移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法与流程

本发明涉及一种锚节点轮转方法，特别是涉及一种移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法。

背景技术：

近年来，移动自组织网络凭借其快速组网、不依赖于基础设施等优点，而被广泛应用于紧急服务、灾后搜救、智能交通及工厂自动化等多个领域。移动自组织网络的分层结构是指通过将网络中组网节点(可以为人员、机器人、车辆等，以下简称为节点)进行角色划分，使得不同角色的节点之间通过协作能够提高网络的服务质量，如降低网络中节点总能耗与网络通信负载等。移动自组织网络中分层结构的基础形式为两层结构，其他的多层结构为两层结构的扩展形式。两层结构中将节点划分为锚节点与用户节点，锚节点组成网络的上层，而用户节点组成网络的下层。基于两层结构，锚节点可以实现对用户节点中资源的合理调度，如分配计算任务给用户节点实现负载均衡等；而用户节点可以依靠锚节点来实现一定功能，如通过与锚节点的测距通信来定位自身等。但是移动自组织网络的分层结构(以两层结构进行说明)中，汇集用户节点信息、分发信息到用户节点及协调用户节点资源等任务为锚节点引入了较高的通信压力，相较于用户节点，锚节点具有较高的能耗、更容易丧失其正常功能，这样的情况不利于网络长期运行时的正常功能实现，且无法保证网络中节点之间的能耗公平性。因此，对于如何降低移动自组织网络分层结构中锚节点能耗，并保证网络内节点能耗公平性的问题受到了越来越多的关注。

虽然移动自组织网络的分层结构相较平面结构更加高效，但是需要对组网节点进行角色划分，而划分的原则往往是高效通信，一些节点由于其在网络拓扑中位置等因素被选为锚节点，其通信负载及计算负载均随之增大。从而，这些锚节点能耗比用户节点要高，而原本移动自组织网络中组网节点之间地位对等，整个网络中节点之间应当具有能耗公平性；若无法保证节点之间的能耗公平性，则可能导致一些节点的能量过早地全部消耗掉，而导致网络功能的无法正常完成，不利于网络的长时间运作。由此可见保证网络内节点能耗公平性问题的重要性。

经对现有技术的检索发现，目前关于移动自组织网络中保证节点能耗公平性的方案主要是周期性地在更换节点作为锚节点。然而，在移动自组织网络中，节点的移动具有较强的随机性，合理的锚节点轮转周期难以确定。若确定具体的锚节点轮转周期，则会导致一些问题的出现：较大的轮转周期可能导致用户节点与关联的锚节点之间通信距离明显增大，从而可能导致通信失败或通信耗能较高等情况出现；而较小的轮转周期将导致较大的锚节点轮转开销，增大网络中节点通信的总能耗。因此，需要一种能够保证网络内节点的能耗公平性，并可以降低网络中节点通信总能耗的锚节点轮转方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法，其提出的方法在进行锚节点轮转条件评估时，不仅考虑了各个用户节点与关联的锚节点之间距离情况，避免该通信距离过大时导致的通信能耗过高问题，而且考虑了锚节点与用户节点的平均剩余能量对比情况，在锚节点能量消耗较大时及时进行锚节点轮转保证了节点间的能耗公平性。在选择新的锚节点过程中，对于各个候选节点剩余能量的考虑也避免了某些节点连续作为锚节点的情况，进一步地保证了节点间的能耗公平性。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法，其包括如下步骤：

步骤一，在已划分好节点角色的移动自组织网络中，所有节点将自身的位置及剩余能量信息汇总到中心锚节点；

步骤二，中心锚节点汇总所有节点发送的信息，根据网络中所有节点的位置及剩余能量信息对当前时刻是否需要轮转锚节点进行评估。若不需要轮转锚节点则转至步骤一；否则，继续进行步骤三；

步骤三，中心锚节点根据所有节点的位置及剩余能量信息，选择出新的锚节点列表；

步骤四，中心锚节点通过当前网络中其他锚节点将新的锚节点列表分发给每一个节点；不在此列表中的节点将需要选择出合适的新锚节点建立关联，并在下一时刻同该锚节点进行通信。

优选地，所述的步骤一包括如下步骤：

步骤十一，移动自组织网络中节点总数为N，其中锚节点的数目为N_A，用户节点数目为N_a(N_a＝N-N_A)；每一时刻用户节点a_i(i＝1,2,...,N_a)将自身位置信息p_i＝(x_i,y_i)^T连同剩余能量信息E_i发送给其关联的锚节点A_j(j＝1,2,...,N_A)；

步骤十二，各个锚节点通过通信确定中心锚节点A_center。本发明中，两点之间距离的计算采用方法如下式所示：

其中，(x_p,y_p)^T为点p的位置，(x_q,y_q)^T为点q的位置。除A_center之外的每个锚节点将他们所接收到的用户节点信息，连同他们自身的位置及剩余能量情况发送给A_center。

优选地，所述的步骤二包括如下步骤：

步骤二十一，中心锚节点A_center根据网络中每个节点(包括用户节点与锚节点)的位置信息，计算网络内用户节点与锚节点之间平均通信距离并统计通信距离超出的用户节点数目M_a，的定义如下式所示：

其中，N为网络中节点总数，N_a为锚节点数目，d_i表示用户节点a_i(i＝1,2,...,N_a)与其关联锚节点之间的距离；

步骤二十二，中心锚节点A_center根据网络中每个节点的剩余能量E_m(m＝1,2,...,N)，计算得到锚节点的平均剩余能量及用户节点的平均剩余能量其中

步骤二十三，若当前网络满足且时，说明网络中锚节点需要进行轮转，其中，λ_N为通信距离超出平均通信距离的用户节点比例阈值，λ_E为锚节点与用户节点平均剩余能量比值阈值；

步骤二十四，若需要进行锚节点轮转，则进行步骤三；否则转至步骤一。

优选地，所述的步骤三包括如下步骤：

步骤三十一，中心锚节点A_center根据锚节点数目N_A及移动自组织网络所在区域，确定出各个锚节点的参考位置列表P_list；

步骤三十二，针对P_list中参考位置P_j(j＝1,2,...,N_A)，选择出L个距离其最近的节点作为候选节点，根据这些候选节点与P_j的距离进行排序，得到升序排序列表同时根据这些候选节点的剩余能量情况进行排序，得到降序排序列表

步骤三十三，针对P_list中参考位置P_j(j＝1,2,...,N_A)，对应的每一个候选节点n_jk(k＝1,2,...,L)，在及中所处顺序值分别为与则该候选节点的权重值定义如下式所示：

其中ζ₁、ζ₂为权重系数，针对网络中每一个候选节点取值均相同且ζ₁+ζ₂＝1；针对每一个候选节点n_jk(k＝1,2,...,L)进行权重值计算，则具有最小权重值的候选节点作为该规划位置对应的锚节点；

步骤三十四，针对P_list中每一个参考位置P_j(j＝1,2,...,N_A)，重复进行步骤三十一至步骤三十三，直至每一参考位置均选择出对应的锚节点，则完成了整个网络中锚节点的选取，获得了下一轮锚节点列表

优选地，所述的步骤四包括如下步骤：

步骤四十一，中心锚节点A_center将下一轮锚节点列表分发给当前网络中的每个锚节点，各个锚节点将分发给网络中每一个与其关联的用户节点；

步骤四十二，网络中各个节点根据对自身下一轮中角色进行判定，若下一时刻自身为用户节点，则需要根据中各个新锚节点位置得到距离自身最近的锚节点；

步骤四十三，下一时刻，各个用户节点与距离其最近的锚节点建立关联关系，并在下一次锚节点轮转之前向其发送信息。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提出了移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法，能够在网络正常运转过程中对各个节点的位置及剩余能量等信息进行采集，并通过将这些信息汇总至中心锚节点处；中心锚节点根据各个节点的位置及剩余能量等信息，对当前时刻是否有必要进行锚节点轮转进行评估，其中，考虑了与关联锚节点通信距离较大的用户节点比例情况及锚节点与用户节点的平均剩余能量对比情况；在达到锚节点轮转条件时，中心锚节点进行锚节点选择过程，其中包括计算锚节点参考位置分布及新的锚节点选择，针对新的锚节点选择，重点考虑了各个候选节点与锚节点参考位置之间的距离及这些候选节点的剩余能量情况，从而选择出与锚节点规划位置的距离、剩余能量均适合的候选节点作为该参考位置对应的锚节点；在确定新的锚节点列表之后，该列表在网络中进行分发，从而使得各个节点均获取到该信息；网络中每个节点都需要根据该列表对自身在下一时刻的角色进行判定，若为用户节点，则该节点需要在新的锚节点列表中选择出合适的锚节点并与之建立关联，并在下一次锚节点轮转之前与其进行通信。通过大量的计算机仿真以及实际实验证实，由于本发明提出的方法在进行锚节点轮转条件评估时，不仅考虑了各个用户节点与关联的锚节点之间距离情况，避免该通信距离过大时导致的通信能耗过高问题，而且考虑了锚节点与用户节点的平均剩余能量对比情况，在锚节点能量消耗较大时及时进行锚节点轮转保证了节点间的能耗公平性。在选择新的锚节点过程中，对于各个候选节点剩余能量的考虑也避免了某些节点连续作为锚节点的情况，进一步地保证了节点间的能耗公平性。

附图说明

图1为本发明移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所考虑的移动自组织网络中，所有节点在移动过程中位置已知，网络的主要功能为所有节点之间共享信息等。针对本发明所解决的问题，用户节点向其关联的锚节点发送自身的位置与剩余能量信息；各个锚节点将其关联的用户节点信息(包括用户节点的位置与剩余能量信息)，连同自身的位置及剩余能量信息汇总至网络中最接近中心位置的锚节点(以下简称中心锚节点)；中心锚节点根据所有节点剩余能量情况，对锚节点与用户节点的平均剩余能量比值进行计算，并根据所有节点的位置信息，评估与锚节点通信距离较大的用户节点比例；若锚节点与用户节点的平均剩余能量比值低于设定阈值，且与锚节点通信距离较大的用户节点比例高于设定阈值，则说明当前时刻需要进行锚节点轮转；锚节点轮转包括中心锚节点选择新的锚节点(锚节点总数不变，原先的锚节点转变为用户节点)，以及用户节点与新的锚节点之间建立关联关系；其中，选择新的锚节点时，中心锚节点首先规划出合理的锚节点参考位置列表，然后根据所有节点的位置得到每个锚节点参考位置的候选节点列表，并同时依据这些候选节点的剩余能量确定出每个参考位置对应的锚节点；新的锚节点列表被分发至每一个节点；网络中每一个节点根据该列表对自身在锚节点轮转之后的角色进行判定，若为用户节点，则需要选择合适的锚节点并与之建立关联关系。至此，移动自组织网络中低功耗锚节点轮转过程完成。

更为具体地，在本发明的一个优选例中，考虑一个以位置共享作为主要业务的移动自组织网络，本发明是通过以下技术方案实现的，本发明移动自组织网络中低功耗锚节点轮转方法包括以下步骤：

步骤一，移动自组织网络中所有节点进行位置等信息共享，用户节点向关联的锚节点发送位置等信息时，将自身的剩余能量情况一并发送，网络中每个节点的位置及剩余能量信息最终汇集至中心锚节点处。本优选例中所考虑的移动自组织网络包含150个节点，其中包括16个锚节点，节点部署在100m×100m的正方形区域；中心锚节点通过网络中锚节点之间相互通信确定；

步骤二，中心锚节点根据网络中所有节点的位置及剩余能量信息，计算出锚节点与用户节点的平均剩余能量比值，以及与锚节点通信距离较大的用户节点比例；本优选例中，若锚节点与用户节点的平均剩余能量比值小于0.8，且与锚节点通信距离较大的用户节点比例大于0.15时，说明当前时刻需要对网络中的锚节点进行轮转；网络中的锚节点的轮转过程包括两部分，选取出新的锚节点列表，以及建立各个用户节点与新锚节点之间的关联关系；

步骤三，中心锚节点负责选取出新的锚节点列表。本优选例中，首先，中心锚节点从目标区域中选择出16个均匀分布的位置，作为选择锚节点时的参考位置；其次，针对每一个锚节点参考位置P_j(j＝1,2,...,16)，中心锚节点根据各个节点的位置与该参考位置距离的远近，确定出候选节点列表(包括8个候选节点，与该参考位置的距离值由小到大)；然后，将每个参考位置对应的8个候选节点，根据这些节点的剩余能量值，获得候选节点剩余能量列表(根据剩余能量，由大到小排序)，针对每一个候选节点n_jk(k＝1,2,...,8)，计算其权重值如下式(1)所示：

其中，与为候选节点n_jk在及中所处顺序值；ζ₁、ζ₂为权重系数，针对每一节点取值相同，本优选例中取值为ζ₁＝0.4，ζ₂＝0.6。针对每个参考位置对应的8个候选节点，权重值最大的候选节点将被选择为该参考位置对应的锚节点，从而得到新的锚节点列表。

步骤四，中心锚节点通过当前的锚节点将新的锚节点列表分发给网络中每一个节点；网络中每一个节点需要对自身在下一时刻的角色进行判定，若为用户节点，则需要选择距其最近的锚节点进行关联，并将信息发送至该锚节点，直至下一次锚节点轮转。

所述的步骤一包括如下步骤：

步骤十一，移动自组织网络中节点总数为N，其中锚节点的数目为N_A，用户节点数目为N_a(N_a＝N-N_A)；每一时刻用户节点a_i(i＝1,2,...,N_a)将自身位置信息p_i＝(x_i,y_i)^T连同剩余能量信息E_i发送给其关联的锚节点A_j(j＝1,2,...,N_A)；

步骤十二，各个锚节点通过通信确定中心锚节点A_center。本发明中，两点之间距离的计算采用方法如下式(2)所示：

其中，(x_p,y_p)^T为点p的位置，(x_q,y_q)^T为点q的位置。除A_center之外的每个锚节点将他们所接收到的用户节点信息(用户节点的位置、剩余能量信息)，连同他们自身的位置及剩余能量情况发送给A_center。

所述的步骤二包括如下步骤：

步骤二十一，中心锚节点A_center根据网络中每个节点(包括用户节点与锚节点)的位置信息，计算网络内用户节点与锚节点之间平均通信距离并统计通信距离超出的用户节点数目M_a，的定义如下式(3)所示：

其中，N为网络中节点总数，N_a为锚节点数目，d_i表示用户节点a_i(i＝1,2,...,N_a)与其关联锚节点之间的距离；

步骤二十二，中心锚节点A_center根据网络中每个节点的剩余能量E_m(m＝1,2,...,N)，计算得到锚节点的平均剩余能量及用户节点的平均剩余能量其中

步骤二十三，若当前网络满足且时，说明网络中锚节点需要进行轮转，其中，λ_N为通信距离超出平均通信距离的用户节点比例阈值，λ_E为锚节点与用户节点平均剩余能量比值阈值；

步骤二十四，若需要进行锚节点轮转，则进行步骤三；否则转至步骤一。

所述的步骤三包括如下步骤：

步骤三十一，中心锚节点A_center根据锚节点数目N_A及移动自组织网络所在区域，确定出各个锚节点的参考位置列表P_list；

步骤三十二，针对P_list中参考位置P_j(j＝1,2,...,N_A)，选择出L个距离其最近的节点作为候选节点，根据这些候选节点与P_j的距离进行排序，得到升序排序列表同时根据这些候选节点的剩余能量情况进行排序，得到降序排序列表

步骤三十三，针对P_list中参考位置P_j(j＝1,2,...,N_A)，对应的每一个候选节点n_jk(k＝1,2,...,L)，在及中所处顺序值分别为与则该候选节点的权重值定义如下式(4)所示：

其中ζ₁、ζ₂为权重系数，针对网络中每一个候选节点取值均相同且ζ₁+ζ₂＝1；针对每一个候选节点n_jk(k＝1,2,...,L)进行权重值计算，则具有最小权重值的候选节点作为该规划位置对应的锚节点；

步骤三十四，针对P_list中每一个参考位置P_j(j＝1,2,...,N_A)，重复进行步骤步骤三十一至步骤三十三，直至每一参考位置均选择出对应的锚节点，则完成了整个网络中锚节点的选取，获得了下一轮锚节点列表

所述的步骤四包括如下步骤：

步骤四十一，中心锚节点A_center将下一轮锚节点列表分发给当前网络中的每个锚节点，各个锚节点将分发给网络中每一个与其关联的用户节点；

步骤四十二，网络中各个节点(包括锚节点与用户节点)根据对自身下一轮中角色进行判定，若下一时刻自身为用户节点，则需要根据中各个新锚节点位置得到距离自身最近的锚节点；

步骤四十三，下一时刻，各个用户节点与距离其最近的锚节点建立关联关系，并在下一次锚节点轮转之前向其发送信息。

本发明包括在已划分节点角色的移动自组织网络中，用户节点将需要发送的信息连同自身的位置、剩余能量等信息发送给关联的锚节点；锚节点将接收到的信息连同自身位置、剩余能量情况，发送给最靠近网络中心的锚节点；中心锚节点将接收到的所有信息汇总，根据网络中所有节点的位置及剩余能量情况，对是否需要进行锚节点轮转进行评估；若需要进行锚节点轮转，则需要选择出新的锚节点列表，首先中心锚节点对各个锚节点的参考位置进行规划，并依据这些参考位置，以及网络中节点的位置、剩余能量信息选择出每个参考位置对应的锚节点；选择出新的锚节点列表之后，当前时刻网络中的锚节点负责将该列表分发给网络中所有节点；在下一时刻，每个用户节点根据新的锚节点列表，选择出最近的锚节点进行关联，至此完成锚节点轮转过程。由于本发明提出的方法考虑了每个时刻网络中锚节点与用户节点的平均剩余能量比值情况，对当前的锚节点是否适宜继续作为锚节点进行评估，相比于周期性地进行锚节点轮转，更能保证网络内节点之间能耗公平性。而且，在本发明提出的方法中，网络中与锚节点通信距离较大的用户节点比例也是是否需要进行锚节点轮转时的考虑因素，有利于降低用户节点与锚节点之间通信带来的能耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。