一种面向无线自组织网的节点分层路由调度方法及系统与流程

本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种调度方法及系统。
背景技术：
：随着4G技术的日渐成熟和5G时代的到来，无线自组织网络得到许多研究者的重点关注和研究，尤其是网络的负载均衡的问题早已成为无线自组织网络研究的热点。无线自组网是一种节点以动态、自组的方式互连形成的网络，被广泛应用于军事、无线传感器网等多个领域。节点的移动性、拓扑的变化性等特性使得传统路由算法无法直接应用于无线自组网。因此，如何在源节点和目的节点之间找到有效的路由成为研究的难点。传统的无线自组网路由算法基于最短路思想，会导致网络内的负载分布不均。而负载不均衡会造成端到端时延增大、传输比下降、网络生存时间下降等严重的后果。因此，对负载均衡路由算法的研究具有重要的意义。根据路由的建立方式，无线自组网路由协议可以分为表驱动路由协议和按需路由协议。表驱动路由协议实时维护网络中的路由信息，按需路由协议只在节点需要发送分组时建立路由。由于表驱动路由协议需要维护网络的实时路由信息，因此需要不断在网络中广播更新消息，消耗大量的带宽和能量资源。在无线自组网中，节点的移动性等因素使得网络拓扑的变化频繁，使得广播的更新更频繁，对带宽和能量的消耗也更为严重。实际上，许多变化的路径上并没有需要发送的分组，对这些路径变化的维护很多时候是没有必要的。在无线自组网中，带宽和能量都是非常稀缺的资源。与有线通信相比，无线传输的带宽较低。而且，由于节点通常采用分布式的方式竞争对信道的使用，每个节点实际使用的带宽要远小于物理层能够支持的最大传输速率。节点一般依靠电池供电，并且在很多应用中无法及时对电池进行更换，网络的性能受到能量的限制。这些都给表驱动路由协议的应用带来了很大的限制。按需路由协议克服了这个问题。按需路由协议不需要在每个节点上维护实时的路由信息，只在源节点需要发送数据时建立路由。一般来说，按需路由协议比表驱动路由协议具有更好的性能。技术实现要素：本发明的目的之一是提供一种面向无线自组织网的节点分层路由调度方法，该方法可用于无线自组织网的节点分层路由调度，并且可以实现网络负载均衡，增大网络生命周期。根据上述发明目的，本发明提出了一种面向无线自组织网的节点分层路由调度方法，其用于规划任一发送节点到任一接收节点的路由，所述调度方法包括以下步骤：(1)基于节点邻居关系获取节点分层关系；(2)基于所述节点邻居关系和所述节点分层关系规划所述发送节点到所述接收节点的路由。本发明所述的节点分层路由调度方法，其通过节点分层并规划任一发送节点到任一接收节点的路由，从而可用于无线自组织网的节点分层路由调度，并且可以基于节点负载选择路由，从而实现网络负载均衡，增大网络生命周期。所述节点邻居关系是指两两节点的通信距离较近的关系。所述节点分层关系是指以发送节点为根节点展开的分层结构。对节点进行分层可以避免路由回路，减少路由的节点跳数。进一步地，本发明所述的节点分层路由调度方法中，所述步骤(1)之前还包括以下步骤：(0)判断是否已获取节点邻居关系，是则进行步骤(1)，否则先获取节点邻居关系，再进行步骤(1)。上述方案是为了满足：当还未获取节点邻居关系时，应当先获取节点邻居关系。更进一步地，上述节点分层路由调度方法中，所述节点邻居关系的获取方法为：根据节点的空间坐标计算所有节点中两两节点的通信距离，定义所述通信距离不大于一阈值L的两两节点之间具有节点邻居关系。上述方案中，为了获得较好的效果，可以对所述阈值L进行调整。通常，通过建立节点邻居路由表使得每个节点都拥有其它节点的邻居路由信息，该邻居路由信息即包含了所述节点邻居关系。进一步地，本发明所述或上述任一节点分层路由调度方法中，所述步骤(1)具体包括以下步骤：定义所述发送节点属于第1层节点集合，定义与第k-1层节点集合中的节点的至少其中之一具有节点邻居关系的节点属于第k层节点集合，且各层节点集合之间无交集，k依次取2,3,…，直到定义出体现所有节点分层关系的各节点集合。上述方案中，k依次取2,3,…，从而以发送节点为根节点依次展开分层结构。进一步地，本发明所述或上述任一节点分层路由调度方法中，所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2a)设所述接收节点属于第k层节点集合，定义所述接收节点属于第k层可行域子集合，定义与第p+1层可行域子集合中的节点具有节点邻居关系的第p层节点集合中的节点属于第p层可行域子集合，p依次取k-1,k-2,…，1，从而定义出所述发送节点到所述接收节点的路由的所有可行域子集合，该所有可行域子集合的并集为所述路由的可行域集合。上述方案中，通过启发式的方式求解通信路由可行域集合，即从接收节点开始，通过p依次取k-1,k-2,…，1，逆向搜索依次查找通信路由可行域子集合，最后得到整个可行域集合。更进一步地，上述节点分层路由调度方法中，所述步骤(2)具体还包括以下步骤：(2b)将所述可行域集合中的节点基于节点邻居关系通信连接，从而形成有效路由集合，所述通信连接的发送方向由第p层可行域子集合指向第p+1层可行域子集合，p依次取1,…,k-2,k-1。上述方案描述了如何基于可行域集合得到有效路由集合，所述有效路由集合在可行域集合的基础上考虑了节点邻居关系。更进一步地，上述节点分层路由调度方法中，所述步骤(2)具体还包括以下步骤：(2c)找到所述有效路由集合的每条路由中负载最小的节点，在该负载最小的节点中找到负载最大的节点，并选择该负载最大的节点对应的路由作为所述发送节点到所述接收节点的路由。上述方案描述了如何基于木桶理论寻找最优路由。众所周知，木桶理论指一只水桶能装多少水取决于它最短的那块木板。对于通信路由也是一样的，一条路由路径的负载量取决于路径中负载量最小的节点。本发明的另一目的是提供一种面向无线自组织网的节点分层路由调度系统，该系统可用于无线自组织网的节点分层路由调度，并且可以实现网络负载均衡，增大网络生命周期。根据上述发明目的，本发明提出了一种面向无线自组织网的节点分层路由调度系统，其用于规划任一发送节点到任一接收节点的路由，所述调度系统包括节点分层模块和路由规划模块，其中：所述节点分层模块被配置为执行步骤(1)基于节点邻居关系获取节点分层关系；所述路由规划模块被配置为执行步骤(2)基于所述节点邻居关系和所述节点分层关系规划所述发送节点到所述接收节点的路由。进一步地，本发明所述的节点分层路由调度系统中，所述调度系统还包括初始化模块，所述初始化模块被配置为在所述节点分层模块执行所述步骤(1)之前执行以下步骤：(0)判断是否已获取节点邻居关系，是则进行步骤(1)，否则先获取节点邻居关系，再进行步骤(1)。更进一步地，上述节点分层路由调度系统中，所述初始化模块还被配置为按照以下方法获取所述节点邻居关系：根据节点的空间坐标计算所有节点中两两节点的通信距离，定义所述通信距离不大于一阈值L的两两节点之间具有节点邻居关系。进一步地，本发明所述或上述任一节点分层路由调度系统中，所述节点分层模块还被配置为其执行的所述步骤(1)具体包括以下步骤：定义所述发送节点属于第1层节点集合，定义与第k-1层节点集合中的节点的至少其中之一具有节点邻居关系的节点属于第k层节点集合，且各层节点集合之间无交集，k依次取2,3,…，直到定义出体现所有节点分层关系的各节点集合。进一步地，本发明所述或上述任一节点分层路由调度系统中，所述路由规划模块还被配置为其执行的所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2a)设所述接收节点属于第k层节点集合，定义所述接收节点属于第k层可行域子集合，定义与第p+1层可行域子集合中的节点具有节点邻居关系的第p层节点集合中的节点属于第p层可行域子集合，p依次取k-1,k-2,…，1，从而定义出所述发送节点到所述接收节点的路由的所有可行域子集合，该所有可行域子集合的并集为所述路由的可行域集合。更进一步地，上述节点分层路由调度系统中，所述路由规划模块还被配置为其执行的所述步骤(2)具体还包括以下步骤：(2b)将所述可行域集合中的节点基于节点邻居关系通信连接，从而形成有效路由集合，所述通信连接的发送方向由第p层可行域子集合指向第p+1层可行域子集合，p依次取1,…,k-2,k-1。更进一步地，上述节点分层路由调度系统中，所述路由规划模块还被配置为其执行的所述步骤(2)具体还包括以下步骤：(2c)找到所述有效路由集合的每条路由中负载最小的节点，在该负载最小的节点中找到负载最大的节点，并选择该负载最大的节点对应的路由作为所述发送节点到所述接收节点的路由。本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法和系统具有以下优点和有益效果：(1)可用于无线自组织网的节点分层路由调度，通过避免网络的局部热点方式，实现网络负载均衡，增大网络生命周期，可以避免路由回路，减少路由的节点跳数。(2)相比传统的线性与非线性规划、动态规划等方法，本发明利用现代优化方法的启发式算法，对网络通信路由路径进行优化计算，本方法对大规模的网络更适用，能取得更好的性能，并降低计算复杂度，更具实用性。(3)对网络节点的部署没有特定要求，鲁棒性强。(4)针对无线网络通信对应的性能指标进行分析，与网络的最短路径方法、网络的最小生成树算法、低功耗自适应簇分层协议(LEACH)和固定簇半径的分簇协议(HEED)相比较，本发明在提高网络生命周期方面效果尤为显著，可以避免网络中因为节点负载过大而产生网络节点“死亡”，继而避免无线自网的连通性受到破坏。附图说明图1为本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度系统在一种实施方式下的模块结构框图。图2为本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法在一种实施方式下的流程图。图3为本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法在一种实施方式下得到的节点邻居关系图。图4为本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法在一种实施方式下得到的网络分层模型图。图5为本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法在一种实施方式下得到的可行域集合和有效路由集合图。图6为本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法在一种实施方式下得到的最优路由图。具体实施方式下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的面向无线自组织网的节点分层路由调度方法和系统做进一步的详细说明。本实施例系统可以为软件模块，也可以以可编程芯片等硬件方式实施。下面构建一个由编号1-28的28个网络节点组成的无线自组织网，网络节点被大致均匀地部署在边长10km的正方形区域内，通过MATLAB软件进行仿真模拟计算，以进一步说明本发明。图1显示了本发明所述的节点分层路由调度系统在一种实施方式下的模块结构。图2显示了本发明所述的节点分层路由调度方法在一种实施方式下的流程。图3-图6分别显示了本发明所述的节点分层路由调度方法在一种实施方式下得到的节点邻居关系、网络分层模型、可行域集合和有效路由集合以及最优路由。如图1所示，该实施方式下的节点分层路由调度系统包括依次连接的初始化模块1、节点分层模块2以及路由规划模块3。其中各模块被配置为具有实现以下相应流程的功能。如图2所示，结合参考图1，该实施方式下的节点分层路由调度方法通过上述系统中相应的模块实现，其流程包括：步骤110：通过初始化模块1判断是否已获取节点邻居关系(本实施例中体现为节点邻居路由表)，是则进行步骤120，否则先获取节点邻居关系，再进行步骤120。其中，初始化模块1按照以下方法获取节点邻居关系：根据节点的空间坐标计算所有节点中两两节点的通信距离，定义通信距离不大于一阈值L的两两节点之间具有节点邻居关系。本实施例在该步骤中，根据网络节点被部署的坐标，计算任何两节点的通信距离，规定相邻节点的距离不大于4km为邻居节点的有效通信距离L。网络中的每个节点会发送Hello广播报文，在有效距离L内的节点收到广播报文后会回复确认报文，当发送节点收到确认报文后添加该报文的传输路径为邻居路由表项，网络中的所有节点会通过该方法建立邻居路由表。其中，网络中节点之间的邻居关系可以表示为矩阵M(G)，报文格式如表1所示，邻居路由表的表项格式如表2所示。表1表2表2的几个域(或字段)的具体意义如下：(1)Destination(4byte)：目的节点的IP地址；(2)Gateway(4byte)：邻居路由表项的默认网关；(3)Interface(4byte)：发送节点的接口IP地址；(4)Flag(1byte)：路由标识，表示当前的路由状态，“1”表示路由有效，“0”表示路由无效；(5)Reserved(2byte)：保留字段，接收端忽略此字段。本实施例中，在存在28个节点的无线自组织网络中，经过建立节点邻居关系后如图3所示。式中，若节点vi和节点vj存在邻居关系，那么aij＝1；否则aij＝0。步骤120：通过节点分层模块2基于节点邻居关系获取节点分层关系。具体包括步骤：定义发送节点属于第1层节点集合，定义与第k-1层节点集合中的节点的至少其中之一具有节点邻居关系的节点属于第k层节点集合，且各层节点集合之间无交集，k依次取2,3,…，直到定义出体现所有节点分层关系的各节点集合。本实施例在该步骤中，以网络分层模型表示体现所有节点分层关系的各节点集合。网络分层模型是以路由任务的发送节点为根节点，结合网络邻接路由表对应的邻接矩阵M(G)，将所有网络节点进行分层处理。假设路由任务发送节点为vm，那么，第一层节点集合V1，则第二层节点集合V2＝N(v1)，第三层节点集合V3是V2中集合元素的邻居集合的并集，依次执行下去直到网络中所有节点被划分到特定的层集合中。最后，经过对网络节点进行分层后建立网络分层模型树。假设无线自组织网的节点可以被分为N层，则划分网络节点vj的规则：式中，k∈{2,3,…,N}，and表示条件与，others表示其它条件。本实施例中，以6号节点为发送节点，对网络节点进行分层，分层结果如表3和图4所示。表3步骤130：通过路由规划模块3基于节点邻居关系和节点分层关系规划发送节点到接收节点的路由。具体包括步骤：步骤130a：设接收节点属于第k层节点集合，定义接收节点属于第k层可行域子集合，定义与第p+1层可行域子集合中的节点具有节点邻居关系的第p层节点集合中的节点属于第p层可行域子集合，p依次取k-1,k-2,…，1，从而定义出发送节点到接收节点的路由的所有可行域子集合，该所有可行域子集合的并集为路由的可行域集合。步骤130b：将可行域集合中的节点基于节点邻居关系通信连接，从而形成有效路由集合，通信连接的发送方向由第p层可行域子集合指向第p+1层可行域子集合，p依次取1,…,k-2,k-1。本实施例在该步骤中，以网络分层模型树为基础，结合路由任务的发送节点vm和接收节点vn，以逆向搜索方式查找vm到vn的有效路径ri＝<vm,…,vk,…,vn>，并构成路由可行域集合网络分层模型中的节点被分为N层，发送节点vm为第一层，即V1＝{vm}；假设接收节点vn是第k层集合Vk的元素。路由的搜索方式具体为：1)根据邻居路由表和网络分层模型建立接收节点vn的邻域集合N'(vn)＝Vk-1∩N(vn)，则通信路由可行域集合的第k-1层的子集合为V′k-1＝N'(vn)；2)对集合V′k-1中的每个元素vk-1,j建立其邻域集合N'(vk-1,j)＝Vk-2∩N(vk-1,j)，则通信路由可行域的第k-2层子集合为3)依次对第k-3,…,2中的元素执行上述过程后分别求得可行域的集合V′k-3,…,V′2；4)最后，求得路由可行域分层集合VR＝{V1',…,Vp',…,Vk'}；而对于任一条路由路径Vp'＝[vm→…→vp→…vn]，都满足vm∈V1',…,vp∈Vp',…,vn∈Vk'。本实施例中，结合6号发送节点和19号接收节点，通信路由可行域解集结果如表4和图5所示。表4发送节点中继节点1中继节点2接收节点6161819616241962524196272419627219步骤130c：找到有效路由集合的每条路由中负载最小的节点，在该负载最小的节点中找到负载最大的节点，并选择该负载最大的节点对应的路由作为发送节点到接收节点的路由。本实施例在该步骤中，对于路由可行域分层集合VR＝{V1',…,Vp',…,Vk'}，最多存在N＝|V1'|×…×|Vp'|×…|Vk'|条可用的路由实现节点vm和节点vn之间的有效通信，构成有效路由集合众所周知，木桶原理指一只水桶能装多少水取决于它最短的那块木板。对于通信路由也是一样的，一条路由路径的负载量取决于路径中负载量最小的节点。所以，具体计算方法为，求路由集合R的每条路由的最小节点负载，得出向量Rmin＝[v1',…,vi',…,v'N]'，然后再求解Rmin的最大值vi'j'＝max{Rmin}，即vi'j'对应的路由是所求最优路由。则节点vi'j'对应的路由路径[vm…vi'j'…vn]即使所求的最优路由路径。本实施例中，结合6号发送节点和19号接收节点的最优通信路由路径是[6->25->24->19]，结果如图6所示。要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3