CN115802390A - 基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置 - Google Patents

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CN115802390A CN202310065384.4A CN202310065384A CN115802390A CN 115802390 A CN115802390 A CN 115802390A CN 202310065384 A CN202310065384 A CN 202310065384A CN 115802390 A CN115802390 A CN 115802390A
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Abstract

本申请涉及一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置，属于无线通信网络技术领域。所述方法包括：通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网；根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数；根据模块度函数对无线自组网进行分层优化，得到包括分簇结构的接入网和连接簇首节点的骨干网的分层拓扑网络。采用本方法能够提升整个网络的模块度，使得形成的分层拓扑网络的拓扑结构更加合理，提高网络的路由效率。

Description

基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置
技术领域
本申请涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置。
背景技术
无线自组织网络凭借无中心节点、自组织且不需要任何基础通信设备支持的特点，使得它具有较强的灵活性、抗毁性以及可扩展的优点，已在民用和军事领域广泛应用。无线自组织网络各节点之间进行正常的信息传输是保证网络系统可生存性与可操作性的重要基础条件。然而，在环境复杂的应用场景中，节点之间相互失联导致网络瘫痪的情况是非常常见的，同时无线自组织网络通常是多跳多信道的网络，各节点的实际可用信道不尽相同，这种可用信道差异给无线自组织网络中的拓扑优化带来了巨大挑战。目前，现有的无线自组织网络拓扑优化方法没有考虑可用信道差异造成的影响，需要提出高效可靠的拓扑优化方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够面向多信道无线自组织网络，在节点的可用信道和通信距离均受限的情况下，对网络的拓扑进行优化，从而建立性能优越的全连通网络的一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置。
一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法，所述方法包括：
多信道无线自组网中的各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网；
根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数；其中，公共信道邻居比表示节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性；
根据模块度函数对无线自组网进行分层优化，得到包括接入网和骨干网的分层拓扑网络；其中，根据模块度函数和接入网分簇算法将无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网；选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有簇首节点的最短路径，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网。
在其中一个实施例中，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网，包括：
多信道无线自组网中的各节点根据退避竞争机制周期性地在可用信道上进行消息发送，并接收其他节点的消息；
当两个节点信道跳变到同一个可用信道上进行消息发送和接收时，建立两个节点间的点对点链路，根据点对点链路构建得到平面结构的无线自组网。
在其中一个实施例中，根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，包括：
根据无线自组网中各个节点的可用信道和拓扑连接关系，搜索任意两个节点间的公共信道和直接连接关系，根据公共信道和直接连接关系计算两节点间的公共信道邻居比，表示为
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_3
表示与节点
Figure SMS_4
具有公共信道
Figure SMS_16
的邻居节点，
Figure SMS_8
表示与节点
Figure SMS_14
具有公共信道
Figure SMS_13
的邻居节点，
Figure SMS_19
表示节点
Figure SMS_18
与节点
Figure SMS_20
的公共信道集合，
Figure SMS_2
表示与节点
Figure SMS_11
和节点
Figure SMS_6
具有公共信道
Figure SMS_12
的邻居节点占所有与节点
Figure SMS_5
和节点
Figure SMS_10
具有公共信道的邻居节点总数的比重，
Figure SMS_7
表示与节点
Figure SMS_15
和节点
Figure SMS_9
具有公共信道集合
Figure SMS_17
的所有邻居节点数，邻居节点是指具有边连接且具有公共信道的节点。
在其中一个实施例中，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数，表示为
Figure SMS_21
；
Figure SMS_22
；
其中，
Figure SMS_26
表示节点
Figure SMS_30
与所有邻居节点的公共信道邻居比之和，
Figure SMS_33
表示节点
Figure SMS_25
与所有邻居节点的公共信道邻居比之和，
Figure SMS_29
表示所有节点的公共信道邻居比之和，
Figure SMS_32
表示节点
Figure SMS_35
所属的簇标号，
Figure SMS_23
表示节点
Figure SMS_27
所属的簇标号，当节点
Figure SMS_31
和节点
Figure SMS_34
属于同一个簇并且具有公共信道和直接连接边时，
Figure SMS_24
，否则，
Figure SMS_28
。
在其中一个实施例中，根据模块度函数和接入网分簇算法将无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网，包括：
将无线自组网中的每个待分配节点视为一个簇群，计算具有公共信道和直接连接关系的两个待分配节点间的公共信道邻居比
Figure SMS_36
，并将无线自组网的模块度函数进行初始化处理，表示为
Figure SMS_37
；
将无线自组网中的任意一个待分配节点预分配到所有邻居节点所属的簇群，并计算预分配后每个簇群的模块度增量，根据模块度增量对待分配节点进行最优分配，保存最优分配结果直至所有待分配节点分配完毕；
当最优分配结果对应的簇群中的节点数量大于1时，将最优分配结果对应的簇群抽象压缩为抽象节点，将抽象节点作为新的节点进行预分配和最优分配，直至每个簇群中仅包括一个抽象节点，根据所有簇群构建形成接入网。
在其中一个实施例中，计算预分配后每个簇群的模块度增量，根据模块度增量对待分配节点进行最优分配，保存最优分配结果直至所有待分配节点分配完毕，还包括：
计算预分配后每个簇群的模块度增量，表示为
Figure SMS_38
；
将预分配后每个簇群的模块度增量
Figure SMS_39
进行排序，将待分配节点最优分配至模块度增量
Figure SMS_40
最大且大于0的簇群中，保存最优分配的簇群直至所有待分配节点分配完毕。
在其中一个实施例中，选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有簇首节点的最短路径，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网，包括：
根据每个簇群中各节点的可用信道数量与邻居节点数量的加权求和值获取各节点的节点重要度，并选择节点重要度最大的节点作为簇首节点；
根据最小生成树算法搜索任意两个簇首节点之间的最短路径，将所有最短路径中的最小值对应的两个簇首节点作为最小生成树的根节点，并将根节点存储于树集合中；
计算其他簇首节点与根节点之间的最短路径，并将其他簇首节点和最短路径存储于树集合中，直至所有簇首节点全部存储于树集合中构建形成骨干网。
在其中一个实施例中，包括接入网和骨干网的分层拓扑网络中，位于同一簇群内的各节点具有共同的公共信道，节点间通过时分多址技术在公共信道上进行信息交互。
在其中一个实施例中，骨干网中各簇群之间通过簇首节点建立连接，各簇首节点之间仅有一条一跳或多跳通信链路，各个簇首节点间通过退避竞争机制进行信息交互。
一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化装置，所述装置包括：
平面结构网络构建模块，用于多信道无线自组网中的各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网；
公共信道邻居比计算模块，用于根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数；其中，公共信道邻居比表示节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性；
网络分层优化模块，用于根据模块度函数对无线自组网进行分层优化，得到包括接入网和骨干网的分层拓扑网络；其中，根据模块度函数和接入网分簇算法将无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网；选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有簇首节点的最短路径，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网。
上述一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置，通过构建得到的平面结构的无线自组网中的可用信道和节点拓扑连接关系，计算节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比可以综合考虑节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性，使得各节点可以根据公共信道邻居比构建得到无线自组网的模块度函数，并将模块度函数作为衡量分簇结构合理性的指标，形成包括分簇结构的接入网和连接簇首节点的骨干网的分层拓扑网络，从而有效提升整个网络的模块度，使得形成的分层拓扑网络的拓扑结构更加合理，提高网络的路由效率。
附图说明
图1为一个实施例中基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法的流程示意图；
图2为一个实施例中平面结构的无线自组网示意图；
图3为一个实施例中接入网构建方法的流程示意图；
图4为一个实施例中骨干网构建方法的流程示意图；
图5为一个实施例中包括接入网和骨干网的分层拓扑网络示意图；
图6为一个实施例中在三种不同的技术下模块度随节点数变化的性能曲线示意图；
图7为一个实施例中在三种不同的技术下模块度随总信道数变化的性能曲线示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法，包括以下步骤：
步骤102，多信道无线自组网中的各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网。
具体地，多信道无线自组网中的100个节点被随机部署在1000m×1000m 的区域内，每个节点的传输距离为200m，总信道数量为6个，当网络遭到电磁攻击后，各节点受到不同程度的影响，实际可用信道为总信道的一部分，各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网。
步骤104，根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数；其中，公共信道邻居比表示节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性。
可以理解，根据无线自组网中的信道分布不均匀特性和节点间的拓扑连接关系，计算得到两节点间的公共信道邻居比，有效考虑了两节点共有的邻居节点拓扑连接关系以及邻居节点的公共信道分布特性。并且，通过将公共信道邻居比与模块度函数相结合，根据模块度函数作为网络分簇的指标，针对两节点共有的具有公共信道的邻居节点数不同，对于具有公共信道的邻居节点数越多的两个节点来说，更有可能被划分到该公共信道控制的同一个簇内。
步骤106，根据模块度函数对无线自组网进行分层优化，得到包括接入网和骨干网的分层拓扑网络；其中，根据模块度函数和接入网分簇算法将无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网；选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有簇首节点的最短路径，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网。
可以理解，通过将模块度函数作为衡量分簇结构合理性的指标，形成包括分簇结构的接入网和连接簇首节点的骨干网的分层拓扑网络，从而有效提升整个网络的模块度，使得形成的分层拓扑网络的拓扑结构更加合理。并且，通过对平面结构的无线自组网进行分簇形成接入网，提高了网络的动态适应能力，同时，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网，可以有效解决无线自组织网络通信过程中信号干扰、能耗、动态拓扑控制等问题。无线自组织网络将路由任务限制在骨干节点上，可以有效的提高网络的路由效率。
上述一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法和装置，通过构建得到的平面结构的无线自组网中的可用信道和节点拓扑连接关系，计算节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比可以综合考虑节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性，使得各节点可以根据公共信道邻居比构建得到无线自组网的模块度函数，并将模块度函数作为衡量分簇结构合理性的指标，形成包括分簇结构的接入网和连接簇首节点的骨干网的分层拓扑网络，从而有效提升整个网络的模块度，使得形成的分层拓扑网络的拓扑结构更加合理，提高网络的路由效率。
在其中一个实施例中，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网，包括：
多信道无线自组网中的各节点根据退避竞争机制(CSMA/CA)周期性地在可用信道上进行消息发送，并接收其他节点的消息；当两个节点信道跳变到同一个可用信道上进行消息发送和接收时，建立两个节点间的点对点链路，根据点对点链路构建得到平面结构的无线自组网。
图2给出了初步形成的平面结构的无线自组网的连接示意图，图中圆点表示网络中的节点，X和Y表示节点的横纵坐标，连线表示点对点链路。100个节点的可用信道情况各不相同，通过CSMA/CA协议，各节点可以通过周期性地广播HELLO数据包与信道跳变实现点对点建链，形成了多条点对点链路，即形成平面结构的无线自组织网络。但是在平面结构的无线自组网中，由于受到实际通信范围与可用信道的约束，各节点间并不能完全连通，并且各链路建立所采用的通信信道各不相同，不利于大规模的信息交互，需要进一步优化。
在其中一个实施例中，根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，包括：
根据无线自组网中各个节点的可用信道和拓扑连接关系，搜索任意两个节点间的公共信道和直接连接关系，根据公共信道和直接连接关系计算两节点间的公共信道邻居比，表示为
Figure SMS_41
；
其中，
Figure SMS_47
表示与节点
Figure SMS_45
具有公共信道
Figure SMS_52
的邻居节点，
Figure SMS_43
表示与节点
Figure SMS_54
具有公共信道
Figure SMS_58
的邻居节点，
Figure SMS_60
表示节点
Figure SMS_49
与节点
Figure SMS_57
的公共信道集合，
Figure SMS_42
表示与节点
Figure SMS_51
和节点
Figure SMS_48
具有公共信道
Figure SMS_53
的邻居节点占所有与节点
Figure SMS_56
和节点
Figure SMS_59
具有公共信道的邻居节点总数的比重，
Figure SMS_46
表示与节点
Figure SMS_55
和节点
Figure SMS_44
具有公共信道集合
Figure SMS_50
的所有邻居节点数，邻居节点是指具有边连接且具有公共信道的节点。
在其中一个实施例中，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数，表示为
Figure SMS_61
；
其中，
Figure SMS_64
表示节点
Figure SMS_66
与所有邻居节点的公共信道邻居比之和，
Figure SMS_70
表示节点
Figure SMS_63
与所有邻居节点的公共信道邻居比之和，
Figure SMS_69
表示所有节点的公共信道邻居比之和，
Figure SMS_72
表示节点
Figure SMS_74
所属的簇标号，
Figure SMS_62
表示节点
Figure SMS_67
所属的簇标号，当节点
Figure SMS_71
和节点
Figure SMS_73
属于同一个簇并且具有公共信道和直接连接边时，
Figure SMS_65
，否则，
Figure SMS_68
。
可以理解，利用模块度函数对无线自组网进行高效分簇，使得簇内各节点具有相同的公共信道且各成员节点之间的紧密度更强。
在其中一个实施例中，根据模块度函数和接入网分簇算法将无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网的方法如图3所示，包括以下步骤：
步骤3.1：将无线自组网中的每个待分配节点视为一个簇群，计算具有公共信道和直接连接关系的两个待分配节点间的公共信道邻居比
Figure SMS_75
，并将无线自组网的模块度函数进行初始化处理，表示为
Figure SMS_76
；
步骤3.2：将无线自组网中的任意一个待分配节点预分配到所有邻居节点所属的簇群，并计算预分配后每个簇群的模块度增量为
Figure SMS_77
，根据模块度增量
Figure SMS_78
对待分配节点进行最优分配，将待分配节点分配到模块度增量最大且大于0的簇群，并保存分配记录；
步骤3.3：不断重复步骤3.2，直至当前所有待分配节点都分配完毕；
步骤3.4：当最优分配结果对应的簇群中的节点数量大于1时，将最优分配结果对应的簇群抽象压缩为抽象节点，将抽象节点作为新的节点重复步骤3.1-3.3，进行预分配和最优分配，直至每个簇群中仅包括一个抽象节点，根据所有簇群构建形成接入网。
其中，值得说明的是，在将最优分配结果对应的簇群抽象压缩为抽象节点，并将抽象节点作为新的节点进行分簇时，抽象节点实质上为分配到同一簇的节点，其中包括多个簇节点，每个簇群最终的分配结果为一个包括多个簇节点的抽象节点。
在其中一个实施例中，选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有簇首节点的最短路径，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网的方法如图4所示，包括以下步骤：
步骤4.1：根据每个簇群中各节点的可用信道数量与邻居节点数量的加权求和值获取各节点的节点重要度，并选择节点重要度最大的节点作为簇首节点；
步骤4.2：根据最小生成树算法搜索任意两个簇首节点之间的最短路径，将所有最短路径中的最小值对应的两个簇首节点作为最小生成树的根节点，并将根节点存储于树集合中；
步骤4.3：计算其他簇首节点与根节点之间的最短路径，并将其他簇首节点和最短路径存储于树集合中；
步骤4.4：继续执行步骤4.3，直至所有簇首节点全部存储于树集合中，构建形成骨干网。
在其中一个实施例中，根据本发明所提方法优化的分层拓扑网络如图5所示，图中三角形表示簇首节点，圆形表示簇成员节点，方形表示网关节点，实线表示接入网链路，虚线表示骨干网链路。从图5中可以知道，接入网和骨干网最终形成了12个簇的分层拓扑网络，位于同一簇群内的各节点均具有共同的公共信道，节点间通过时分多址技术(TDMA)在公共信道上进行信息交互。骨干网中各簇群之间通过簇首节点建立连接，各簇首节点之间仅有一条一跳或多跳通信链路，各个簇首节点间通过退避竞争机制(CSMA/CA)进行信息交互。此外，由于全网可用信道为6个，分层拓扑网络中存在公共信道相同的簇网络，各簇之间通过簇首建立连接，当簇首间无直接链路时将借助簇成员节点作为网关节点进行骨干网构建。
进一步地，在一个具体的实施例中，还将本发明所提方法与现有的各边权重为1算法、相似度算法进行了比较，其中，各边权重为1是指两点之间有链路连接时公共信道邻居比就为1，否则为0；相似度算法则是指两节点邻居节点交集与并集之比，并没有考虑两节点公共信道对邻居节点的影响。
图6为在三种不同的技术下进行网络拓扑优化后得到的分簇网络的模块度随着节点数量变化的性能曲线示意图，由图6可以知道，随着用户节点数的增加，可以明显观察到不同方案得到的网络模块度均呈现下降的趋势。这是因为整个网络中各节点可用信道和通信距离受限，随着节点数的增加，整个网络将形成更多的分簇网络，各簇之间的紧密度将变得更低。但是，在同样的用户节点数量下，本发明所提出的拓扑优化方法得到的模块度相比于其他两种方法更大，可见采用本发明所提方法形成的分簇网络具有更强的紧密性。
图7为在三种不同的技术下进行网络拓扑优化后得到的分簇网络的模块度随着总信道数量变化的性能曲线，由图7可以知道，随着信道数的增加，可以观察到整个网络的模块度并没有比较明显的下降或者上升的趋势，这是因为虽然整个网络的总信道数量增加，但是各节点感知到的信道仍然是部分可用的。由于各节点感知到的可用信道数与通信范围受限，因此整个网络形成的分簇结构的模块度并不具有明显的区别，但是对比不同方法得到的网络公共信道邻居比，仍然可以观察到本发明所提方法在不同的总信道数量下仍然可以得到最大的模块度，具有明显的优势。
应该理解的是，虽然图1和图3-4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1和图3-4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化装置，包括：平面结构网络构建模块、公共信道邻居比计算模块和网络分层优化模块，其中：
平面结构网络构建模块，用于多信道无线自组网中的各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网；
公共信道邻居比计算模块，用于根据无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据公共信道邻居比构建无线自组网的模块度函数；其中，公共信道邻居比表示节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性；
网络分层优化模块，用于根据模块度函数对无线自组网进行分层优化，得到包括接入网和骨干网的分层拓扑网络；其中，根据模块度函数和接入网分簇算法将无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网；选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有簇首节点的最短路径，根据簇首节点和最短路径构建形成骨干网。
关于基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化装置的具体限定可以参见上文中对于基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法的限定，在此不再赘述。上述基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化方法，其特征在于，所述方法包括：
多信道无线自组网中的各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据所述可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网；
根据所述无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据所述公共信道邻居比构建所述无线自组网的模块度函数；其中，所述公共信道邻居比表示节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性；
根据所述模块度函数对所述无线自组网进行分层优化，得到包括接入网和骨干网的分层拓扑网络；其中，根据所述模块度函数和接入网分簇算法将所述无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网；选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有所述簇首节点的最短路径，根据所述簇首节点和最短路径构建形成骨干网。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网，包括：
所述多信道无线自组网中的各节点根据退避竞争机制周期性地在所述可用信道上进行消息发送，并接收其他节点的消息；
当两个节点信道跳变到同一个可用信道上进行消息发送和接收时，建立两个节点间的点对点链路，根据所述点对点链路构建得到平面结构的无线自组网。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，包括：
根据所述无线自组网中各个节点的可用信道和拓扑连接关系，搜索任意两个节点间的公共信道和直接连接关系，根据所述公共信道和直接连接关系计算两节点间的公共信道邻居比，表示为
Figure QLYQS_1
；
其中，
Figure QLYQS_19
表示与节点
Figure QLYQS_9
具有公共信道
Figure QLYQS_14
的邻居节点，
Figure QLYQS_8
表示与节点
Figure QLYQS_15
具有公共信道
Figure QLYQS_18
的邻居节点，
Figure QLYQS_20
表示节点
Figure QLYQS_6
与节点
Figure QLYQS_17
的公共信道集合，
Figure QLYQS_2
表示与节点
Figure QLYQS_10
和节点
Figure QLYQS_4
具有公共信道
Figure QLYQS_11
的邻居节点占所有与节点
Figure QLYQS_7
和节点
Figure QLYQS_13
具有公共信道的邻居节点总数的比重，
Figure QLYQS_5
表示与节点
Figure QLYQS_12
和节点
Figure QLYQS_3
具有公共信道集合
Figure QLYQS_16
的所有邻居节点数，邻居节点是指具有边连接且具有公共信道的节点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述公共信道邻居比构建所述无线自组网的模块度函数，表示为
Figure QLYQS_21
；
Figure QLYQS_22
；
其中，
Figure QLYQS_24
表示节点
Figure QLYQS_28
与所有邻居节点的公共信道邻居比之和，
Figure QLYQS_32
表示节点
Figure QLYQS_26
与所有邻居节点的公共信道邻居比之和，
Figure QLYQS_29
表示所有节点的公共信道邻居比之和，
Figure QLYQS_33
表示节点
Figure QLYQS_35
所属的簇标号，
Figure QLYQS_23
表示节点
Figure QLYQS_27
所属的簇标号，当节点
Figure QLYQS_31
和节点
Figure QLYQS_34
属于同一个簇并且具有公共信道和直接连接边时，
Figure QLYQS_25
，否则，
Figure QLYQS_30
。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述模块度函数和接入网分簇算法将所述无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网，包括：
将所述无线自组网中的每个待分配节点视为一个簇群，计算具有公共信道和直接连接关系的两个待分配节点间的公共信道邻居比
Figure QLYQS_36
，并将所述无线自组网的模块度函数进行初始化处理，表示为
Figure QLYQS_37
；
将所述无线自组网中的任意一个待分配节点预分配到所有邻居节点所属的簇群，并计算预分配后每个簇群的模块度增量，根据所述模块度增量对所述待分配节点进行最优分配，保存最优分配结果直至所有待分配节点分配完毕；
当所述最优分配结果对应的簇群中的节点数量大于1时，将所述最优分配结果对应的簇群抽象压缩为抽象节点，对所述抽象节点作为新的节点进行预分配和最优分配，直至每个簇群中仅包括一个抽象节点，根据所有簇群构建形成接入网。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算预分配后每个簇群的模块度增量，根据所述模块度增量对待分配节点进行最优分配，保存最优分配结果直至所有待分配节点分配完毕，还包括：
计算预分配后每个簇群的模块度增量，表示为
Figure QLYQS_38
；
将预分配后每个簇群的模块度增量
Figure QLYQS_39
进行排序，将所述待分配节点最优分配至所述模块度增量
Figure QLYQS_40
最大且大于0的簇群中，保存最优分配的簇群直至所有待分配节点分配完毕。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有所述簇首节点的最短路径，根据所述簇首节点和最短路径构建形成骨干网，包括：
根据每个簇群中各节点的可用信道数量与邻居节点数量的加权求和值获取各节点的节点重要度，并选择节点重要度最大的节点作为簇首节点；
根据最小生成树算法搜索任意两个所述簇首节点之间的最短路径，将所有最短路径中的最小值对应的两个簇首节点作为最小生成树的根节点，并将所述根节点存储于树集合中；
计算其他簇首节点与所述根节点之间的最短路径，并将其他簇首节点和最短路径存储于树集合中，直至所有簇首节点全部存储于树集合中构建形成骨干网。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括接入网和骨干网的分层拓扑网络中，位于同一簇群内的各节点具有共同的公共信道，节点间通过时分多址技术在公共信道上进行信息交互。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述骨干网中各簇群之间通过簇首节点建立连接，各簇首节点之间仅有一条一跳或多跳通信链路，各个簇首节点间通过退避竞争机制进行信息交互。
10.一种基于公共信道邻居比的多信道无线自组网优化装置，其特征在于，所述装置包括：
平面结构网络构建模块，用于多信道无线自组网中的各节点通过信道感知获取当前环境下的可用信道，根据所述可用信道进行信道跳变和点对点链路建立，构建得到平面结构的无线自组网；
公共信道邻居比计算模块，用于根据所述无线自组网中各节点的可用信道和拓扑连接关系，计算所有具有公共信道和直接连接关系的两节点间的公共信道邻居比，根据所述公共信道邻居比构建所述无线自组网的模块度函数；其中，所述公共信道邻居比表示节点间在拓扑连接关系和公共信道方面的相似性；
网络分层优化模块，用于根据所述模块度函数对所述无线自组网进行分层优化，得到包括接入网和骨干网的分层拓扑网络；其中，根据所述模块度函数和接入网分簇算法将所述无线自组网中的节点划分为不同的簇群，根据节点所分的簇群构建形成接入网；选择每个簇群中节点重要度最大的节点作为簇首节点，通过最小生成树算法搜索连接所有所述簇首节点的最短路径，根据所述簇首节点和最短路径构建形成骨干网。
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