CN114615189B - 一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法，包括如下步骤：无线自组织网络任意节点通过与邻居节点交互信息，搜集其两跳范围内的各邻居节点及其特征参数；根据搜集到的局部拓扑信息，无线节点基于局部范围内任一节点对双向传输信QoS需求，计算链路两端节点信息传输所需的最小辐射功率；基于获得的两跳范围内任意链路两端节点最小辐射功率，无线节点计算链路权重，以最小化最大链路权重为目标，选择两条相互独立的两跳路径，进而得出节点所需的最小辐射功率；最后，节点与所选出的路径上的节点进行信息交互，协作调控节点发射功率，完成所选链路的建立。通过有效控制节点辐射功率减少公共邻居存在的概率，抑制三角链路问题。

Description

一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法

技术领域

本发明属于无线自组织网络中网络控制技术领域，涉及用于保障网络拓扑鲁棒性的基于功率控制的分布式拓扑控制方法。

背景技术

无线自组织网络是由自带无线收发设备的节点组成的无线通信网络，具有自组织、自配置、自发现和自愈性等特点。无线自组织网络可以在不依赖于固定设备(如基站)的情况下实现无线节点信息共享与转发，已经成为航空通信网络、工业物联网等的主要发展方向。

由于无线自组织网络依靠网络节点进行信息转发，实现网内的通信，因此无线自组网的传输性能依赖网络的连通性。当网络不连通时，无线自组网分割成若干个不连通的分量，影响网络的正常运行。当网络中存在割点时，网络内大量通信数据需要经过割点进行路由通信，当割点发生故障或损毁时，网络将不连通。当网络全连通时，即无线自组网任意两个节点直接相连，任意两个节点都可一跳内可达。此时，意味着节点需要较高的发射功率，将会降低节点生存时间，特别是对于工业物联网，节省发射功率可以延长无线传感器节点的续航时间。基于此，无线自组织网络拓扑控制是保障网络鲁棒性，提升无线自组织网络传输效率的有效方法。

连通度是无线自组织网络连通性能常用度量参数。基于功率控制的拓扑控制方法是保障无线自组织网络连通性、提升网络传输效率的有效方法。在对无线自组织网络进行拓扑控制算法设计时，需要考虑其自身的网络特点，设计与该网络匹配的算法使得网络性能更加优越。参照分布式协同网络的特点及其应用场景，在进行拓扑控制算法设计时，通常需要参照以下设计准则。

一是低功耗，由于无线自组织网络中节点一般只能依靠电池能量供电，而电池所能存储的能量有限。因此，在设计拓扑控制算法时，要考虑无线通信节点的发射功率。

二是强连通性，在复杂网络环境中，无线自组织网络会因为不同的因素(能量耗尽，设备损坏，无线信道干扰等)而无法正常通信，这将可能导致网络分割，因此，提高网络的容错能力，保证网络的正常运行是拓扑控制算法设计所需考虑的一个重要目标。

三是全分布式算法、局部性，无线自组织网络通常具有无中心控制特点，网络中的节点具有相同的功能。在无线自组织网络拓扑控制算法的设计中应考虑算法的可分布式实现特性，可分布式执行的算法更适用于分布式网络。同时在分布式算法中，节点通常通过与邻节点进行信息交互来获取本地信息进行拓扑构建，且节点获取本地局部信息相较于全局信息容易，根据局部信息进行计算时计算量小，因此，需要局部信息即可进行辐射功率控制的算法更易于在分布式网络中实施。

上述三个准则在拓扑控制中同时实现难度较大，如准则1和准则2。密集的网络连通强度高，但是节点的发射功率大，这将导致节点的能耗增加，同时节点的发射功率大也将导致节点度大、干扰较大。准则3需要节点依据局部网络拓扑情况进行辐射功率控制，难以保障准则2所要求的全局网络的强连通性。

Bettstetter定理给出了分布式功率控制保障节点连通性的理论基础。Bettstetter定理指出节点度数与全局网络连通度的关系，如下式所示，P_K表示网络连通度为K的概率。当无线节点的邻居节点个数达到一定数量时可以以较大的概率保障全局网络拓扑的连通性。

其中N表示网络中节点总数，ρ表示节点密度，r表示节点覆盖范围，ρπr²/2表示节点覆盖范围内的邻居节点个数。

Bettstetter定理没有考虑三角链路导致网络开销过高的问题，即当两个距离为d,d<r的平台(覆盖范围相同为r)公共邻居数为：

由上式可得，虽然满功率发射模式可以确保节点有足够多的邻居节点，从而大概率保证网络整体的连通性，但却与邻居节点拥有较多公共邻居，导致网络中存在过多冗余的三角链路，具有较高的网络管控开销。如图1灰色区域表示节点c₁和c₂相互覆盖的公共区域，位于该区域的节点都会同时与节点c₁和c₂同时相连，如节点A和节点B，如此就产生了三角链路问题。

发明内容

本发明的目的在于，为了保障无线自组织网络拓扑的强连通性同时抑制无线自组织网络三角链路问题，本发明提出了一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法，无线节点可以利用局部网络拓扑信息建立若干条互不相交的两跳路径，同时最小化每条路径上最大的节点辐射功率，以此建立独立不相交的两跳路径可以保障作战平台具有足够多的邻居节点，确保网络整体连通率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法，所述无线自组织网络分布式拓扑控制方法包括如下步骤：

无线自组织网络任意节点通过与邻居节点交互信息，搜集其两跳范围内的各邻居节点及其特征参数；

根据搜集到的局部拓扑信息，无线节点基于局部范围内任一节点对双向传输信息的QoS需求，计算链路两端节点信息传输所需的最小辐射功率；

基于获得的两跳范围内任意链路两端节点最小辐射功率，无线节点计算链路权重，以最小化最大链路权重为目标，选择两条相互独立的两跳路径，进而得出节点所需的最小辐射功率；

最后，节点与所选出的路径上的节点进行信息交互，协作调控节点发射功率，完成所选链路的建立。

根据一个优选的实施方式，所述邻居节点的特征参数包括节点位置、发射功率和链路质量信息。

根据一个优选的实施方式，无线自组织网络节点搜集两跳范围内的网络状态信息

其中

为两跳范围内邻居节点集合，S＝{s₁,s₂,…,s_N}为邻居节点位置集合，P＝{P₁,P₂,…,P_N}为邻居节点的最大发射功率集合，ξ＝{ξ₁,ξ₂,…,ξ_N}为邻居节点的QoS服务需求集合。

根据一个优选的实施方式，无线自组织网络任一节点i根据局部拓扑信息

计算满足QoS服务需求的前提下，建立双向连通链路l_mn,

时，节点m和节点n所需的最小辐射功率

和

其中f(·)为无线信道传输函数，令

作为双向隐身链路l_mn权重w_mn。

根据一个优选的实施方式，无线自组织网络任一节点i以自身为原点，以最小化最大链路权重为目标，即

选择两条互不相交的独立路径L₁,L₂,

即路径之间没有公共节点与公共边；得到所选路径L₁,L₂上每一个节点所需的最小发射功率

j∈L₁∪L₂。

根据一个优选的实施方式，无线自组织网络任一节点i将求解的最优辐射功率

通过信息交互传给邻居节点j,

同时收到邻居节点传回的最优辐射功率

然后，节点i以

调整其自身辐射功率，以此建立双连通的网络拓扑结构。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

本发明提出的无线自组织网络分布式拓扑控制方法通过有效控制节点辐射功率减少公共邻居存在的概率，抑制三角链路问题。采用蒙特卡罗仿真验证当利用局部拓扑信息生成两条两跳互不正交路径时，网络整体连通度小于2的概率约等于0，即该方法能以极大概率保证网络拓扑全局连通性。

附图说明

图1是本发明三角链路问题示意图。

图2是节点最大发射功率构建拓扑示意图。

图3是本发明提出的分布式拓扑控制方法构建拓扑示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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。

实施例1：

本实施例公开了一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法，拟利用两跳范围内的局部拓扑信息建立以无线节点自身为源节点的2条互不相交的两跳路径，同时使得路径上每个节点的最大发射功率最小化，以此方法保证网络全局连通性，同时控制节点的发射功率，主要思路如下。

平台间进行信息交互，搜集两跳范围内的网络状态信息

其中

为邻居节点集合，S_i为相应邻居节点位置集合，P_i为邻居节点的最大发射功率集合，ξ_i为邻居节点的QoS服务需求集合。

平台i根据局部拓扑信息

计算满足QoS服务需求的前提下，建立双向连通链路l_mn,

时，平台m和平台n所需的最小辐射功率

和

并以

作为双向链路l_mn权重w_mn。

平台i以最小化最大链路权重为优化目标，以自身为原点建立两条互不相交独立路径为约束条件建立优化模型，如下所示

优化问题为组合优化问题，是一个NP难问题。利用智能算法求解上述优化问题，得到最优的2条互不相交的2跳路径L₁,L₂,

进一步可以得到路径中每个节点所需的辐射功率

j∈L₁∪L₂。

平台i将求解的最优辐射功率

传给邻居节点j,

同时收到邻居节点传回的最优辐射功率

然后，平台i以

调整其自身辐射功率。

参阅表1。本发明提供分布式拓扑控制方法可以显著降低节点发射功率，减少冗余链路数。当节点生成2条互相独立的两跳路径时，无线自组织网络强连通的概率可达95％以上。

表1本发明提出的分布式拓扑控制方法性能表

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法，其特征在于，所述无线自组织网络分布式拓扑控制方法包括如下步骤：

无线自组织网络任意节点通过与邻居节点交互信息，搜集其两跳范围内的各邻居节点及其特征参数；

根据搜集到的局部拓扑信息，无线节点基于局部范围内任一节点对双向传输信息的QoS需求，计算链路两端节点信息传输所需的最小辐射功率；

基于获得的两跳范围内任意链路两端节点最小辐射功率，无线节点计算链路权重，以最小化最大链路权重为目标，选择两条相互独立的两跳路径，进而得出节点所需的最小辐射功率；

最后，节点与所选出的路径上的节点进行信息交互，协作调控节点发射功率，完成所选链路的建立。

2.如权利要求1所述的无线自组织网络分布式拓扑控制方法，其特征在于，所述邻居节点的特征参数包括节点位置、发射功率和链路质量信息。

3.如权利要求1所述的无线自组织网络分布式拓扑控制方法，其特征在于，无线自组织网络节点搜集两跳范围内的网络状态信息

其中

为两跳范围内邻居节点集合，S＝{s₁,s₂,…,s_N}为邻居节点位置集合，P＝{P₁,P₂,…,P_N}为邻居节点的最大发射功率集合，ξ＝{ξ₁,ξ₂,…,ξ_N}为邻居节点的QoS服务需求集合。

4.如权利要求3所述的无线自组织网络分布式拓扑控制方法，其特征在于，无线自组织网络任一节点i根据局部拓扑信息

计算满足QoS服务需求的前提下，建立双向连通链路

时，节点m和节点n所需的最小辐射功率

和

其中f(·)为无线信道传输函数，令

作为双向链路l_mn权重w_mn。

5.如权利要求4所述的无线自组织网络分布式拓扑控制方法，其特征在于，无线自组织网络任一节点i以自身为原点，以最小化最大链路权重为目标，即

选择两条互不相交的独立路径

即路径之间没有公共节点与公共边；得到所选路径L₁,L₂上每一个节点所需的最小发射功率

6.如权利要求5所述的无线自组织网络分布式拓扑控制方法，其特征在于，无线自组织网络任一节点i将求解的最优辐射功率

通过信息交互传给邻居节点

同时收到邻居节点传回的最优辐射功率

然后，节点i以

调整其自身辐射功率，以此建立双向连通的网络拓扑结构。

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