一種具有小世界特征manet的拓?fù)淇刂品椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒ǎú杉我鈺r刻各節(jié)點的位置信息、信號傳輸半徑的選取機制、大功率射頻裝置優(yōu)先啟用機制，具體步驟為：首先通過構(gòu)建單跳鄰居信息表獲得鄰接矩陣，將鄰接矩陣導(dǎo)入MATLAB中計算網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的聚類系數(shù)，其次是遍歷整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，把滿足條件的節(jié)點優(yōu)先啟用大功率射頻裝置，最后是把信號傳輸半徑的選取轉(zhuǎn)換成節(jié)點發(fā)射功率的選取。本發(fā)明在節(jié)約能量，延長節(jié)點壽命，降低相互干擾，提高吞吐量的情況下保證MANET網(wǎng)絡(luò)的全連通。
【專利說明】一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MANET的拓?fù)淇刂?，具體地指一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒?，屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]MANET (Mobile Ad hoc network，節(jié)點具有移動性的Ad hoc網(wǎng)絡(luò))拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是:在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通性的前提下，采取有效的措施進行拓?fù)淇刂?，形成?yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善網(wǎng)絡(luò)的整體性能。如果沒有拓?fù)淇刂?，所有?jié)點都會以最大無線傳輸功率工作。這種情況下會產(chǎn)生如下問題:節(jié)點能量消耗過快，降低網(wǎng)絡(luò)生存周期；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于密集，影響通信質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒘看?，路由計算?fù)雜。因此，需要研究MANET的拓?fù)淇刂茊栴}，通過調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率來獲得優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠節(jié)約能量，延長節(jié)點壽命，降低相互干擾，提高吞吐量。
[0003]復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的熱門學(xué)科，引起了許多專家學(xué)者的注意。小世界模型和無標(biāo)度模型的提出在極大的推動復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基本理論研究的同時，也給無線網(wǎng)絡(luò)的研究打開了一個全新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的而提供一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒?，本方法結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和MANET的相關(guān)特性，能夠在保證網(wǎng)絡(luò)連通性的情況下,找到最小的傳輸半徑，提高能量的利用率。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是:一種具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ鼍哂行∈澜缣卣鱉ANET是通過添加長連接的方式來實現(xiàn)的，該具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓢?
[0006](1)采集任意時刻各節(jié)點的位置信息，通過所述位置信息構(gòu)建單跳鄰居節(jié)點信息表，通過所述單跳鄰居節(jié)點信息表獲得鄰接矩陣，在所述鄰接矩陣中統(tǒng)計單跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點信息；
[0007](2)確定信號傳輸半徑的選取機制；
[0008](3)計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的聚類系數(shù)，然后遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，在遍歷過程中按照以下方法進行大功率啟用:如果存在孤立節(jié)點，則將所述孤立節(jié)點優(yōu)先啟用大功率；如果不存在孤立節(jié)點，則判斷是否存在孤島現(xiàn)象，如果存在孤島現(xiàn)象，則將孤島中聚類系數(shù)最大的節(jié)點優(yōu)先啟用，如果不存在孤島現(xiàn)象，則聚類系數(shù)大于閾值的節(jié)點優(yōu)先啟動大功率。
[0009]本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點:
[0010]1、通過構(gòu)建具有小世界特征的MANET，使無線網(wǎng)絡(luò)具有較小的平均路徑長度和較大的聚類系數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)具有較高的連通性，增強了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
[0011]2、本發(fā)明方法對于連通圖，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)，減少路由代價；對于非連通圖，使平均路徑長度銳減，消除了網(wǎng)絡(luò)的孤島現(xiàn)象，提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
[0012]3、本方法能夠在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的前提下，提高能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，進而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)總體性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǖ牧鞒虉D。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0015]本實施例首先分析MANET的復(fù)雜統(tǒng)計特性，以說明MANET具備小世界特征及無標(biāo)度特性，即可利用多射頻節(jié)點構(gòu)建小世界MANET。
[0016]MANET的復(fù)雜統(tǒng)計特性及無標(biāo)度特性分析通過理論結(jié)合實驗仿真進行分析，對MANET的平均路徑長度、聚類系數(shù)和平均度以及度分布進行研究，具體步驟如下所示:
[0017](I)、確定實驗仿真模型及其移動場景參數(shù)，選擇節(jié)點個數(shù)、信號傳輸半徑、仿真區(qū)域面積作為實驗仿真變量。
[0018](2)、由于節(jié)點的隨機移動，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌矔r變化，針對網(wǎng)絡(luò)的瞬時拓?fù)?，隨機選取網(wǎng)絡(luò)仿真時刻。為了減少實驗仿真誤差，可隨機選取多個時刻，研究其統(tǒng)計特性。
[0019](3)、確定節(jié)點的初始信號傳輸半徑，根據(jù)節(jié)點的位置信息，計算節(jié)點間的相對距離。判斷并記錄節(jié)點間的連接系數(shù)，繼而得到對應(yīng)的鄰接矩陣。
[0020](4)、將得到的鄰接矩陣導(dǎo)入到MATLAB中，利用MATLAB分別計算平均路徑長度、聚類系數(shù)、平均度的值，同時得到網(wǎng)絡(luò)的度分布情況。此處可進行多個時刻的統(tǒng)計實驗，記錄對應(yīng)時刻的參數(shù)值，通過取平均值以減小實驗誤差。
[0021](5)、針對平均路徑長度和聚類系數(shù)的變化規(guī)律，對MANET的小世界特征進行分析；針對平均度和度分布的變化規(guī)律，對MANET的無標(biāo)度特征進行分析。分析得出MANET具備小世界特征及無標(biāo)度特性，因此，可以利用多射頻節(jié)點構(gòu)建小世界MANET。
[0022]本實施例通過實驗驗證多射頻節(jié)點構(gòu)建小世界MANET的可行性。
[0023](I)確定三種實驗仿真模型一隨機網(wǎng)絡(luò)、單射頻無線網(wǎng)絡(luò)、多射頻無線網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)的實驗仿真變量依次為連接概率、信號傳輸半徑、長射頻安裝比例。
[0024](2)改變實驗仿真變量，統(tǒng)計三個實驗仿真模型的平均路徑長度、平均度和最大路徑長度的變化情況。
[0025](3)分析實驗結(jié)果，對比隨機網(wǎng)絡(luò)和單射頻無線網(wǎng)絡(luò)的實驗數(shù)據(jù)，對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的差異性進行分析；對比單射頻無線網(wǎng)絡(luò)和多射頻無線網(wǎng)絡(luò)的實驗數(shù)據(jù)，從而驗證多射頻節(jié)點構(gòu)建小世界MANET的可行性。
[0026]因此，本發(fā)明通過多射頻節(jié)點構(gòu)建小世界MANET，本實施例中，多射頻節(jié)點構(gòu)建小世界MANET是通過添加長連接的方式來實現(xiàn)的，即在網(wǎng)絡(luò)中按照一定比例任意選取的節(jié)點加裝比普通射頻傳輸距離遠(yuǎn)的射頻裝置。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，包括以下步驟:
[0028]S100、信息采集，拓?fù)淇刂品椒ㄖ惺紫纫獙W(wǎng)絡(luò)的信息進行采集，記錄網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的位置信息，掌握任意時刻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，實現(xiàn)步驟如下:[0029]S101:MANET的移動模型是通過Visual C++編程實現(xiàn)的，節(jié)點在運動的過程中，各節(jié)點在任意時刻的位置信息通過數(shù)組存儲。
[0030]S102:設(shè)定節(jié)點的初始信號傳輸半徑，在某一給定時刻，對于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點i，如果節(jié)點j在節(jié)點i的信號傳輸半徑范圍之內(nèi)，則節(jié)點j是節(jié)點i的鄰居節(jié)點，互為鄰居節(jié)點的任意兩個節(jié)點可以進行直接通信。在全網(wǎng)范圍內(nèi)，依次統(tǒng)計所有節(jié)點的鄰居節(jié)點，構(gòu)建一跳鄰居信息表。
[0031]S103:根據(jù)一跳鄰居信息表得到鄰接矩陣。如果節(jié)點j是節(jié)點i的鄰居節(jié)點，那么j — i的連接系數(shù)為1，否則為0。同樣地，如果節(jié)點i是節(jié)點j的鄰居節(jié)點，那么i — j的連接系數(shù)為1，否則為0。很顯然，該鄰接矩陣得到的瞬時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是一個有向圖，互為鄰居的節(jié)點之間才可以進行直接通信。
[0032]S200、按照優(yōu)先啟用機制啟用小世界MANET大功率射頻的功率，具體包括以下步驟:
[0033]S201、計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的聚類系數(shù)，遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點。
[0034]S202、如果某節(jié)點無法搜索到鄰居節(jié)點，即該節(jié)點為孤立節(jié)點，則將其優(yōu)先啟用大功率射頻裝置。
[0035]S203、計算節(jié)點的聚類系數(shù)，并將拓?fù)淇刂魄叭W(wǎng)的聚類系數(shù)定為聚類系數(shù)閥值，該閥值通過各個節(jié)點的聚類系數(shù)求平均值得到。
[0036]S204、如果網(wǎng)絡(luò)中存在孤島現(xiàn)象，則將孤島現(xiàn)象中聚類系數(shù)最大的節(jié)點優(yōu)先啟用大功率射頻裝置。
[0037]S205、如果網(wǎng)絡(luò)全連通，則將聚類系數(shù)大于聚類系數(shù)閥值的節(jié)點優(yōu)先啟用大功率射頻。
[0038]S300、由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的發(fā)射功率和信號傳輸半徑是一個等價的概念，因此大功率射頻的功率選取機制也就是信號傳輸半徑的選取機制，本發(fā)明啟用大功率射頻的功率按照以下步驟進行選擇。
[0039]S301:在MANET中定義連通率，并確定移動場景:
[0040]1)本實施例對隨機網(wǎng)絡(luò)的移動場景設(shè)置如下:節(jié)點個數(shù)為100，網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域面積為 500mX500m，連接概率 p 取值依次是 0.01、0.05,0.1、0.15、0.2。
[0041]2)單射頻無線網(wǎng)絡(luò)和多射頻無線網(wǎng)絡(luò)選取RWP和RPGM移動模型進行實驗。RWP的移動場景設(shè)置如下:仿真時間為700s，暫停時間為10s，節(jié)點個數(shù)為100，仿真區(qū)域為500mX500m，速度變化的范圍為0-20m/s。RPGM移動模型的移動場景設(shè)置如下:仿真時間700s。節(jié)點個數(shù)為100，每個群組節(jié)點個數(shù)為20個，仿真區(qū)域為500mX 500m，速度變化范圍為 0_20m/s。
[0042]對于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的連通率是指網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點與其他節(jié)點之間存在一條或多條路徑的概率。在實施例中，針對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，將網(wǎng)絡(luò)的連通率作如下定義:對于某一仿真場景，在任意時刻t，MANET網(wǎng)絡(luò)是連通的，則該時刻網(wǎng)絡(luò)是連通的，稱為連通時刻。對于整個仿真時間，連通時刻所占比例稱為整個MANET的連通率。
[0043]S302:根據(jù)不同的移動場景，調(diào)整節(jié)點的傳輸半徑。
[0044]經(jīng)典的無線通信研究結(jié)果表明，在接收靈敏度一定的情況下，無線發(fā)射功率己和信號傳輸半徑R之間的關(guān)系是pt = R2?R5，傳輸半徑越大，節(jié)點通信時需要的發(fā)射功率就越大，能量消耗也就越高。本實施例對以下兩種不同的無線傳播模型來說明Pt和R的關(guān)系。
[0045]I)自由空間模型FreeSpace
[0046]自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。發(fā)射功率通過以下公式計算:
【權(quán)利要求】
1.一種具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟?所述具有小世界特征MANET是通過添加長連接的方式來實現(xiàn)的，該具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓢? (1)采集任意時刻各節(jié)點的位置信息，通過所述位置信息構(gòu)建單跳鄰居節(jié)點信息表，通過所述單跳鄰居節(jié)點信息表獲得鄰接矩陣，在所述鄰接矩陣中統(tǒng)計單跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點信息； (2)確定信號傳輸半徑的選取機制； (3)計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的聚類系數(shù)，然后遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，在遍歷過程中按照以下方法進行大功率啟用:如果存在孤立節(jié)點，則將所述孤立節(jié)點優(yōu)先啟用大功率；如果不存在孤立節(jié)點，則判斷是否存在孤島現(xiàn)象，如果存在孤島現(xiàn)象，則將孤島中聚類系數(shù)最大的節(jié)點優(yōu)先啟用，如果不存在孤島現(xiàn)象，則聚類系數(shù)大于閾值的節(jié)點優(yōu)先啟動大功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于，所述步驟(I)包括: (1.1)節(jié)點在運動的過程中，各節(jié)點在任意時刻的位置信息通過數(shù)組存儲； (1.2)設(shè)定節(jié)點的初始信號傳輸半徑，在某一給定時刻，對于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點i，如果節(jié)點j在節(jié)點i的信號傳輸半徑范圍之內(nèi)，則節(jié)點j是節(jié)點i的鄰居節(jié)點，互為鄰居節(jié)點的任意兩個節(jié)點可以進行直接通信，在全網(wǎng)范圍內(nèi)，依次統(tǒng)計所有節(jié)點的鄰居節(jié)點，構(gòu)建一跳鄰居信息表； (1.3)根據(jù)一跳鄰居信息表得到鄰接矩陣，如果節(jié)點j是節(jié)點i的鄰居節(jié)點，那么j — i的連接系數(shù)為1，否則為O ;如果節(jié)點i是節(jié)點j的鄰居節(jié)點，那么i — j的連接系數(shù)為1，否則為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟冢霾襟E(2)包括: 計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的聚類系數(shù)，遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點； 如果某節(jié)點無法搜索到鄰居節(jié)點，即該節(jié)點為孤立節(jié)點，則將其優(yōu)先啟用大功率射頻裝置； 計算節(jié)點的聚類系數(shù)，并將拓?fù)淇刂魄叭W(wǎng)的聚類系數(shù)定為聚類系數(shù)閥值，該閥值通過各個節(jié)點的聚類系數(shù)求平均值得到； 如果網(wǎng)絡(luò)中存在孤島現(xiàn)象，則將孤島現(xiàn)象中聚類系數(shù)最大的節(jié)點優(yōu)先啟用大功率射頻裝置； 如果網(wǎng)絡(luò)全連通，則將聚類系數(shù)大于聚類系數(shù)閥值的節(jié)點優(yōu)先啟用大功率射頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在?當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的連通率為I時，此時的傳輸半徑對應(yīng)的功率為大功率射頻的功率下限；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)全連通時，此時的傳輸半徑對應(yīng)的功率為大功率射頻的功率上限。
【文檔編號】H04W40/24GK103731899SQ201310711638
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】顏昕, 陳輝, 李沙沙 申請人:武漢理工大學(xué)