CN115001537A - 一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法。该方法通过计算电力线载波通信网络中各个节点的节点可靠度；主干树初始化过程：根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树和确定所述簇头节点的初始组内成员；簇半径调整过程：采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，并实时更新所述节点可用阈值；判断是否所有节点均入簇，若是则完成路由组网，若否则重新执行所述主干树初始化过程和簇半径调整过程。本发明技术方案提高了大规模载波通信系统的稳定性和可靠性。

Description

一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法

技术领域

本发明涉及路由组网技术领域，尤其涉及一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法。

背景技术

随着电力线载波通信在物联网领域应用的不断深入，以及无线自组织网络的不断发展，载波通信系统路由组网技术逐渐成为研究热点。现有路由组网模式大多针对小规模自组织网络设计，在面向新一代载波通信系统大规模自组织网络场景下，采用这种路由组网模式将产生链路资源冲突严重、网络控制开销大、网络通信质量下降等一系列问题，进一步导致载波通信系统的可扩展性差。

为解决大规模组网场景下自组织网络性能和扩展性较差的问题，已有研究基于分簇算法构建层次化网络支持大规模载波通信网络。此外，由于大规模载波通信系统结构复杂、信道噪声具有时变特性，分布式可再生能源频繁投切/离网将严重影响载波通信距离和数据传输可靠性，使得电力业务通信质量下降。然而，现有的分簇算法大多采用单一的成簇因素，量化不够均衡，使得簇头选取不合适、簇域范围分配不合理，影响载波通信路由组网的稳定性，在实际应用中存在很大局限性。由此可以看出，迫切需要研究基于柔性分簇算法的大规模载波通信系统路由组网方法，解决大规模组网场景下自组织网络性能和扩展性较差问题。

现有基于分簇算法的路由组网方法存在的技术缺点如下。

第一，簇头选举过程存在盲目性：传统分簇算法中的簇头选举是一个随机过程，每个节点被分为簇头节点的概率相当，难以选举出适配载波系统可靠性要求的节点，存在一定的盲目性。对于大规模载波通信网络，簇头选举的盲目性容易造成簇头分布位置不合理，进一步阻碍了具有较优路径的骨干树的生成，导致网关选择最优下一跳节点的难度增加，造成载波通信网络可靠性降低的同时传输时延增大。

第二，簇头节点的数量控制不灵活：在节点数固定的网络中，簇头节点数量是影响网络性能的重要因素，具体来说，在簇头节点过少的网络中，簇域内节点数过多，造成单个簇头节点的负载增加，从而造成簇域网络的复杂度和控制开销过大，相反，在簇头节点过多的网络中，分组转发次数增多造成数据包分组投递时延增大。因此，缺乏灵活的簇头节点数量控制方案是当前大规模载波通信路由组网的技术缺陷之一。

第三，簇半径不可调节：传统分簇算法中簇半径固定，可能会导致节点密度大的区域形成的簇规模较大，节点密度小的区域形成的簇规模较小，增加了网络的不稳定性，同时限制了网络的生命周期。

发明内容

本发明提供一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，提高了大规模载波通信系统的稳定性和可靠性。

本发明一实施例提供一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，包括以下步骤：

计算电力线载波通信网络中各个节点的节点可靠度；

主干树初始化过程：根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树和确定所述簇头节点的初始组内成员；

簇半径调整过程：采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，并实时更新节点可用阈值；

判断是否所有节点均入簇，若是则完成路由组网，若否则重新执行所述主干树初始化过程和簇半径调整过程。

进一步的，计算电力线载波通信网络中每个节点的节点可靠度，包括以下步骤：

计算各个节点的信噪比变化率，再根据各个节点的所述信噪比变化率计算各个节点的节点可靠度。

进一步的，根据以下公式计算所述各个节点的节点可靠度：

式中，i表示第i个节点，j表示第j个邻居节点，t表示t时刻，ΔS_j,t表示第j个邻居节点在t时刻的的信噪比变化率，N表示第i个节点的邻居节点总数。

进一步的，根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树，具体为：

选取节点可靠度大于等于节点可用阈值的节点作为所述主干树的簇头节点，并将全部簇头节点连接在一起形成主干树。

进一步的，确定所述簇头节点的初始组内成员，具体为：

所述簇头节点对其覆盖范围内的簇内节点进行广播，并根据所述簇内节点的反馈信息确定所述簇头节点的初始组内成员。

进一步的，所述簇头节点采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，具体为：

所述簇头节点计算簇内最佳节点数和距离所述簇头节点r+1跳范围内未入簇的节点数，r为簇半径；

判断当前簇内节点数和所述未入簇的节点数之和是否小于所述簇内最佳节点数，若是，则所述簇半径加1，若否，则所述簇半径保持不变。

进一步的，实时更新节点可用阈值，具体为：

根据各个节点的节点可靠度计算节点平均可靠度，再根据节点平均可靠度设置载波通信系统的系统回报；

根据设置的所述载波通信系统的系统回报计算所述载波通信系统对当前时刻的节点可用阈值的偏好值；

根据所述偏好值实时更新所述述载波通信系统的所述节点可用阈值。

进一步的，所述节点可用阈值包括多个档位阈值；根据所述偏好值实时更新所述节点可用阈值，具体为：根据所述偏好值实时更新所述述载波通信系统的所述节点可用阈值的档位阈值。

进一步的，根据以下公式实时更新所述载波通信系统的所述节点可用阈值的档位阈值：

式中，G为节点可用阈值，L为节点可用阈值的可选档位数，

为所述载波通信系统的对t时刻的节点可用阈值的偏好值。

进一步的，根据以下公式计算所述载波通信系统对当前时刻的节点可用阈值的偏好值：

式中，

为t时刻前所述载波通信系统选择节点可用阈值G获得的回报经验估计值，ω为权重系数，

为t-1时刻所述载波通信系统选择所述节点可用阈值G的次数，t为当前时刻。

本发明的实施例，具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，该路由组网方法通过计算电力线载波通信网络中各个节点的节点可靠度，根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树，解决了簇头选举过程中存在盲目性问题，实现了科学合理的选择簇头节点。本发明通过采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，解决了簇半径不可调节的问题。所述路由组网方法通过实时更新节点可用阈值，进而控制簇头节点数量。因此，本发明通过科学合理的选择簇头节点、控制簇头节点数量和自适应调整方式调控簇规模，解决了大规模组网场景下自组织网络性能较差和扩展性较差的问题，有效提升了大规模组网场景下自组织网络性能和组网效率，进而提高了大规模载波通信系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的基于分簇算法的载波通信系统的主干树的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的基于分簇算法的载波通信系统的簇半径示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

如图1所示，本发明一实施例提供的一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，包括以下步骤：

步骤S101：计算电力线载波通信网络中各个节点的节点可靠度。

步骤S102：主干树初始化过程：根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树和确定所述簇头节点的初始组内成员；

步骤S103：簇半径调整过程：采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，并实时更新所述节点可用阈值；

步骤S104：判断是否所有节点均入簇，若是则完成路由组网，若否则重新执行所述主干树初始化过程和簇半径调整过程。

作为其中一种详细的实施例，所述路由组网方法包括以下步骤：

步骤A01：对所述载波通信系统中的各个节点进行初始化，获取t时刻第i个节点的邻居节点总数N；通过第i个节点与第j个节点相互发送消息，所述第i个节点获取第j个邻居节点在t时刻的信噪比；根据公式(1)计算所述第j个节点在t时刻的信噪比变化率：

式中，S_j,t表示第j个节点在t时刻的信噪比,S_j,t+Δt表示第j个节点在t+Δt时刻的信噪比，其中Δt∈{t,t+1}。

步骤A02：根据各个节点的所述信噪比变化率计算各个节点的节点可靠度。具体的，根据公式(2)计算所述各个节点的节点可靠度：

式中，i表示第i个节点，j表示第j个邻居节点，t表示t时刻，ΔS_j,t表示第j个邻居节点在t时刻的的信噪比变化率，N表示第i个节点的邻居节点总数。其中，

表示第i个节点的节点可靠度，

越大说明在t时刻节点i周边的局部拓扑结构和信道质量越稳定，

越小说明在t时刻节点i周边的局部拓扑结构和信道质量变化越剧烈。

步骤A03：根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树和确定所述簇头节点的初始组内成员。

所述步骤A03包括以下子步骤：

子步骤A031：在t时刻，第i个节点的节点可靠度D_i ^node≥节点可用阈值G时，第i个节点被选举为簇头，定义a_i,t＝1表示t时刻第i个节点为簇头，否则a_i,t＝0。

子步骤A032：将选择的全部簇头节点连接在一起形成主干树。

如图2所示，所有簇头节点作为主干节点依次相连构成载波通信系统路由组网主干树，其中，首端的簇头节点称为根节点且为入网根节点。虚线圈构成一个簇域范围，簇域内的黑色节点为簇头节点，白色节点为簇内节点，未在簇域范围内的白色节点为未入簇的节点。簇内节点通过簇头节点与入网根结点连接，未直接与根结点连接的簇头节点再通过其它主干节点与入网根结点连接。

子步骤A033：所述簇头节点对其覆盖范围内的簇内节点进行广播，簇内节点接收到广播信息后，对主干树的簇头节点进行反馈，所述簇头节点根据所述簇内节点的反馈信息确定所述簇头节点的初始组内成员，簇内以单跳或多跳的形式进行通信。

步骤A04：所述簇头节点采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，并实时更新所述节点可用阈值。

所述步骤A04包括以下子步骤：

子步骤A041：获取t时刻簇内通信带宽B_1,t，t时刻簇间通信带宽B_2,t，t时刻网络中节点个数I；计算得到分簇后的簇内成员最佳节点个数

子步骤A042：计算各个簇的簇半径

其中，λ为反映网络环境、性能指标和节点特性的参数，m为两跳范围内节点数量；簇半径r内的节点均成功入簇，所述簇头节点通过簇半径来控制簇的规模。

当前簇内节点数和未入簇的节点数之和小于所述簇内最佳节点数时，所述簇半径加1，否则所述簇半径保持不变。所述未入簇的节点数为距离所述簇头节点r+1跳范围内未入簇的节点数。

如图3所示，其中，簇节点2的簇半径为r、簇内最佳节点数为3。对于簇节点2，簇半径r范围之内的节点21和节点22都已经入簇，但是未满足最佳节点数要求。对于未入簇的节点23，它将自己距离各簇头节点的跳数信息广播给簇头节点，簇节点2接收到信息并判断节点23到自己的跳数距离最小并且小于r+1跳，且满足最佳节点个数条件，因此，加大簇半径，将节点23入簇扩大簇规模。

子步骤A043：设置所述线载波通信系统的节点可用阈值为L个可选挡位：G∈{G₁,...,G_L}，其中，G为节点可用阈值，G₁为第1挡位阈值，G_L为第L挡位阈值。

子步骤A044：采用强化学习算法实时更新所述节点可用阈值。将节点可用阈值的选择问题转化为MAB问题，将节点可用阈值选项抽象为摇臂，通过实时与环境交互，充分利用最优摇臂的同时对潜在的未知的最优摇臂进行探索，以最大化系统回报。

所述子步骤A044包括以下步骤：

子步骤A0441：根据节点平均可靠度

设置载波通信系统的系统回报，其中，

表示第i个节点的节点可靠度，I为t时刻网络(即所述载波通信系统)中节点个数，

表示节点平均可靠度。

子步骤A0442：根据设置的所述载波通信系统的系统回报计算所述载波通信系统对当前时刻的节点可用阈值的偏好值；具体的，根据公式(3)计算所述载波通信系统对t时刻的节点可用阈值的偏好值：

式中，

为t时刻前所述载波通信系统选择节点可用阈值G获得的回报经验估计值，随着选择次数增加，对所述回报经验估计值进行更新后得到偏好值；ω为权重系数，

为t-1时刻所述载波通信系统选择所述节点可用阈值G的次数；

表示探索强度，用于探索被选次数较少的节点可用阈值，提高估计的准确性(有利于选择当前时刻最佳的节点可用阈值)，ω用于调整探索与利用之间的折中关系，其值越大则越倾向于探索。

子步骤A0443：根据所述偏好值实时更新所述述载波通信系统的所述节点可用阈值；具体的，根据以下公式实时更新所述载波通信系统的所述节点可用阈值的档位阈值：

式中，G为节点可用阈值，L为节点可用阈值的可选档位数，

为所述载波通信系统的对t时刻的节点可用阈值的偏好值，G^*为所选节点的节点可用阈值(即所选节点的节点可用阈值对应的档位阈值)。

定义

表示在第t轮选择了阈值G，因此

更新

和

为：

其中，

为第t-1时刻前所述载波通信系统选择节点可用阈值G获得的回报经验估计值，

为第t-1时刻所述载波通信系统选择所述节点可用阈值G的次数，

为所选节点可用阈值(包括L个可选挡位，G∈{G₁,...,G_L})所对应的偏好值。

本发明基于柔性分簇算法的大规模载波通信系统路由组网方法，能够有效提升网络性能和组网效率。所述方法针对电力线载波通信信道时变特性，采用周期性互发送消息的方式，实现信道状态信息的动态获取，并通过计算节点可靠度，采用动态阈值方案，为载波网络可靠通信选取适配的主干树簇头。其中，创新性地在簇头选举过程中的偏好值设置和阈值选择引入强化学习算法，将节点可用阈值的选择问题转化为MAB问题，基于网络性能反馈经验值，实现不完全信息情况下的阈值实时、动态调整，进而控制簇头选举数量，形成载波通信系统路由组网主干树，保证载波通信网络的可靠性。此外，所提出的方法采用簇半径自适应调整方式来进行非均匀分簇，簇头通过动态调整簇半径来控制簇的规模，从而达到簇规模均匀的目的，进一步提升载波网络的稳定性，保证网络的全生命周期运行。

本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (10)

1.一种基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算电力线载波通信网络中各个节点的节点可靠度；

主干树初始化过程：根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树和确定所述簇头节点的初始组内成员；

簇半径调整过程：采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，并实时更新节点可用阈值；

判断是否所有节点均入簇，若是则完成路由组网，若否则重新执行所述主干树初始化过程和簇半径调整过程。

2.根据权利要求1所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，计算电力线载波通信网络中每个节点的节点可靠度，包括以下步骤：

计算各个节点的信噪比变化率，再根据各个节点的所述信噪比变化率计算各个节点的节点可靠度。

3.根据权利要求2所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，根据以下公式计算所述各个节点的节点可靠度：

式中，i表示第i个节点，j表示第j个邻居节点，t表示t时刻，ΔS_j,t表示第j个邻居节点在t时刻的信噪比变化率，N表示第i个节点的邻居节点总数。

4.根据权利要求3所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，根据所述各个节点的节点可靠度选择主干树的簇头节点，并形成主干树，具体为：

选取节点可靠度大于等于节点可用阈值的节点作为所述主干树的簇头节点，并将全部簇头节点连接在一起形成主干树。

5.根据权利要求4所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，确定所述簇头节点的初始组内成员，具体为：

所述簇头节点对其覆盖范围内的簇内节点进行广播，并根据所述簇内节点的反馈信息确定所述簇头节点的初始组内成员。

6.根据权利要求5所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，所述簇头节点采用簇半径自适应调整方式进行非均匀分簇和调控簇规模，具体为：

所述簇头节点计算簇内最佳节点数和距离所述簇头节点r+1跳范围内未入簇的节点数，r为簇半径；

判断当前簇内节点数和所述未入簇的节点数之和是否小于所述簇内最佳节点数，若是，则所述簇半径加1，若否，则所述簇半径保持不变。

7.根据权利要求6所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，实时更新节点可用阈值，具体为：

根据各个节点的节点可靠度计算节点平均可靠度，再根据节点平均可靠度设置载波通信系统的系统回报；

根据设置的所述载波通信系统的系统回报计算所述载波通信系统对当前时刻的节点可用阈值的偏好值；

根据所述偏好值实时更新所述述载波通信系统的所述节点可用阈值。

8.根据权利要求7所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，所述节点可用阈值包括多个档位阈值；根据所述偏好值实时更新所述节点可用阈值，具体为：根据所述偏好值实时更新所述述载波通信系统的所述节点可用阈值的档位阈值。

9.根据权利要求8所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，根据以下公式实时更新所述载波通信系统的所述节点可用阈值的档位阈值：

式中，G为节点可用阈值，L为节点可用阈值的可选档位数，

为所述载波通信系统的对t时刻的节点可用阈值的偏好值。

10.根据权利要求1至9任一项所述的基于分簇算法的载波通信系统的路由组网方法，其特征在于，根据以下公式计算所述载波通信系统对当前时刻的节点可用阈值的偏好值：

式中，

为t时刻前所述载波通信系统选择节点可用阈值G获得的回报经验估计值，ω为权重系数，

为t-1时刻所述载波通信系统选择所述节点可用阈值G的次数，t为当前时刻。

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