无线自组织网络动态分簇系统及其方法与流程
本发明涉及多址接入技术领域，也涉及分帧技术领域，具体涉及一种无线自组织网络动态分簇系统及其方法，尤其涉及一种基于群体行动规划和数字地图的无线自组织网络动态分簇系统及其方法，特别涉及一种利用行动规划和地图信息的提升无线自组网分簇稳定性的系统及其方法。
背景技术：
如下无线自组织网络已经被实际使用：其中无线通信装置被布置在多个位置中的每个位置并且从不包括基站的各个位置收集信息。也就是说，无线自组织网络是无线网络的重要形态，在智能无线通信时代，具有重要的意义。此外，无线自组织网络，对于在缺乏基础设施的区域形成通联网络具有重要意义，尤其适合于抢险救灾、偏远地区应急行动等。
为了实现无线自组网的多跳联通能力，在较大规模的自组网中，都要进行分簇。网络中的各个节点，通过选择各自的簇头，加入网络，实现多跳信息转发。
对于移动环境下，自组网节点的拓扑结构时常变化，则网络的分簇结构也需要随之调整，以适应环境和通信传输的需求。当前，自组网分簇的方法中，只能基于无线传输需求、网络吞吐量、时延等指标要求，由此普遍使得自组网节点之间仅可通过信息交互来进行能量检测而得到其通联关系，无法满足自组网节点逐渐增高的行动协同性要求、使得分簇的优化水平不高且分簇的稳定性不足。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种无线自组织网络动态分簇系统及其方法，有效避免了现有技术中无线自组织网络下自组网节点之间仅可通过信息交互来进行能量检测而得到其通联关系、无法满足自组网节点逐渐增高的行动协同性要求、使得分簇的优化水平不高且分簇的稳定性不足的缺陷。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种无线自组织网络动态分簇系统及其方法的解决方案，具体如下：
一种无线自组织网络动态分簇系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：初始化；
所述步骤1的初始化，包括：各个无线自组织网络的自组网节点采用随机倒计时器生成的方法，随机成为簇头节点，而除了簇头节点之外的非簇头节点随机加入临近的簇头节点，以此完成初始组网分簇；
步骤2：获取自组网节点的行动规划信息；
所述获取自组网节点的行动规划信息，包括：通过自组网节点相互交互信息，各个自组网节点获取无线自组织网络中其他自组网节点在移动过程中的路径规划信息，该路径规划信息是结合数字地图，按时间分片标记各个自组网节点在每个时刻的坐标信息；
步骤3：无线自组织网络重新分簇；
所述无线自组织网络重新分簇，包括各个自组网节点根据获取的行动规划信息，进行簇头节点评价值计算，并根据计算结果重新生成簇头节点，其他自组网节点选择新的簇头节点加入无线自组织网络，形成新的无线自组织分簇结构。
所述初始化的具体步骤包括：
步骤1-1：初始设定；
所述初始设定，包括：用m表示无线自组织网络的自组网节点集合，该集合包含|m|个自组网节点；用s表示簇头节点集合，该集合包含|s|个簇头节点；用oi表示第i个簇头节点ni管理的自组网节点集合，其中，i为正整数，用|oi|表示第i个簇头节点ni管理的自组网节点数目；用j表示把行动规划路径按时间片划分为的分段数量；用j表示给各分段配置的索引标记的整型变量；用rm表示编号为m的节点的行动规划路径，其中，m为正整数；
步骤1-2：随机产生簇头节点；
所述随机产生簇头节点，包括：各个自组网节点生成一个随机设定了倒计时时长的倒计时器，然后同时启动各个自组网节点的倒计时器进行倒计时，当某个自组网节点的倒计时器倒计时到0时，该自组网节点的倒计时器就对其所属的自组网节点通信范围内的自组网节点，即邻居节点发出声明信息，该声明信息用于向邻居节点声明请求成为簇头节点，而其他未倒计时到0的邻居节点的倒计时器就停止倒计时，认可该发出声明信息的自组网节点成为簇头节点；
步骤1-3：自组网节点选择簇头节点入网；
所述自组网节点选择簇头节点入网，包括：所述各个自组网节点随机选择一个以上的临近的簇头节点，加入无线自组织网络，该无线自组织网络的初始网络状态为公式(1)所示：
其中，s0表示第0个时间段的无线自组织网络络初始状态，
所述获取自组网节点的行动规划信息的具体步骤包括：
步骤2-1：时间分片；
所述时间分片，包括:每个自组网节点根据设定的时间分片间隔δt，来每过一个时间分片间隔就把自身在该时间分片间隔中移动下所形成的路径轨迹，该路径轨迹即分段，划分为若干离散位置点，并在数字地图上获取该若干离散位置点的坐标信息来作为路径规划信息；
步骤2-2：信息交互；
所述信息交互，包括：各个自组网节点在无线自组织网络里的周期性信息交互中，携带自身路径规划信息，通过多跳转发模式传播到整个无线自组织网络中的其他自组网节点中。
所述无线自组织网络重新分簇的具体步骤包括：
步骤3-1：计算得到自组网节点的节点邻居集合；
凡是坐标位置在某个自组网节点的通信范围g内的簇头节点，视为节点邻居；
步骤3-2：计算自组网节点的平均连接度；
所述计算自组网节点连接度，包括：根据无自组网节点的行动规划信息，计算在自组网节点移动过程中的平均连接度，而任意时刻自组网节点的连接度为该时刻所属的当前时间片下的节点邻居集合，这样，编号为m的自组网节点的当前时间片下的节点邻居集合om(rm)＝nm；记而自组网节点移动过程中的平均连接度用
其中，rm表示编号为m的自组网节点的作为路径轨迹的行动规划路径，j是把行动规划路径按时间片划分为的分段数量；j表示给各分段配置的索引标记的整型变量；
步骤3-3：计算自组网节点的簇头节点评价值；
所述计算自组网节点的簇头节点评价值，包括：对于编号为m的自组网节点，用公式(4)计算其簇头评价值φm：
其中，em为编号为m的自组网节点的剩余能量值，
步骤3-4：按自组网节点的簇头节点评价值生成簇头节点；
各个自组网节点根据计算得到的其簇头节点评价值，重新设置倒计时器，其簇头节点评价值越大的，该倒计时器的倒计时时长的值就越小，然后同时让各个自组网节点的该倒计时器进行倒计时，最先倒计时到0的节点，成为新的簇头节点；
步骤3-5：非簇头的自组网节点选择簇头节点；
所述非簇头的自组网节点选择簇头节点，包括：各个没有成为新的簇头节点的自组网节点，随机选择其临近的设定范围的簇头节点，加入无线自组织网络，以此形成新的无线自组织网络的分簇结构；
步骤3-6：无线自组织网络状态更新；
所述无线自组织网络状态更新，包括：非簇头的自组网节点选择簇头节点以后，无线自组织网络的组网结构进行更新，即登记进新加入的簇头节点，用公式(5)表示为：
st→st+1(5)
其中，t为所述更新前的上一个无线自组织网络中的簇头节点集合st的序列号且为正整数。
所述无线自组织网络动态分簇系统的方法，还包括:在步骤3执行完毕后还执行如下步骤：
步骤4：动态调整更新；
所述动态调整更新，包括：各个自组网节点根据无线自组织网络的自组网节点群体的移动路线变化这样的情况，回到步骤2去执行，以此实现动态分簇。
所述无线自组织网络动态分簇系统，包括运行在自组网节点上的初始化模块、获取模块、分簇模块以及更新模块；
所述初始化模块用于所述初始化；
所述获取模块用于所述获取自组网节点的行动规划信息；
所述分簇模块用于所述无线自组织网络重新分簇；
所述更新模块用于动态调整更新。
本发明的有益效果为：
本发明的无线自组织网络动态分簇系统及其方法，充分考虑了无线自组织网络下的自组网节点的群体的行动规划，利用数字地图信息，从分簇稳定性出发，对簇头节点的产生进行了优化，提升了无线自组织网络在动态拓扑变化时的分簇稳定性。
附图说明
图1是本发明一种无线自组织网络动态分簇系统的方法的流程图。
图2是本发明一种无线自组织网络动态分簇系统的方法和现有技术对应方法的性能仿真图。
具体实施方式
当前，自组网分簇的方法中，只能基于无线传输需求、网络吞吐量、时延等指标要求，由此多数基于节点之间仅可通过信息交互来进行能量检测而得到其通联关系。但是，随着自组网节点之间的行动协同性要求逐渐提高，加上数字地图的普及使用，利用其群体行动规划信息并结合数字地图，能为无线自组网的动态分簇提供更多更好的信息，提升分簇的优化水平。
所以，本发明就提出了一种基于群体行动规划和数字地图的无线自组织网络动态分簇方法。该方法具有较强的实用背景和多场景适用性，在技术上也有较强的创新意义，具有较强的理论和实用价值。
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
如图1所示，无线自组织网络动态分簇系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：初始化；
所述步骤1的初始化，包括：各个无线自组织网络的自组网节点采用随机倒计时器生成的方法，随机成为簇头节点，而除了簇头节点之外的非簇头节点随机加入临近的簇头节点，以此完成初始组网分簇；
所述初始化的具体步骤包括：
步骤1-1：初始设定；
所述初始设定，包括：用m表示无线自组织网络的自组网节点集合，该集合包含|m|个自组网节点；用s表示簇头节点集合，该集合包含|s|个簇头节点；用oi表示第i个簇头节点ni管理的自组网节点集合，其中，i为正整数，用|oi|表示第i个簇头节点ni管理的自组网节点数目；用j表示把行动规划路径按时间片划分为的分段数量；用j表示给各分段配置的索引标记的整型变量；用rm表示编号为m的节点的行动规划路径，其中，m为正整数；所述自组网节点能够是无线笔记本电脑、pda或者平板电脑这样的设备。
步骤1-2：随机产生簇头节点；
所述随机产生簇头节点，包括：各个自组网节点生成一个随机设定了倒计时时长的倒计时器，比如，编号为m的自组网节点的倒计时器设定的倒计时时长为tm，然后同时启动各个自组网节点的倒计时器进行倒计时，当某个自组网节点的倒计时器倒计时到0时，比如，编号为m的自组网节点的倒计时器从tm倒计时到0时，该自组网节点的倒计时器就对其所属的自组网节点通信范围内的自组网节点，即邻居节点发出声明信息，该声明信息用于向邻居节点声明请求成为簇头节点，而其他未倒计时到0的邻居节点的倒计时器就停止倒计时，认可该发出声明信息的自组网节点，比如，编号为m的自组网节点成为簇头节点；
步骤1-3：自组网节点选择簇头节点入网；
所述自组网节点选择簇头节点入网，包括：所述各个自组网节点随机选择一个以上的临近的设定范围内的簇头节点，加入无线自组织网络，该无线自组织网络的初始网络状态为公式(1)所示：
其中，s0表示第0个时间段的无线自组织网络络初始状态，
步骤2：获取自组网节点的行动规划信息；
所述获取自组网节点的行动规划信息，包括：通过自组网节点相互交互信息，各个自组网节点获取无线自组织网络中其他自组网节点在移动过程中的路径规划信息，该路径规划信息是结合数字地图，按时间分片标记各个自组网节点在每个时刻的坐标信息；
所述获取自组网节点的行动规划信息的具体步骤包括：
步骤2-1：时间分片；
所述时间分片，包括:每个自组网节点根据设定的时间分片间隔δt，来每过一个时间分片间隔就把自身在该时间分片间隔中移动下所形成的路径轨迹，该路径轨迹即分段，划分为若干离散位置点，并在数字地图上获取该若干离散位置点的坐标信息来作为路径规划信息；该时间分片间隔δt能够设定为1s-5s。
步骤2-2：信息交互；
所述信息交互，包括：各个自组网节点在无线自组织网络里的周期性信息交互中，携带自身路径规划信息，通过多跳转发模式传播到整个无线自组织网络中的其他自组网节点中。
步骤3：无线自组织网络重新分簇；
所述无线自组织网络重新分簇，包括各个自组网节点根据获取的行动规划信息，进行簇头节点评价值计算，并根据计算结果重新生成簇头节点，其他自组网节点选择新的簇头节点加入无线自组织网络，形成新的无线自组织分簇结构。
所述无线自组织网络重新分簇的具体步骤包括：
步骤3-1：计算得到自组网节点的节点邻居集合；
凡是坐标位置在某个自组网节点的通信范围g内的簇头节点，视为节点邻居；比如，编号为m的自组网节点的节点邻居集合记为nm，计算得到自组网节点的节点邻居集合的方法为公式(2)所示：
nm＝{i/i∈s,d(i,m)≤g}(2)
其中，d(i,m)表示第i个簇头节点与编号为m的自组网节点之间的地理距离，这里，i、m均为正整数。
步骤3-2：计算自组网节点的平均连接度；
所述计算自组网节点连接度，包括：根据无线自组织网络的自组网节点的行动规划信息，计算在自组网节点移动过程中的平均连接度，而任意时刻自组网节点的连接度为该时刻所属的当前时间片下的节点邻居集合，比如，这样，编号为m的自组网节点的当前时间片下的节点邻居集合om(rm)＝nm；记而自组网节点移动过程中的平均连接度用
其中，rm表示编号为m的自组网节点的作为路径轨迹的行动规划路径，j是把行动规划路径按时间片划分为的分段数量；j表示给各分段配置的索引标记的整型变量；
步骤3-3：计算自组网节点的簇头节点评价值；
所述计算自组网节点的簇头节点评价值，包括：对于编号为m的自组网节点，用公式(4)计算其簇头评价值φm：
其中，em为编号为m的自组网节点的剩余能量值，
步骤3-4：按自组网节点的簇头节点评价值生成簇头节点；
各个自组网节点根据计算得到的其簇头节点评价值，重新设置倒计时器，其簇头节点评价值越大的，该倒计时器的倒计时时长的值就越小，这样就越容易成为新的簇头节点。然后同时让各个自组网节点的该倒计时器进行倒计时，最先倒计时到0的节点，成为新的簇头节点；
步骤3-5：非簇头的自组网节点选择簇头节点；
所述非簇头的自组网节点选择簇头节点，包括：各个没有成为新的簇头节点的自组网节点，随机选择其临近的设定范围的簇头节点，加入无线自组织网络，以此形成新的无线自组织网络的分簇结构；
步骤3-6：无线自组织网络状态更新；
所述无线自组织网络状态更新，包括：非簇头的自组网节点选择簇头节点以后，无线自组织网络的组网结构进行更新，即登记进新加入的簇头节点，用公式(5)表示为：
st→st+1(5)
其中，t为所述更新前的上一个无线自组织网络中的簇头节点集合st的序列号且为正整数。
所述无线自组织网络动态分簇系统的方法，还包括:在步骤3执行完毕后还执行如下步骤：
步骤4：动态调整更新；
所述动态调整更新，包括：各个自组网节点根据无线自组织网络的自组网节点群体的移动路线变化这样的情况，回到步骤2去执行，以此实现动态分簇。
所述无线自组织网络动态分簇系统，包括运行在自组网节点上的初始化模块、获取模块、分簇模块以及更新模块；
所述初始化模块用于所述初始化；
所述获取模块用于所述获取自组网节点的行动规划信息；
所述分簇模块用于所述无线自组织网络重新分簇；
所述更新模块用于动态调整更新。
如图2所示，通过仿真实例来验证本发明的有效性。
首先简要介绍实施例的场景，设置仿真场景如下：无线自组织网络覆盖地域大小15km×15km。设自组网节点的初始能量为1500。自组网节点按各自规定的行动路径进行移动。图2给出了采用本发明所述方法得到的网络生命期结果，并采用了其他现有技术的三种方法进行对比。其他三种方法分别为：一是采用最小id号方法，即节点选择邻居簇头中id号最小的簇头。这种方法的优点是组网法则异常简单，缺点是不能随环境变化做出优化选择。二是采用最近距离方法，即节点选择距离自己最近的簇头。其优点是考虑了传输功率节省，计算简单，缺点是没有充分利用节点移动路径信息。三是采用路径平均最短距离方法，即节点选择整条移动路径上相对距离平均最短的簇头。其优点是考虑了节点移动路径和能量节省，不足是没有考虑簇头节点的状态，没有考虑其他节点的簇头选择对自己的影响。
可以看出，通过联合考虑行动路径对组网的影响，以及簇头节点能量消耗、节点通信需求等因素，本发明的方法比起现有技术的三种方法，能有效延长网络的生命期，减少组网能量消耗，对于实现节点移动条件下的动态组网具有较强的意义。
以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。
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