专利名称：稳定节能分群方法
技术领域：
本发明涉及一种形成和保持分层分布式结构的网络分群方法，特别是一种可提供稳定网络分群结构、保证节点能量均衡消耗和延长网络整体生存时间的稳定节能分群方法。
背景技术：
移动自组织网络中，在进行通信之前需要经过自组织过程形成预定的网络结构，以便实现对通信的支持、控制和管理。这些网络结构通常分为完全分布式、分层分布式和集中式三类。其中，为了支持自组织网络的无线、多跳、移动特性，分层分布式结构(即分群结构)是最有效的控制和管理方法。分群结构是利用分群协议把整个网络中的所有节点划归到多个相连的以群首(CH)为中心的群组，由群首负责群组内的控制和管理，其优点包括提高信道的空间复用效率、减少路由和网络控制管理开销、易实现拥塞控制和流量均衡、为多媒体业务提供保证服务质量(QoS)的传输、易实现网络的移动性管理和局部同步、适于扩展拥有大量节点的自组织网络等。
移动自组织网络中，节点的移动、加入、离去或失效等情况造成了通信链路的断接和网络拓扑的变化，这在分群之后表现为节点经常加入或离开群，影响分群结构乃至网络通信的稳定。更为严重的情况是，剧烈的节点移动导致频繁的群首更替和分群的分解、重构，引入了较大的通信和计算开销，进而严重影响其他网络性能，如通信所用路由、端到端吞吐量、时延、分组丢弃率和各类资源管理利用等。因此对于分层结构，最关键的问题是如何收集、运用拓扑信息，快速建立预定的分群结构，实现在高速移动环境下的动态稳定保持。这个问题由分群方法和分群保持方法两个方面来解决，分群方法是在探测拓扑的基础上形成网络的分群结构，主要是群首选择过程，而分群保持方法则是在节点移动情况下保持稳定、可连续通信的分群网络。分群方法和分群保持方法通常是利用节点的某些特征或因素作为分群及分群保持的依据，即把这些特征或因素映射成一种权重，当某一节点的权重在局部最大时，该节点就被选为群首。现有的分群方法和分群保持方法分别为(1)最小本征号分群(Lowest ID)方法该方法中，邻节点中具有最小ID的节点被选作群首，在两个群首相遇时保留最小ID的群首。该方法仅需要两轮控制消息的交换即可建立分群结构，具有分群速度较快、分群保持过程简单等优点。但该方法在群首选举和分群保持过程中没有考虑节点移动因素的影响，使最小ID的节点由于充当群首而消耗更多的能量，如果局部最小ID的节点移动很快，群分解和重构的频率就很大，会导致网络性能的恶化。
(2)最大连接度分群(Max Degree)方法该方法利用最大连接度(即节点的邻节点数目)的标准来分群并进行分群保持，其目标是尽量将控制管理权交给邻节点较多的节点。该方法的优点在于分群的数目较少，减少了分组传输时延，但缺点是降低了信道的空分复用。同时，当群内节点数目较多时，平均到每个节点的吞吐量将会减少，使群首更易成为网络通信的瓶颈，网络的整体效能将随之降低。此外，由于该分群方法执行前必须获得节点的连接度，这需要多交换一轮自组织消息，因此该方法还存在组网时间较长、开销较大、群首和成员稳定性差等缺陷。
(3)分布式移动自适应分群(DMAC)方法该方法根据节点事先指定的权重值，在邻节点中具有最大权重的节点被选为群首，并在此之后结合链路失效、建立和节点加入事件进行分群保持。但该方法没有考虑节点移动性，高权重群首的高速移动会严重影响整个网络的性能，并且算法中所采用的权重值是事先指定，没有说明其意义以及如何反映网络中节点的特性。
(4)非确定-确定混合分群(UC-CM)方法该方法引入“优先级”参数来进行分群和分群保持，节点的优先级越高，越优先成为群首。该方法同样因为没有考虑节点移动因素影响，当群首移动较快时，群分解和重构的频率就很大，导致网络性能的恶化。
(5)基于接入的分群(ABCP)和基于信道接入的自组织分群(CABSOC)方法该方法从信道接入的角度考虑分群协议，从一开始节点就试图利用所设计的信道接入方法成为群首或加入已经存在的群，当群首相遇、进入非活动态、异常情况(如节点失效、消息丢失等)等事件出现时进行相关的分群保持。由于前者需要利用周期性的HELLO消息或heart-beat询问应答消息来表明群首和普通节点的存在，后者需要各节点周期性广播信标(Beacon)来申明本节点的存在，存在组网时间较长、开销较大等缺陷。
(6)基于移动性机制的分群(MOBIC)方法该方法为克服上述方法未考虑节点移动因素所的技术缺陷，把连续收到分组的接收信号功率比作为评估节点间相对移动性的权重，并利用该权重来选择群首和保持分群。由于该方法的前提假设是无线信号传播信道中不存在多径和衰落影响，在节点移动性方面仅考虑了节点单体的移动性，并且需要相距两跳节点的信息，使该方法在实际应用中仍存在开销较大、群首和成员稳定性差等缺陷。
(7)基于权值分群(WCA)方法该方法考虑了节点作为群首所能支持的最佳成员节点数、节点的传输功率、移动性及剩余能量状态，在邻居范围内选择具有最小权值的节点成为群首节点，分群维保持也是通过事件驱动方式调用分群方法实现。但是该方法所提出的各个权值分量不能很好体现节点的对应特征，权值的计算需要进行大量的信息交换及计算，带来大量开销。
综上所述可以看出，上述现有技术的分群保持方法都是在网络拓扑发生变化后被动地触发网络中节点信息的收集，再通过大量的信息交互开销才能够获取分群维护所需的网络节点状态信息，是完全的被动维护，存在效率低、开销大等问题。另外，上述现有技术的分群方法要么没有考虑节点移动性，要么虽然考虑了节点移动性，但不能很好地体现节点的对应特征。一方面只是在节点移动、入网、退网或失效而造成拓扑发生变化后去应对这些变化，而节点的移动是造成拓扑变化、影响分群结构稳定的主要因素，因此相关方法不能从根本上有效保证分群结构的稳定；另一方面在实际应用中存在大量信息交换及计算开销，分群结构形成不够迅速，并且存在能量消耗不均衡、网络整体寿命短等技术缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有分群和分群保持方法中存在的分群结构被动维护、稳定性差、少数节点移动导致网络性能恶化、开销较大以及能量消耗不均衡等技术缺陷，提供一种稳定节能分群方法，在高速移动环境下可以有效的保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络整体寿命。
为了实现上述目的，本发明提供了一种稳定节能分群方法，包括步骤步骤10、设定群首轮询时钟；步骤20、启动轮询时钟；步骤30、判断轮询时钟是否超时，超时时执行步骤40，未超时则执行步骤30；步骤40、群首轮询群内成员节点，获取成员节点的相对移动性值、相对剩余能量状况值和局部节点度值，计算各成员节点的选择权值；步骤50、群首判断其选择权值是否低于选择阈值，是则执行步骤60，否则执行步骤70；步骤60、群首激活群内候选节点，候选节点发送群首消息，宣布成为新群首，其他成员节点和原群首加入新群，新的分群结构形成；
步骤70、群首选择候选节点，候选节点监视群首状态，执行步骤20；其中，所述步骤40中节点的选择权值为Wi＝w1Si+w2Pi+w3Ri，式中，i表示节点ID，Wi表示节点i的选择权值，Si表示节点i相对于其邻居节点的相对移动性值，Pi表示节点i的相对剩余能量状况值，Ri表示节点i的局部节点度值，系数w1，w2和w3是相应参数的权重值，且∑wi＝1。
其中，所述步骤70具体为步骤71、群首选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点；步骤72、群首广播发布消息，公布候选节点ID和各成员节点选择权值；步骤73、候选节点定期检查是否收到群首节点广播的周期性消息，收到时执行步骤20，未收到时执行步骤74；步骤74、候选节点向群首发送询问消息；步骤75、候选节点判断是否收到群首的确认消息，收到时执行步骤20，否则执行步骤76；步骤76、候选节点判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤77，否则将询问计数值加1后执行步骤74；步骤77、候选节点自动激活，发送群首消息，宣布成为新群首，其他成员节点和原群首加入新群，新的分群结构形成，返回执行步骤20。
在上述技术方案中，所述步骤30中当判断轮询时钟未超时时，执行步骤步骤31、网络拓扑自动监视，探测分群结构变化；步骤32、判断分群结构是否变化，当分群结构变化时执行步骤33，否则执行步骤30；步骤33、根据不同事件类型，调用相应处理程序进行分群结构更新，更新结束后执行步骤30。
所述步骤33中调用相应处理程序进行分群结构的更新包括节点加入处理、节点退出处理、群首相遇处理、节点脱离群首处理或成员节点失效处理。
在上述技术方案中，还包括对网络进行初始化分群的步骤，具体为
步骤1、网络中所有节点广播消息，所述消息包含节点ID和剩余能量值；步骤2、每个节点根据收到消息生成一个邻居节点表；步骤3、每个节点判断其剩余能量值是否大于能量阈值，是则执行步骤4，否则执行步骤6；步骤4、所述节点判断其节点ID是否在邻居范围未分群节点中为最小，是则执行步骤5，否则执行步骤7；步骤5、所述节点发送群首消息，宣布建立新群，所述新群ID为该节点的ID，稳定节能分群完毕；步骤6、所述节点等待，直至收到来自邻居节点的群首消息，节点加入该群成为成员节点，稳定节能分群完毕；步骤7、所述节点判断是否在一设定时间内收到来自邻居节点的群首消息，收到时执行步骤8，否则返回执行步骤4；步骤8、节点加入该群成为成员节点，稳定节能分群完毕。
本发明稳定节能分群方法针对节点移动性对分群结构稳定性的剧烈影响，提出了一种通过定期轮询方式监视网络节点状态以更新分群结构、对分群结构进行必要维护的稳定节能分群维护方法，还提出了一种节能初始化分群方法。
在初始状态下，本发明采用节能初始化分群方法对网络进行初始化分群，所有节点最终决定其角色，获得一个覆盖全网的分群结构。方法中的群首节点选举是基于节点的ID和节点的剩余能量值P，当节点的剩余能量值P大于能量阈值Pthreshold时，并且其节点ID在其邻居范围内是最小的，那么该节点将被选举为群首节点，其邻居节点都加入到其中成为成员节点。本发明群首节点选举考虑了节点剩余能量值P，且作为衡量节点是否具备成为群首的先决条件，因此本发明不仅具有仅需两轮控制消息的交换即可建立分群结构，分群速度较快、分群保持过程简单等优点，而且由于在群首选举阶段考虑了节点的剩余能量状态，避免了某些剩余能量低的节点担当群首以及部分节点长期担当群首的可能性，确保了节点担当群首的公平性，从而均衡了能量消耗，作为群首的节点不会因为能量消耗大使分群结构的稳定性在短时间内变差，因此消除了现有技术群分解和重构频率加大、网络性能恶化等技术缺陷。
在分群结构维护阶段，本发明采用通过定期轮询方式监视网络节点状态以更新分群结构、对分群结构进行必要维护的稳定节能分群维护方法，同时提出了一种选择权值概念，作为群首更换时选举群首的判据。定期轮询方式是一种主动的分群结构维护方式，当原群首不能承担群首角色时迅速激活备用群首担当群首角色，可以及时适应节点运动和群首能量消耗所带来的分群结构变化，有效的保证分群结构的稳定性。本发明根据节点的选择权值大小为每一个群首选举一个候选节点作为备用群首，选择权值考虑了节点的相对移动性、相对剩余能量状况和局部节点度，并通过权重值将上述节点特征有机地结合起来。将选择权值作为群首更换时选举群首的标准，使本发明可有效保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。
另外，本发明在采用定期轮询方式对网络状态信息进行更形，进而对分群结构进行必要维护的同时，通过对网络拓扑自动监视和分群结构变化探测，针对群首相遇、成员节点脱离原群、节点的加入与退出等情况设计了相应的处理程序，将分群结构的定期轮询和随时维护有机地结合在一起，使得本发明具有宽广的适应性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明稳定节能分群方法流程图；图2为本发明实施例一的流程图；图3、图4为本发明实施例二的流程5为本发明节点加入处理流程图；
图6为本发明节点退出处理流程图；图7为本发明群首相遇处理流程图；图8为本发明节点脱离群首处理流程图；图9为本发明成员节点失效处理流程图；图10为本发明初始化分群流程图。
具体实施例方式
图1为本发明稳定节能分群方法流程图，具体为步骤10、设定群首轮询时钟；步骤20、启动轮询时钟；步骤30、判断轮询时钟是否超时，是则执行步骤40，否则执行步骤30；步骤40、群首轮询群内成员节点，获取成员节点的相对移动性值、相对剩余能量状况值和局部节点度值，计算各成员节点的选择权值；步骤50、群首判断其选择权值是否低于选择阈值，是则执行步骤60，否则执行步骤70；步骤60、群首激活群内候选节点，候选节点发送群首消息，宣布成为新群首，其他成员节点和原群首加入新群，新的分群结构形成；步骤70、群首选择候选节点，候选节点监视群首状态，执行步骤20；上述技术方案实际上是一种稳定节能分群维护方法，群首周期性轮询它的成员节点以获得节点的相对移动性值S、相对剩余能量状况值P和局部节点度值R，然后群首为自己及它的所有成员节点计算选择权值W，并选举具有最大选择权值的成员节点作为它的候选节点。当群首的选择权值降低至选择阈值Wthreshold以下，以至于它不能担当群首角色时，原群首会发送激活消息激活候选节点成为新的群首节点。此时，新群首节点通过广播群首消息宣布自己的新角色，收到这个群首消息后，它的邻居节点，包括原来的群首节点都通过发送加入消息加入新群或者加入到邻近群中，新的分群结构形成。
本发明稳定节能分群方法针对节点移动性对分群结构稳定性的剧烈影响，不仅提出了一种通过定期轮询方式监视网络节点状态以更新分群结构、对分群结构进行必要维护的稳定节能分群维护方法，还提出了一种选择权值概念，作为群首更换时选举群首的判据。本发明稳定节能分群维护方法是一种主动的分群结构维护方式，突破了现有技术只有在分群结构出现问题时才进行相应处理的被动维护方式。在移动自组织网络中，节点由于充当群首而消耗更多的能量，节点的高速运动将导致分群结构稳定性很差，因此在分群结构稳定性已经恶化的情况进行被动维护，不仅引入了大量控制开销，而且很难得到稳定的分群。本发明提出的定期轮询方式则有效地解决了现有技术上述技术问题，本发明根据节点选择权值大小为每一个群首选举一个候选节点作为备用群首，当原群首不能承担群首角色时迅速激活备用群首担当群首角色，可以及时适应节点移动所带来的分群结构变化，有效地保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。
本发明选择权值定义为Wi＝w1Si+w2Pi+w3Ri式中，i表示节点ID，Wi表示节点i的选择权值，Si表示节点i相对于其邻居节点的相对移动性值，Pi表示节点i的相对剩余能量状况值，Ri表示节点i的局部节点度值，系数w1、w2和w3是相应参数的权重值，且∑wi＝1。。
本发明选择权值Wi考虑了节点的相对移动性、相对剩余能量状况和局部节点度，并通过权重值将上述节点特征有机地结合起来，根据系统要求和网络的实际特点可以动态调节权重值以适应不同的系统要求。节点由于充当群首会消耗更多的能量，相对剩余能量状况可以很好地反映节点的能量状态，保证在一定范围内选举出具有较大能量的节点成为群首，避免了相对剩余能量较低的节点担当群首角色的可能性，因此均衡了网络中节点能量的消耗，延长了网络寿命；节点的高速运动将导致节点连接度的频繁变化，同时在维护过程中将会引入大量的控制开销，本发明选择权值引入节点的相对移动性可以很好地保证分群结构的稳定性；节点的局部节点度反映该节点与原群中成员节点的连结状况，该值越大，则表示对应节点与原群中越多的成员节点相连结，当该节点成为群首节点时引起的分群结构变化与原分群结构相比最小，因此可以很好地保持原来的分群结构，提高了稳定性，并且减少了因成员节点更换群首带来的交互开销。将选择权值作为群首更换时选举群首的标准，使本发明可有效保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。由于本发明中采用了一种主动轮询的方式监视网络节点状态以便对分群结构进行维护，所需要的信息都能够通过定期轮询获得，无需通过被动交互的方式进行相关信息的获取，在很大程度上减少了信息的交换，降低了开销。同时，由于采用选择权值作为群首更换时选举群首的标准，充分考虑了引起网络拓扑变化的因素，提高了分群结构的稳定性，从而减少了分群维护过程中分群结构重建的次数，也在很大程度上降低了开销。
本发明可根据系统要求和网络的实际特点对权重值w1、w2和w3进行动态调节，以适应不同的系统要求。例如，对于无线传感器网络，由于节点移动性很低，影响分群结构的主要因素为节点的能量状态，可以设置w1＝0.05～0.10，w2＝0.80～0.90，w3＝0.05～0.10；对于高速移动环境下的无线自组织网络，影响分群结构的主要因素为节点的移动性，并且节点的电源可以更换，能量不再是主要考虑的因素，可以设置w1＝0.45～0.55，w2＝0.05～0.10，w3＝0.40～0.50。
下面通过具体实施例进一步说明本发明技术方案。
实施例一图2为本发明实施例一的流程图。如图2所示，本实施例的技术方案是在图1所示技术方案基础上，所述步骤70具体为步骤71、群首选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点；
步骤72、群首广播发布消息，公布候选节点ID和各成员节点选择权值；步骤73、候选节点定期检查是否收到群首节点广播的周期性消息，收到时执行步骤20，未收到时执行步骤74；步骤74、候选节点向群首发送询问消息；步骤75、候选节点判断是否收到群首返回的确认消息，收到时执行步骤20，否则执行步骤76；步骤76、候选节点判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤77，否则将询问计数值加1，返回执行步骤74；步骤77、候选节点自动激活，发送群首消息，宣布成为新群首，其他成员节点和原群首加入新群，新的分群结构形成，返回执行步骤20。
本实施例具体处理过程为在分群维护阶段，群首周期性轮询它的普通成员节点以获得节点的相对移动性值S，节点相对剩余能量状况值P和局部节点度值R，然后，群首为自己及它的所有成员节点计算选择权值W。当群首节点选择权值下降到选择阈值Wthreshold以下，以至于它不能担当群首角色时，原群首会发送激活消息激活候选节点成为新的群首节点。此时新群首节点通过广播群首消息宣布自己的新角色。收到这个群首消息后，它的邻居节点，包括原来的群首节点都通过发送加入消息加入新群或者加入到邻近群中。如果群首节点选择权值在选择阈值Wthreshold以上，说明它仍能担当群首角色。无论是原群首继续担当群首角色还是新群首取代原群首，原群首或新群首都选举具有最大选择权值的成员节点作为它的候选节点，并广播包含候选节点ID和所有节点选择权值的候选节点消息，候选节点作为群首节点的备用存在。之后，候选节点通过检查是否收到群首节点广播的周期性消息，可以监视群首状态，当候选节点在一段时间内不能收到群首消息时，它会发送一个询问消息。如果群首还存在，它将会发送一个确认消息。当尝试一定次数后还是不能收到确认时，候选节点将会认为原群首已经消失，因此候选节点广播群首消息，宣布成为新群首。收到这个群首消息的节点如果不能和它的原群首通信，它们将会选择加入到新群中或者加入到其他相邻群中。
本实施例技术方案进一步确保了分群结构的稳定性，特别是当群首出现问题时，候选节点可以及时判断出群首是否存在，在高速移动环境下从根本上有效保证分群结构的稳定。
实施例二本实施例的技术方案是在图1、图2所示技术方案基础上，所述步骤30中，当判断轮询时钟未超时时，执行下述步骤步骤31、网络拓扑自动监视，探测分群结构变化；步骤32、判断分群结构是否变化，当分群结构变化时执行步骤33，否则执行步骤30；步骤33、根据不同事件类型，调用相应处理程序进行分群结构更新，更新结束后执行步骤30。
本实施例是在定期轮询方式更新更新网络状态信息，进而更新分群结构、对分群结构进行必要维护的同时，通过对网络拓扑自动监视和分群结构变化探测，并根据监视和探测的结果，对发生变化的分群结构进行调用相应处理程序进行分群结构更新。该技术方案将分群结构的定期轮询和随时维护有机地结合在一起，主动轮询可以定期获得所需的信息，而其他较小的网络拓扑变化被随时维护及时处理掉，既提高了分群结构的稳定性，又减少了分群结构重建次数。
图3和图4分别示意了本实施例相应的流程图，具体处理过程为设定群首轮询时钟后，群首只有在轮询时钟超时后才开始轮询操作，如果时间未到，系统则对网络拓扑自动监视和分群结构变化探测，判断分群结构是否变化，如果有变化，则根据不同事件类型调用相应处理程序进行分群结构更新，更新结束后继续网络拓扑自动监视和分群结构变化探测。其中事件是指触发分群结构变化的相应事件，本发明根据导致分群结构变化的事件类型设置了相应的处理程序，以及时对分群结构进行更新。
实施例三本实施例是在实施例二技术方案基础上，步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括节点加入处理。图5为本发明节点加入处理流程图，具体为步骤A1、新节点加入到网络中；步骤A2、新节点交替监听网络中的所有信道；步骤A3、新节点根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中，成为该群的成员节点。
当有节点加入到网络中时，它需要交替监听网络中的所有信道，基于监听结果，节点会选择加入到具有最大选择权值的群首所在的群成为其普通成员节点。
实施例四本实施例是在实施例二技术方案基础上，步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括节点退出处理。图6为本发明节点退出处理流程图，具体为步骤B1、退出节点向群首节点发送退网请求；步骤B2、群首节点向该退出节点发送一个离开确认信息，并从其成员列表中删除所述退出节点；步骤B3、退出节点收到群首回复的离开确认信息后，正常离开网络。
当有节点要退出网络时，它会发送退网请求通知群首节点，群首节点会向该节点发送一个离开确认信息并且其从成员列表中删除该节点，在收到群首回复的确认信息后，该节点就可以正常离开网络。
实施例五本实施例是在实施例二技术方案基础上，步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括群首相遇处理。图7为本发明群首相遇处理流程图，具体为
步骤C1、节点运动引起的网络拓扑变化使两个群首相遇；步骤C2、判断一个群首是否可以包含另一群首及其成员节点，是则执行步骤C3，否则执行步骤C4；步骤C3、两个群合并，形成新群，群首相遇处理完毕；步骤C4、分群结构保持不变，群首相遇处理完毕。
当两个群首相遇时，如果一个群首及它的邻居节点所形成的集合能够包含另一个群首和它的普通成员节点，那么者两个群将会合并，能够覆盖原来的两个的所有普通成员节点的群首成为新群首，另一个群消失。其他情况下，分群结构保持不变。
实施例六本实施例是在实施例二技术方案基础上，步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括成员节点脱离群首处理。图8为本发明节点脱离群首处理流程图，具体为步骤D1、节点运动引起的网络拓扑变化使成员节点与其群首相距两跳或两跳以上；步骤D2、所述成员节点监听其他群所用的信道；步骤D3、成员节点判断是否存在群首与之相邻，是则执行步骤D4，否则返回执行步骤D2；步骤D4、成员节点根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中，成为该群的新成员节点；步骤D5、所述新成员节点向原群首发送加入新群消息；步骤D6、原群首从其成员列表中删除该成员节点。
如果一个普通成员节点与它的群首相距两跳以上(包括两跳)，那么它会监听其他群所用的信道，如果发现有群首与自己相邻(如存在相距一跳的新群首)，该节点会基于监听到的群首的选择权值选择加入到一个群。加入新群之后，该节点会通过原群中的相邻普通成员节点作为中继节点通知原群首，然后原群首将会将其从自己的成员列表中删除。如果监听结果没有发现符合要求的群首存在，该节点会通过中继节点继续与原群首保持联系，并继续监听其他群所用的信道，直至发现符合要求的群首并加入到新群。
实施例七本实施例是在实施例二技术方案基础上，步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括成员节点失效处理。图9为本发明成员节点失效处理流程图，具体为步骤E1、节点运动引起的网络拓扑变化使群首在一段时间内未收到成员节点消息；步骤E2、群首向成员节点发送询问消息；步骤E3、群首判断是否收到成员节点返回的确认消息，收到时执行步骤E4，否则将询问计数值加1，执行步骤E5；步骤E4、保持原分群结构不变，节点失效处理完毕；步骤E5、群首判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤E6，否则返回执行步骤E2；步骤E6、群首从成员列表删除该成员节点，节点失效处理完毕。
当有节点失效导致非正常状态下离开网络时，如果群首在一段时间内没有收到来自该节点的数据或者是在向该节点发包后没有收到确认信息，群首会发送一个询问消息到该节点。如果该节点依然存在，它会发送确认信息给群首。否则，在尝试多次发送询问信息后群首依然没有收到回复的确认信息，则群首认为该节点已经消失，并将它从自己的成员列表中删除。
实施例八本实施例的技术方案是在图1～图9所示技术方案基础上，增加了对网络进行初始化分群的步骤。图10为本发明初始化分群流程图，具体为步骤1、网络中所有节点广播消息，所述消息包含节点ID和剩余能量值；步骤2、每个节点根据收到消息生成一个邻居节点表；
步骤3、每个节点判断其剩余能量值是否大于能量阈值，是则执行步骤4，否则执行步骤6；步骤4、所述节点判断其节点ID是否在邻居范围未分群节点中为最小，是则执行步骤5，否则执行步骤7；步骤5、所述节点发送群首消息，宣布建立新群，所述新群ID为该节点的ID，初始化分群完毕；步骤6、所述节点等待，直至收到来自邻居节点的群首消息，节点加入该群成为成员节点，初始化分群完毕；步骤7、所述节点判断是否在一设定时间内收到来自邻居节点的群首消息，收到时执行步骤8，否则返回执行步骤4；步骤8、节点加入该群成为成员节点，初始化分群完毕。
本实施例技术方案实际上是一种节能初始化分群方法，方法中的群首节点选举是基于节点ID和剩余能量值P，即当节点的剩余能量值P大于能量阈值Pthreshold时，并且其节点ID在其邻居范围内是最小的，那么该节点将被选举为群首节点，其邻居节点都加入到其中成为成员节点。具体地说，首先，网络中所有节点广播包含节点ID和剩余能量值P的消息，通过这一轮广播每个节点都可以知道自己的邻居节点状况，每一个节点建立一个邻居节点表。在初始状态下，所有节点的选择权值W都设置为-1。如果节点的剩余能量值P小于能量阈值Pthreshold，说明该节点不具备成为群首的基本条件，最终一定会接收到来自邻居节点的群首消息，节点加入该群成为成员节点；如果节点的剩余能量值P大于能量阈值Pthreshold，并且在其邻居范围内未分群节点中具有最小ID，该节点将会发送群首消息宣布建立新群，群ID为该节点的ID。如果节点发现自身节点ID并不是最小，它将面临要么加入到其他群，要么等待一段时间直到其自身节点ID在邻居范围内最小，建立新群。
本实施例提供的节能初始化分群方法中，每个节点只需要发送两轮控制消息便可以快速形成分群结构，方法执行完以后，所有节点都能够最终决定自己的角色，因此可以获得一个覆盖全网的初始分群结构。与现有相关分群方法相比，本发明节能初始化分群方法的群首节点选举不仅考虑了节点ID，还包括剩余能量值P，而且将剩余能量值P作为衡量是否具备成为群首的先决条件。这样一来，本发明不仅具有仅需两轮控制消息的交换即可建立分群结构，具有分群速度较快、分群保持过程简单等优点，而且由于在群首选举阶段考虑了节点的剩余能量状态，避免了某些剩余能量低的节点担当群首以及部分节点长期担当群首的可能性，确保了节点担当群首的公平性，从而均衡了能量消耗，作为群首的节点不会因为能量消耗大使分群结构的稳定性在短时间内变差，因此消除了现有技术群分解和重构频率加大、网络性能恶化等技术缺陷。由于在群首选举阶段考虑了节点的剩余能量状态，确保了节点担当群首的公平性，从而均衡了能量消耗，达到延长网络整体寿命的作用。
本实施例流程简单描述为采用节能初始化分群方法进行初始化分群，直到所有节点都能够最终决定自己的角色，最终获得一个覆盖全网的初始分群结构；之后，稳定节能分群维护方法采用定期轮询方式监视网络中节点的状态以维护分群结构。当处于轮询状态时，执行稳定节能分群维护方法，形成新的分群结构或维持原分群结构；在相邻两次轮询之间，网络拓扑进行自动监视，对分群结构变化进行探测，如果出现分群结构变化，可根据不同事件类型调用相应处理程序进行分群结构更新。上述实时监视和定期维护过程可在高速移动环境下有效保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络整体寿命。上述节能初始化分群方法和稳定节能分群维护方法的具体处理过程已在前面详细介绍，这里不再赘述。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种稳定节能分群方法，其中，包括步骤步骤10、设定群首轮询时钟；步骤20、启动轮询时钟；步骤30、判断轮询时钟是否超时，超时时执行步骤40，未超时则执行步骤30；步骤40、群首轮询群内成员节点，获取成员节点的相对移动性值、相对剩余能量状况值和局部节点度值，计算各成员节点的选择权值；步骤50、群首判断其选择权值是否低于选择阈值，是则执行步骤60，否则执行步骤70；步骤60、群首激活群内候选节点，候选节点发送群首消息，宣布成为新群首，其他成员节点和原群首加入新群，新的分群结构形成；步骤70、群首选择候选节点，候选节点监视群首状态，执行步骤20。
2.如权利要求1所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤40中节点的选择权值为Wi＝w1Si+w2Pi+w3Ri，式中，i表示节点ID，Wi表示节点i的选择权值，Si表示节点i相对于其邻居节点的相对移动性值，Pi表示节点i的相对剩余能量状况值，Ri表示节点i的局部节点度值，系数w1，w2和w3是相应参数的权重值，且∑wi＝1。
3.如权利要求1所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤70具体为步骤71、群首选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点；步骤72、群首广播发布消息，公布候选节点ID和各成员节点选择权值；步骤73、候选节点定期检查是否收到群首节点广播的周期性消息，收到时执行步骤20，未收到时执行步骤74；步骤74、候选节点向群首发送询问消息；步骤75、候选节点判断是否收到群首返回的确认消息，收到时执行步骤20，否则执行步骤76；步骤76、候选节点判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤77，否则将询问计数值加1后执行步骤74；步骤77、候选节点自动激活，发送群首消息，宣布成为新群首，其他成员节点和原群首加入新群，新的分群结构形成，返回执行步骤20。
4.如权利要求1或3所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤30中，当判断轮询时钟未超时时，执行步骤步骤31、网络拓扑自动监视，探测分群结构变化；步骤32、判断分群结构是否变化，当分群结构变化时执行步骤33，否则执行步骤30；步骤33、根据不同事件类型，调用相应处理程序进行分群结构更新，更新结束后执行步骤30。
5.如权利要求4所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括节点加入处理，具体为步骤A1、新节点加入到网络中；步骤A2、新节点交替监听网络中的所有信道；步骤A3、新节点根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中，成为该群的成员节点。
6.如权利要求4所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括节点退出处理，具体为步骤B1、退出节点向群首节点发送退网请求；步骤B2、群首节点向该退出节点发送一个离开确认信息，并从其成员列表中删除所述退出节点；步骤B3、退出节点收到群首回复的离开确认信息后，正常离开网络。
7.如权利要求4所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括群首相遇处理，具体为步骤C1、节点运动引起的网络拓扑变化使两个群首相遇；步骤C2、判断一个群首是否可以包含另一群首及其成员节点，是则执行步骤C3，否则执行步骤C4；步骤C3、两个群合并，形成新群；步骤C4、分群结构保持不变。
8.如权利要求4所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括成员节点脱离群首处理，具体为步骤D1、节点运动引起的网络拓扑变化使成员节点与其群首相距两跳或两跳以上；步骤D2、所述成员节点监听其他群所用的信道；步骤D3、成员节点判断是否存在群首与之相邻，是则执行步骤D4，否则返回执行步骤D2；步骤D4、成员节点根据监听结果加入到具有最大选择权值的群首所在的群中，成为该群的新成员节点；步骤D5、所述新成员节点向原群首发送加入新群消息；步骤D6、原群首从其成员列表中删除该成员节点，成员节点脱离群首处理完毕。
9.如权利要求4所述的稳定节能分群方法，其中，所述步骤33中调用相应处理程序进行分群结构更新包括成员节点失效处理，具体为步骤E1、节点运动引起的网络拓扑变化使群首在一段时间内未收到成员节点消息；步骤E2、群首向成员节点发送询问消息；步骤E3、群首判断是否收到成员节点返回的确认消息，收到时执行步骤E4，否则将询问计数值加1，执行步骤E5；步骤E4、保持原分群结构不变，节点失效处理完毕；步骤E5、群首判断询问计数值是否超过询问计数阈值，是则执行步骤E6，否则返回执行步骤E2；步骤E6、群首从成员列表删除该成员节点，节点失效处理完毕。
10.如权利要求1～9任一所述的稳定节能分群方法，其中，还包括对网络进行初始化分群的步骤，具体为步骤1、网络中所有节点广播消息，所述消息包含节点ID和剩余能量值；步骤2、每个节点根据收到消息生成一个邻居节点表；步骤3、每个节点判断其剩余能量值是否大于能量阈值，是则执行步骤4，否则执行步骤6；步骤4、所述节点判断其节点ID是否在邻居范围未分群节点中为最小，是则执行步骤5，否则执行步骤7；步骤5、所述节点发送群首消息，宣布建立新群，所述新群ID为该节点的ID，稳定节能分群完毕；步骤6、所述节点等待，直至收到来自邻居节点的群首消息，节点加入该群成为成员节点，稳定节能分群完毕；步骤7、所述节点判断是否在一设定时间内收到来自邻居节点的群首消息，收到时执行步骤8，否则返回执行步骤4；步骤8、节点加入该群成为成员节点，稳定节能分群完毕。
全文摘要
本发明涉及一种稳定节能分群方法，包括步骤设定群首轮询时钟；群首轮询群内成员节点，获取成员节点的相对移动性值、相对剩余能量状况值和局部节点度值，计算各成员节点的选择权值；群首判断其选择权值是否低于选择阈值，是则群首激活群内候选节点，候选节点发送群首消息，宣布成为新群首，新的分群结构形成，否则原群首保持群首角色不变；群首选择具有最大选择权值的成员节点为候选节点。本发明针对节点移动性对分群结构稳定性的剧烈影响，通过定期轮询方式监视网络中节点的状态，根据网络拓扑变化，及时实现对分群结构的维护，有效保证分群结构的稳定性，同时确保节点担当群首的公平性，从而均衡能量消耗，延长网络的整体寿命。
文档编号H04L29/06GK1921436SQ20061009944
公开日2007年2月28日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者刘凯, 张军, 宋学贵 申请人:北京航空航天大学