本發(fā)明涉及一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分簇算法和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的基礎(chǔ)，是網(wǎng)絡(luò)有效運(yùn)行的可靠保障。主要包括網(wǎng)絡(luò)初始化，路由發(fā)現(xiàn)，路由響應(yīng)，路由修復(fù)等內(nèi)容。目前主要通過研究網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)和路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制來提升網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和健壯性。分簇算法是分層協(xié)議中最重要、最基本的內(nèi)容，分簇算法和路由協(xié)議的好壞將直接影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究成果有許多，但其也存在著一些問題。目前大多數(shù)研究只要集中在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)某方面的應(yīng)用要求上，路由協(xié)議的適應(yīng)性較差，且動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)之一，這一特點(diǎn)使得現(xiàn)有的路由協(xié)議在簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸路由的有效性等方面存在較大的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開一種基于權(quán)重的分簇路由協(xié)議，協(xié)議采用一種移動(dòng)性優(yōu)先的加權(quán)分簇算法，基于局部節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性，使用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)距離變化作為節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的衡量指標(biāo)，考慮網(wǎng)絡(luò)最佳節(jié)點(diǎn)度數(shù)、節(jié)點(diǎn)間的平均距離和節(jié)點(diǎn)的剩余能量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響；對(duì)四種因素進(jìn)行歸一化處理，使權(quán)值公式具有更為合理的加和性；運(yùn)用層次分析法合理確定各因素的權(quán)重大小，利用節(jié)點(diǎn)權(quán)值的大小選舉簇頭。對(duì)路由搜索時(shí)采取的無(wú)限報(bào)文洪泛方式進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)報(bào)文洪泛跳數(shù)進(jìn)行限制。利用基于權(quán)值和路由跳數(shù)的最小聯(lián)合約束優(yōu)化路由選擇。本發(fā)明有效地提高了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且更為適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)較為頻繁的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；本發(fā)明為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提供了參考方案，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

附圖、表說明

圖1是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分簇流程圖。

圖2是本發(fā)明的洪泛方式的流程圖。

圖3是本發(fā)明的選擇最佳路由的流程圖。

圖4是本發(fā)明的路由發(fā)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點(diǎn)更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施過程對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行前，首先經(jīng)過初始化組網(wǎng)，形成分層結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成后，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)。

本發(fā)明包括三個(gè)階段：網(wǎng)絡(luò)分簇、路由洪泛的限制、路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

(1)網(wǎng)絡(luò)分簇

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點(diǎn)加入或網(wǎng)絡(luò)開始成簇時(shí)，所有網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送hello消息以此來建立相互之間的鏈路，通過計(jì)算得到各因素的量化值，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。同時(shí)本發(fā)明設(shè)計(jì)的是移動(dòng)性優(yōu)先的加權(quán)分簇算法，運(yùn)用層次分析法得到各因素的權(quán)重，步驟如下：

第一步：節(jié)點(diǎn)間通過周期性的發(fā)送交互hello信息報(bào)文獲知鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，作為它的度數(shù)d_i，其中hello信息報(bào)文攜帶節(jié)點(diǎn)ID，節(jié)點(diǎn)剩余能量，節(jié)點(diǎn)度，權(quán)值，所屬簇，鄰居信息表等；

第二步：用E_i表示節(jié)點(diǎn)i所消耗的能量，計(jì)算節(jié)點(diǎn)剩余能量的歸一化值E′_i＝E_i/E；

第三步：計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)度與最佳節(jié)點(diǎn)度差值D_i，進(jìn)而歸一化得到節(jié)點(diǎn)度的評(píng)價(jià)因子

第四步：利用雙反射模型中節(jié)點(diǎn)的收發(fā)功率與節(jié)點(diǎn)間距離的關(guān)系式計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的所有鄰居節(jié)點(diǎn)到它的平均距離并歸一化處理得到

第五步：計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其鄰居節(jié)點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)性V_i，通過歸一化得到

第六步：每個(gè)節(jié)點(diǎn)i計(jì)算組合權(quán)值并將權(quán)值置于hello信息中廣播；

第七步：所有相鄰的節(jié)點(diǎn)通過比較權(quán)值，擁有最小權(quán)值的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，并廣播消息宣布自己的簇頭地位。在權(quán)值相等的情況下，ID較小的節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)先成為簇頭的權(quán)利。未知節(jié)點(diǎn)接收到某簇頭的廣播消息即成為該簇頭的成員節(jié)點(diǎn)，修改自己的所屬簇列表，并廣播至網(wǎng)絡(luò)，且自身不再參與簇頭選舉；

第八步：不斷重復(fù)前七步，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都處于統(tǒng)治集范圍內(nèi)。簇頭選舉流程如圖1所示。

(2)路由洪泛的限制

協(xié)議規(guī)定，在報(bào)文洪泛時(shí)，僅有簇頭節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)，在路由過程中，中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也相對(duì)較少，因此在路由發(fā)現(xiàn)過程中，對(duì)路由的跳數(shù)進(jìn)行限制，通過對(duì)其設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)閾值，減少洪泛次數(shù)，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)中的冗余信息。

基于小世界現(xiàn)象的“6度分離”，在路由請(qǐng)求包中對(duì)最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)進(jìn)行限制，初始時(shí)，該閾值設(shè)定為3，因?yàn)樵诼酚烧?qǐng)求過程中，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)理論上最多轉(zhuǎn)發(fā)6跳，大多數(shù)目的節(jié)點(diǎn)集中在3至6跳之間，將閾值設(shè)定為最大值的一半相對(duì)而言較為合理。如果源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間相距三跳之內(nèi)，通過此方式能夠快速找到目的節(jié)點(diǎn)，形成路由。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)3跳，且沒有收到RREP分組，則將閾值加一，重新發(fā)起路由搜索。持續(xù)進(jìn)行逐次查詢，如果閾值到達(dá)6跳，且沒有發(fā)現(xiàn)有效路由，則觸發(fā)報(bào)文洪泛進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，過程如圖2所示。優(yōu)化后的協(xié)議，在能夠保證路由發(fā)現(xiàn)正常進(jìn)行的同時(shí)，盡可能地降低報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)中由于報(bào)文洪泛所產(chǎn)生的冗余信息。

(3)路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制

為了便于分析，給出以下定義：

定義1：θ＝{Path|存在的能夠到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑}；

定義2：Φ＝{node|路徑中的所有節(jié)點(diǎn)}；

Path＝min_j∈θ(R_j) (2)

式中W_i為節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值大小，R_j為帶有最大權(quán)值的路徑，Path表示所有可選路徑中最大的權(quán)值為最小的那條路徑。權(quán)值由節(jié)點(diǎn)間的hello交互信息得到。為了提高所選路徑的均衡性，引入路徑中間節(jié)點(diǎn)權(quán)值離散度這一概念：

M＝λW (3)

式中M為聯(lián)合約束，λ為離散系數(shù)(0＜λ＜1)，W為路徑中的節(jié)點(diǎn)的最大權(quán)值。對(duì)于路徑中間節(jié)點(diǎn)的權(quán)值W₁、W₂、W₃...W_n取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差S_n：

平均值通常反映某組數(shù)據(jù)的總體水平，標(biāo)準(zhǔn)差反映相對(duì)于平均值，該組數(shù)據(jù)的離散程度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸一化，進(jìn)而得到離散系數(shù)λ(0＜λ＜1)：

綜合以上公式可得：

將公式(7)代入到(2)中，最終選擇的路徑Path是聯(lián)合約束最小的那一條。

通過權(quán)值的比較所選擇的路徑穩(wěn)定性較好，然而通過這種方式所選路徑不一定是最優(yōu)的路徑，當(dāng)路徑a的聯(lián)合約束小于路徑b，同時(shí)，a的路由跳數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路徑b，則通過路徑b進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的路由距離和丟包率等方面優(yōu)于路徑a。因此，在路由選擇時(shí)還應(yīng)同時(shí)考慮路由的長(zhǎng)度，即路由跳數(shù)。對(duì)上述聯(lián)合約束進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的聯(lián)合最小約束為：

Path＝min_j∈θ(R_j×HOP_j) (8)

式中HOP_j表示第j條路由的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)。由公式(8)可得出最優(yōu)的路由選擇，從而提高路由性能，也使負(fù)載更加均衡，路由過程如圖3所示。整個(gè)協(xié)議的流程圖如圖4。

需要指出的是，本發(fā)明所訴的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其它實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。