节点ID，继续执行(12)；
(10)每个节点对排好序的非簇头邻居节点进行判断：如果该邻居节点与簇头节点一跳链接，则向该邻居节点发送建立链接请求，将该邻居节点作为上级节点，并将自己的簇ID设置为该邻居节点的簇ID，继续执行(12)；否则，执行(11)；
(11)每个节点选择链路权值最大的非簇头邻居节点接入，并向该节点发送建立链接请求，将自己的簇ID设置为该节点的节点ID，同时将该邻居节点升级为簇头节点，继续执行(12)；
(12)对所有簇头节点进行三维Delaunay三角剖分，向邻居簇头节点发送建立链接请求；
(13)所有簇头节点检查自己的实际接入度，当实际接入度大于最大接入度时，按照链路权值从小到大的顺序，在保证网络连通的情况下，删去多余链接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明以节点剩余能量进行簇头选举，并且将能量和距离综合考虑为链路权值对网络的每个节点进行分簇，这样可以平衡网络的剩余能量，增加节点的生存时间，增强簇内链路的稳定性，与现有技术相比，有效地增强了网络的稳定性。
2)本发明采用基于三维Delaunay三角网的方法生成网络拓扑结构，相比于单链路点对点通信，网络连通性有了很大的提高，同时增加了路由的选择，进一步增强网络的稳定性。
附图说明
图1为本发明的实现流程框图；
图2为本发明实例中的100个随机节点的网络拓扑结构图；
图3为本发明与现有技术的节点个数与点数连通度关系仿真对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，无线光通信网络的拓扑形成方法，包括如下步骤：
步骤1，对无线光通信网络进行初始化。
获取无线光通信网络每个节点的信息，包括每个节点的位置信息、节点能量、通信距离、节点度、节点ID和簇ID；
其中节点ID用于标识节点身份，具有唯一性，其ID值从序数1…n进行设置，簇ID用于标记节点所属节点簇，簇ID初始设置为0。
步骤2，每个节点利用邻居发现算法寻找自身的邻居节点，并确定这些邻居节点的节点信息。
(2.1)每个节点发射信标光，对自身所在区域进行扫描；
(2.2)当节点i接收到来自其他节点的信标光时，将天线对准该方向，发射信标光；
(2.3)通信双方节点均接收到信标光后，利用接收到信标光的光斑位置误差调整发射天线，进行瞄准；
(2.4)节点向瞄准后的方向发射信号光，该信号光携带有请求信息；
(2.5)节点根据接收到信号光的请求信息，发送应答信号；
(2.6)节点采用捕获、瞄准、跟踪APT系统对这些邻居节点进行扫描，发送携带有自身节点信息的光信号，并接收来自邻居节点的光信号，获取邻居节点的节点信息。
步骤3，每个节点计算自己的最大接入度C。
所述最大接入度是指在节点能量有限时，节点最多可同时链接通信的节点数，见常鑫宇在基于泰森多边形的无线光网络拓扑形成算法研究中的研究，其计算步骤如下：
(3.1)利用无线电能量模型E＝kdn，其中k表示无线电能量模型常数，在无线光通信时n＝2，计算节点发射数据的能量损耗EPX：
Figure BDA0002404565970000051
其中，m表示发送比特数，ε表示自由空间能量系数，即传送每比特数据所损耗的能量，
Figure BDA0002404565970000052
表示激光扫描角度，d表示传输距离；
(3.2)计算节点接收数据的能量损耗ERX：
ERX＝mER
其中，m表示接收数据的比特数，ER表示接收每比特数据所损耗的能量；
(3.3)计算节点同单个节点通信的能量损耗ETX：
Figure BDA0002404565970000053
其中，ETX_PE表示节点发送每比特信息时系统器材消耗的能量；
(3.4)计算节点总的能量损耗E：
Figure BDA0002404565970000054
其中t表示节点接入的节点数，di为该节点到第i个接入节点的距离，E0为节点能量；
(3.5)由柯西—施瓦茨不等式
Figure BDA0002404565970000055
其中a11,a12,…,a1n到at1,at2,…,atn是任意的实数；
可以推导出：
Figure BDA0002404565970000056
因此可以得到：
Figure BDA0002404565970000061
设Lmit为节点最大通信距离，可以得到：
Figure BDA0002404565970000062
推理可得：
Figure BDA0002404565970000063
(3.6)由此可得节点最大接入度C：
Figure BDA0002404565970000064
步骤4，每个节点进行判断操作。
(4.1)每个节点通过节点能量判断自己是否是邻居节点中的最优节点：若是，则该节点升级为簇头节点，即将簇ID设置为自身节点ID，继续执行步骤11；否则，执行(4.2)；
(4.2)每个节点判断自己的簇ID是否非零：若是，分簇完成，执行步骤11；否则，执行步骤5；
步骤5，每个节点计算自身到邻居节点的链路权值Wij。
节点i获取自身节点能量Ei以及邻居节点j的节点能量Ej，其自身到邻居节点的链路权值Wij通过如下公式计算：
Figure BDA0002404565970000065
其中，d(i,j)表示节点i到节点j的距离。
在无线光节点进行通信时，选择距离近的节点建立链接可以降低发射功率，但是仅仅考虑此单一条件会使得分布密集处的簇头节点能量下降过快，网络能量分布不均衡，因此可以将距离作为计算链路权值的条件，综合考虑节点能量，在距离相近时，选择剩余能量大的节点进行链接，这样可以使得网络能量分布更为均衡，增加网络稳定性。
步骤6，每个节点对所有邻居簇头节点进行排序。
每个节点选择邻居节点中是簇头的节点，按照链路权值大小对其进行的排序，继续执行步骤7；若不存在是簇头的邻居节点，执行步骤8。
步骤7，每个节点对排序后簇头节点的子节点数进行判断。
非簇头节点在选择簇头节点进行接入时，需要先对簇头节点的接入度进行判断，在簇头节点接入度达到饱和时，选择该簇头节点接入很可能导致簇头节点超负载通信，造成簇头节点死亡的情况，因此需要顺次选择次优簇头节点继续判断，从而降低簇头节点死亡率，延长节点生存时间。
本步骤的具体实现是：
每个节点将邻居节点的子节点数与邻居节点的最大接入度C进行比较：若邻居簇头节点的子节点数小于最大接入度，则向该簇头节点发送建立链接请求，将该簇头节点作为上级节点，将发射天线指向该簇头节点，并将自己的簇ID设置为该簇头节点的节点ID，继续执行步骤11；如果所有簇头节点的子节点数都大于或等于最大接入度，则执行步骤8。
步骤8，每个节点对所有邻居非簇头节点进行排序。
每个节点选择邻居节点中的非簇头节点，按照链路权值大小对其进行排序后，执行步骤9；若不存在邻居非簇头节点，则将该节点升级为簇头节点，即将簇ID设置为自身节点ID，执行步骤11。
步骤9，每个节点对排好序的非簇头邻居节点进行判断。
每个节点判断邻居非簇头节点是否直接与簇头节点链接：如果该邻居节点与簇头节点一跳链接，则向该邻居节点发送建立链接请求，将该邻居节点作为上级节点，并将自己的簇ID设置为该邻居节点的簇ID，继续执行步骤11；否则，执行步骤10。
底层节点接入上层网络时，如果仅支持直接接入，则每个簇头节点接入的底层节点会大大增多，限制网络扩容性。同时对于距离簇头节点较远的底层节点，直接接入网络会使得通信时发送功率大大增加，加速节点死亡，因此距离簇头较远的底层节点通过中继构建两跳路由与簇头节点建立链接，这样可以降低簇头节点的接入负荷，减缓其能量衰减，提高节点生存时间。
步骤10，每个节点设置新的簇头节点接入。
每个节点选择链路权值最大的非簇头邻居节点接入，向该节点发送建立链接请求，将自己的簇ID设置为该节点的节点ID，同时将该邻居节点升级为簇头节点，继续执行步骤11。
步骤11，对所有簇头节点进行三维Delaunay三角剖分，向邻居簇头节点发送建立链接请求。
(11.1)将任意四个簇头节点相连，形成一个四面体；
(11.2)插入一个簇头节点，判断该簇头节点是否在当前任意一个四面体内：
若是，则找出所有四面体外接球包含该插入节点的四面体，删除四面体间的公共面，连接插入节点与所有四面体顶点；
否则，找出所有四面体外接球包含该插入节点的四面体，删除四面体中最靠近插入节点的面，连接插入节点与该四面体顶点；
(11.3)重复(11.1)直至所有簇头节点都加入连接结构；
(11.4)每个簇头节点对所有邻居簇头节点进行判断建立链接：如果簇头节点和其邻居簇头节点在三维Delaunay三角剖分中有连接，则向该邻居簇头节点发送建立链接请求；否则，继续判断下一邻居簇头节点。
步骤12，对网络拓扑进行优化。
在完成三维Delaunay三角剖分后网络的连通度会大大提升，簇头间数据传输可以有多条路由选择，但是与此同时也会有簇头节点出现节点度超出约束的情况，因此需要对拓扑进行优化，在保证网络连通的情况下，按照链路权值由小到大删除，这样可以平衡网络能量分布，也可以达到网络拓扑的优化。
本步骤的具体实现是：
所有簇头节点检查自己的实际接入度，当实际接入度大于最大接入度时，按照链路权值从小到大的顺序，在保证网络连通的情况下，删去多余链路，得到无线光通信拓扑结构，如图2所示。图2中，虚线表示底层节点和簇头节点间的链路，实线表示簇头节点与簇头节点之间的链路。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件：
无线光通信网络节点随机分布在10km*10km*10km的区域，节点能量服从[2,5]J的均匀分布，通信距离设置为2km，最大物理节点度设置为6。
2.仿真内容与结果：
用本发明和传统基于最小生成树的网络拓扑算法MST分别仿真网络代数连通度和节点个数的关系，其结果如图3所示。
从图3中可以看出，随着节点数目的增加网络的连通性在下降，但是本发明相对于传统基于最小生成树的网络拓扑算法，网络代数连通度有了很大的提升，可以有效地提高网络连通性。

Claims (4)

1.一种无线光通信网络的拓扑形成方法，其特征在于，包括如下：
(1)对无线光通信网络进行初始化：
获取无线光通信网络每个节点的信息，包括每个节点的位置信息、节点能量、通信距离、节点度、节点ID和簇ID，其中簇ID用于标记节点所属簇；
(2)每个节点利用邻居发现算法寻找自身的邻居节点，并采用捕获、瞄准、跟踪APT系统对这些邻居节点进行扫描，获取邻居节点的节点信息；
(3)每个节点计算自己的最大接入度C；
(4)每个节点通过节点能量判断自己是否是邻居节点中的最优节点：若是，则将该节点升级为簇头节点，即将簇ID设置为自身节点ID，继续执行(12)；否则，执行(5)；
(5)每个节点判断自己的簇ID是否非零：若是，分簇完成，执行(12)；否则，执行(6)；
(6)每个节点计算自身到邻居节点的链路权值Wij；通过如下公式计算：
Figure FDA0003112154110000011
其中，Ei表示当前节点i的节点能量，Ej表示其邻居簇头节点j的节点能量，d(i,j)表示节点i到节点j的距离；
(7)每个节点选择邻居节点中是簇头的节点，按照链路权值大小对其进行排序后，执行(8)；若不存在是簇头的邻居节点，则执行(9)；
(8)每个节点对排完序的簇头节点的子节点数进行判断：若邻居簇头节点的子节点数小于最大接入度，则向该簇头节点发送建立链接请求，将该簇头节点作为上级节点，将发射天线指向该簇头节点，并将自己的簇ID设置为该簇头节点的节点ID，继续执行(12)；如果所有簇头节点的子节点数都大于或等于最大接入度，则执行(9)；
(9)每个节点选择邻居节点中的非簇头节点，按照链路权值大小对其进行的排序后，执行(10)；若不存在邻居非簇头节点，则将该节点升级为簇头节点，即将簇ID设置为自身节点ID，继续执行(12)；
(10)每个节点对排好序的非簇头邻居节点进行判断：如果该邻居节点与簇头节点一跳链接，则向该邻居节点发送建立链接请求，将该邻居节点作为上级节点，并将自己的簇ID设置为该邻居节点的簇ID，继续执行(12)；否则，执行(11)；
(11)每个节点选择链路权值最大的非簇头邻居节点接入，并向该节点发送建立链接请求，将自己的簇ID设置为该节点的节点ID，同时将该邻居节点升级为簇头节点，继续执行(12)；
(12)对所有簇头节点进行三维Delaunay三角剖分，向邻居簇头节点发送建立链接请求；
(13)所有簇头节点检查自己的实际接入度，当实际接入度大于最大接入度时，按照链路权值从小到大的顺序，在保证网络连通的情况下，删去多余链接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中(2)中每个节点利用邻居发现算法寻找自身的邻居节点，实现如下：
(2a)每个节点发射信标光，对自身所在区域进行扫描；
(2b)当节点i接收到来自其他节点的信标光时，将天线对准该节点方向，发射信标光；
(2c)通信双方节点均接收到信标光后，利用接收到信标光的光斑位置误差调整发射天线，进行瞄准；
(2d)节点向瞄准后的方向发射信号光，该信号光携带有请求信息；
(2e)节点根据接收到信号光的请求信息，发送应答信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中(3)中每个节点计算自己的最大接入度C，通过如下公式计算：
Figure FDA0003112154110000021
其中，E0表示节点能量，m表示发送比特数，ε表示自由空间能量系数，即传送每比特数据所损耗的能量，
Figure FDA0003112154110000022
表示激光扫描角度，d表示传输距离，Lmit表示节点最大通信距离，ER表示接收每比特数据所损耗的能量，ETX_PE表示节点发送每比特信息时系统器材消耗的能量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中(12)中对所有簇头节点进行三维Delaunay三角剖分的，实现如下：
(12a)将任意四个簇头节点相连，形成一个四面体；
(12b)插入一个簇头节点，判断该簇头节点是否在当前任意一个四面体内：
若是，则找出所有四面体外接球包含该插入节点的四面体，删除四面体间的公共面，连接插入节点与所有四面体顶点；
否则，找出所有四面体外接球包含该插入节点的四面体，删除四面体中最靠近插入节点的面，连接插入节点与该四面体顶点；
(12c)重复(12b)直至所有簇头节点都加入连接结构。
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