CN102685808A - 一种基于功率控制的分布式聚簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率控制的分布式聚簇方法，通过结合功率检测、节点连接度及密度估计参数三个方面的新型分布式聚簇方法，保证了簇数目合理性、簇头选择合理性、簇间距和簇内成员数目的均匀性，这样合理减少***延时，能够使大部分簇的成员节点数量相对均匀，平衡各簇簇头的管理负荷，减少能量消耗，延长了整个***的生存周期。同时还考虑了干扰节点比例的问题，并通过功率控制的方法进一步降低了干扰节点的比例，不仅能够进一步降低能量消耗，还能够大大减少***中受干扰节点的数量，因此大幅度降低虚拟MIMO***在基于簇的通信过程中，节点受到无线信号干扰的概率，有效提高虚拟MIMO***的性能。

Description

一种基于功率控制的分布式聚簇方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及虚拟MIMO***的自组织协同传输技术中一种基于功率控制的分布式聚簇方法。

背景技术

随着移动通信技术的不断发展，以及人们对无线移动多媒体业务不断增长的需求，对无线通信***的数据传输速率提出了更高的要求。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术可以提供更好的空间分集和更高的***容量，并且可以显著提高***的性能，因此MIMO技术备受关注，并且成为下一代通信***的关键技术。MIMO技术要求移动终端采用多天线，但是现代移动终端的发展趋势是终端的小型化，受限于移动终端尺寸和硬件实现的水平，不可能在终端集成多根天线。目前移动终端还是单天线的，为了充分发挥MIMO技术的优势，人们提出了虚拟MIMO技术。

在基于自组织多跳的无线网络中，应用虚拟MIMO技术可显著提高***容量，并且它能更好地满足MIMO***的多个独立信道条件，同时克服MIMO***对终端天线数量的苛刻要求。虚拟MIMO技术的基本思想是基于终端聚簇形成虚拟天线阵列小区进行协作接力通信。因此设计一种合理的接力用户簇划分（即聚簇）机制极端重要。目前在国内外对虚拟MIMO技术研究还处于初级阶段，并且对于聚簇机制的研究仍旧涉及甚少。然而，在Ad Hoc网络研究领域中，已有多种分簇算法，类似虚拟MIMO***中聚簇。但是鉴于虚拟MIMO技术的基本思想，不能够照搬Ad Hoc网络中分簇思想的。

Ad Hoc网络中的分簇算法主要包括最小ID算法、最大连接度算法、通用组合加权分簇算法、移动性敏感的分簇算法及被动分簇算法。目前所提出的一些用于Ad Hoc网络的新型分簇算法均是基于上述分簇算法的改进算法。然而，在上述分簇算法的研究过程中发现，这些算法仅仅提出了簇头的形成、簇的形成理念和思想，只列出框架和大体步骤，却没有给出实施细节，并且忽略了簇形成后受干扰节点比例较高的问题。以上提到的分簇算法产生的干扰节点比例都很高，有的甚至达到50%以上。干扰节点在***中的比例过高会大大降低***的性能，并导致信息无法被正确识别而导致通信失败，因此降低了数据传输的成功率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于功率控制的分布式聚簇方法，以降低干扰节点的比例，提高虚拟MIMO***的性能。

为实现上述发明目的，本发明基于功率控制的分布式聚簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、在给定的区域中，每个节点均拥有属于自己的唯一ID标识，所有节点均知道节点总数N，并根据节点总数N得出簇总数期望值N_ch，N_ch≈N^1/2，N_ch也是单个簇簇内节点总数期望值；

各节点均以固定功率P₀广播包含本节点ID的消息；

（2）、各节点检测接收到的广播信号功率P_ij，其中，i表示本地节点，即接收节点ID，j表示邻居节点，即广播节点ID；

如果接收节点距离广播节点越近，接收信号越强，广播信号功率P_ij越大，反之则越弱，广播信号功率P_ij越小；接收节点通过广播信号功率P_ij估算与广播节点之间的距离参数l_ij，并对各距离参数求和∑l_ij，同时统计接收到的广播消息数量，即邻居数d_i、邻居节点ID及距离参数l_ij，并依此建立邻居表，记录上述参数；

（3）、各节点第二次广播自己的邻居数d_i和本地节点ID，然后各节点接收到来自不同广播节点的二次广播消息，对各邻居节点的邻居数d_ij求和D_i＝∑d_ij，并计算一次簇头竞争参数α_i=∑l_ij/(d_i×D_i)以及二次簇头竞争参数β_i=∑l_ij/d_i；

（4）、各节点第三次广播自己的一次簇头竞争参数α_i和本地节点ID；各节点接收到来自不同广播节点的广播信息；如果本节点满足条件邻居数d_i>[N_ch/2]，[·]表示向下取整，则比较各广播信息中的一次簇头竞争参数a_j和自己的一次簇头竞争参数α_i，并选出最小簇头竞争参数的节点作为初选簇头，并初选簇头的ID广播出去，但如果自己的一次簇头竞争参数a_i最小，则不需广播，直接自定义自己为初选簇头；如果邻居数d_i≤[N_ch/2]，则不做任何操作；

（5）、如果某节点接收到包含初选簇头ID的广播消息，并且广播消息中的ID与本地节点ID相符，则该节点被定义为初选簇头；

（6）、初选簇头广播包含本地节点ID和二次簇头竞争参数β_i的消息；如果有初选簇头收到了来自其他初选簇头的广播消息，则比较此广播消息中的二次簇头竞争参数β_j和自己的二次簇头竞争参数β_i，一旦自己的二次簇头竞争参数β_i不是最小，则自动放弃簇头身份；

（7）、初选簇头开始统计本地节点一跳范围内受干扰节点的数量；受干扰节点是同时处于两个或两个以上簇头覆盖区域的节点，方法为：初选簇头随机选择一个子载波，广播统计请求信息，如果某节点接收到两个或两个以上来自不同初选簇头的统计请求信息，或者接收到一个经混叠导致广播类型无法识别的广播信号，则自认为是受干扰节点，广播回复包含自己ID的确认信息；

初选簇头统计来自不同节点的确认信息并记录其数量，如果确认信息数量大于等于[d_i/2]，[·]表示向下取整，则自动放弃簇头身份并进入等待状态，否则则被定义为正式簇头，简称簇头；

（8）、如果簇头的邻居数d_i≤N_ch-1，则所有的邻居节点都被定义为初选成员节点，如果簇头的邻居数d_i>N_ch-1，则簇头根据邻居表，按照距离参数l_ij由小到大的顺序选择N_ch-1个邻居节点作为本簇的初选成员节点；

簇头确定初选成员节点后，簇头根据距离参数l_ij来判定最远的初选成员节点，同时参照相应的距离参数l_ij来降低发射功率，以致仅能够覆盖到最远的初选成员节点，并以此功率发送包含簇头ID的广播通知消息；收到此类广播消息的初选成员节点，如果未定义为其他簇的成员节点，则定义为成员节点，同时将收到的簇头ID作为所属簇头ID；成员节点也根据自己与簇头的广播信号功率P_ij来降低发射功率，保证仅覆盖到所属簇头即可，并向所属簇头发送确认消息；

簇头收到成员节点的确认消息后，将发送了确认消息的初选成员节点作为成员节点。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种结合功率检测、节点连接度（即邻居数）及密度估计参数（即一次簇头竞争参数α_i以及二次簇头竞争参数β_i）三个方面的新型分布式聚簇方法，保证了簇数目合理性、簇头选择合理性、簇间距和簇内成员数目的均匀性，这样合理减少***延时，能够使大部分簇的成员节点数量相对均匀，平衡各簇簇头的管理负荷，减少能量消耗，延长了整个***的生存周期。同时还考虑了干扰节点比例的问题，并通过功率控制的方法进一步降低了干扰节点的比例，不仅能够进一步降低能量消耗，还能够大大减少***中受干扰节点的数量，因此大幅度降低虚拟MIMO***在基于簇的通信过程中，节点受到无线信号干扰的概率，有效提高虚拟MIMO***的性能。

附图说明

图1是本发明基于功率控制的分布式聚簇方法的聚簇示意图；

图2为本发明基于功率控制的分布式聚簇方法一种具体实施方式流程图。

图3为本发明中节点连接度d_i及距离估计参数l_ij示意图；

图4为本发明中Di计算示意图。

图5为本发明中簇头di≤NCH－1情况下选择成员节点过程示意图。

图6为本发明中簇头di＞NCH－1情况下选择成员节点过程示意图。

图7为本发明中相邻簇成员节点相差两个以上，受干扰节点再分配过程示意图。

图8为本发明中相邻簇成员节点仅相差一个，受干扰节点再分配过程示意图。

图9为本发明中簇头转移过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明基于功率控制的分布式聚簇方法的聚簇示意图。

给定区域为一个矩形区域，在矩形区域内随机均匀分布N个节点，如图1中(a)所示。聚簇的目的是将此N个节点分成若干簇，要求簇数目适宜、簇内节点数目适宜、各簇内的节点数量相对均匀、簇间中心距离均匀、受干扰节点比例降至最低，如图1中(b)所示。

每个节点均拥有唯一ID标识，并且每个节点初始时均以固定功率P₀消息，各节点在聚簇过程中，发射功率可按需调节。各节点已得知矩形区域内节点总数N，并具备信号功率检测功能，能够检测接收信号强度。

图2为本发明基于功率控制的分布式聚簇方法一种具体实施方式流程图。

步骤201：每个节点根据节点总数N，均计算簇总数期望值N_ch。簇总数期望值N_ch也是单个簇簇内节点数目的期望值。此期望值的含义为，理想情况下，聚簇结束后的簇数目（或簇内节点数）等于N_ch，非理想情况下逼近N_ch。在本发明中N_ch≈N^1/2，即N_ch取最接近节点总数N的可开方整数的根值。

例如节点总数N=40时，距40最近的可开方整数为36，因此N_ch＝6。

例如节点总数N=50时，距50最近的可开方整数为49，因此N_ch＝7。

在图1(a)中，矩形区域内分布的节点数为46，因此NCH＝7。聚簇完成后如图1(b)，簇总数为6。簇内节点数的平均值，四舍五入取整后为8，两者均逼近N_ch。

步骤202：各节点计算N_ch后，均选择不同的载频和时隙，以固定功率P₀广播包含本地节点ID的消息（物理层邻居发现机制）。此广播消息的含义是，各节点告知一跳范围内所有邻居节点自己的ID，也可以得知一跳范围内所有邻居节点的ID。

步骤203：各节点接收到来自不同邻居节点的广播信号，先对接收到的广播信号进行功率测量，得到接收信号的广播信号功率P_ij，其中，i表示本地节点，即接收节点ID，j表示邻居节点，即广播节点ID。

在本实施例总，如果某个节点多次收到同一个邻居节点发送的相同广播信息，则对多次检测结果求均值得到广播信号功率P_ij。如果接收节点距离广播节点越近，接收到的信号强度越高，P_ij越大，反之P_ij越小。随后节点可解析出相应广播信息中的邻居节点ID，并统计来自不同邻居节点的广播信息数量，即邻居数，也称为节点i的连接度d_i。

连接度d_i的统计如图3所示，例如：节点ID1的初始发射功率为固定功率P₀，对应覆盖半径为r₀，覆盖区域为以r₀为半径的圆面。各节点初始发射功率均为固定功率P₀，覆盖半径则均为r₀。如果节点ID1能够覆盖到节点ID2，那么节点ID1也必然处于节点ID2的覆盖区域内。因此，节点ID1能够收到本地节点覆盖区域内节点ID2节点ID7的广播信息，其连接度d_ID1＝6。同理，其他的节点也能够得到各自的连接度d_i。

步骤204：各节点计算距离估计参数l_ij，l_ij＝C/P_ij，C为常数。距离估计参数l_ij表示接收节点i与某邻居节点j之间的估计距离，如图3所示，它仅仅是一个估计参数，并不等于两节点间的实际距离。各节点将距离估计参数l_ij求和得∑l_ij，为后面计算簇头竞争参数做准备。各节点根据邻居接的ID、邻居数d_i和距离参数l_ij建立自己的邻居表。节点在建立邻居表时，根据距离参数l_ij将所有邻居节点由近及远排序，为后面步骤中成员节点的选择提供依据。排在邻居表最前端的为距离自己最近的邻居节点，即距离参数l_ij值最小的邻居节点，依此类推。

步骤205：当节点i获得自己的本地节点连接度，即邻居数d_i后，将邻居数d_i第二次广播出去，广播信息中仍然携带本地节点的ID，因此接收节点收到此类广播信息时，均可得到广播节点ID和此广播节点的本地节点连接度。

步骤206：每个节点i均接收到自己一跳范围内所有邻居节点的此类广播信息，得到了各邻居节点的邻居数d_ij，并对各邻居节点的邻居数d_ij进行求和得本地D_i=∑d_ij，如图4所示，D_I1=∑d_ID1j=d_ID1ID2+d_ID1ID3+…+d_ID1ID7=37。

对各邻居节点的邻居数d_ij求和的目的在于，粗略地估计节点i两跳范围内的节点数。此处D_i明显大于节点i两跳范围内节点数的实际值，它仅仅是个估计参数，用于计算簇头竞争参数。

步骤207：各节点统计自己的D_i之后，计算一次簇头竞争参数α_i＝β_i/D_i和二次簇头竞争参数β_i=∑l_ij/d_i，所以α_i=∑l_ij/(d_i×D_i)=(∑(C/P_ij))/(d_i×∑d_ij)。

一次簇头竞争参数α_i计算式中C为常数，在本实施例中，不妨令C＝1，则α_i=(∑(1/P_ij))/(d_i×∑d_ij)，其中i为本地节点的ID，j为节点i一跳范围内的某邻居节点ID。二次簇头竞争参数β_i表示节点i一跳范围内的节点密度，是一个密度估计参数。一次簇头竞争参数α_i是对节点i两跳范围的节点密度的粗估计。

步骤208：各节点第三次广播自己的一次簇头竞争参数α_i和本地节点ID，目的在于，使所有邻居节点都能够得到自己的一次簇头竞争参数α_i。

步骤209：节点i发送第三次广播信息后，则首先判断自己的邻居数d_i是否满足d_i>[N_ch/2]，[·]表示向下取整。如果节点i不满足上述条件，则不进行接下来的簇头竞争，进入等待状态，等待竞争成功的簇头发送广播通知消息。

步骤210：如果节点i满足条件d_i>[N_ch/2]，则比较各广播信息中的一次簇头竞争参数a_j和自己的一次簇头竞争参数a_i，并选出最小簇头竞争参数的节点作为初选簇头，并初选簇头的ID广播出去；但如果自己的一次簇头竞争参数a_i最小，则不需广播，直接自定义自己为初选簇头。

步骤211：如果某节点接收到第四次广播信息，信息中的初选簇头ID一旦与自己的本地节点ID相符，则自定义为初选簇头，并忽略之后接收到的所有第四次广播信息。如果某节点在所有接收到的第四次广播信息中，没有一个初选簇头ID与自己的ID相符合，则自动进入等待状态。

上述过程完成后，某些初选簇头的邻居节点中，可能会出现其他的初选簇头。在这种情况下，两个初选簇头距离过近，覆盖区域重叠部分过高，势必导致***中出现大量不必要的收干扰节点。因此，需要对此类初选簇头进行筛选。

例如，在图4中，节点ID1和ID3均定义为初选簇头，二者互为邻居节点。因此，两者之间需以二次簇头竞争参数β_j为参考，将相对不合理的初选簇头排除。

筛选方法：初选簇头广播二次竞争消息，即第五次广播信息，信息中包含本地节点ID和二次簇头竞争参数β_i。如果某初选簇头收到此类广播信息，则将自己的二次簇头竞争参数β_i和广播信息中的二次簇头竞争参数β_j值作比较，倘若自己的β值不是最小的，则放弃簇头身份，进入等待状态。如果在规定时间内没有收到任何的此类广播信息，则保留簇头身份并进入下一个步骤。

步骤212：经过上面的步骤保留下来的初选簇头，开始统计本地节点一跳范围内受干扰节点的数量。受干扰节点是同时处于两个或两个以上簇头覆盖区域的节点。方法为：初选簇头随机选择一个子载波（例如，OFDM技术），广播统计请求信息，如果某节点接收到两个以上（包含两个）来自不同初选簇头的统计请求信息，或者接收到一个经混叠导致广播类型无法识别的广播信号（同频干扰情况下），则自认为是受干扰节点，广播回复包含自己ID的确认信息。

初选簇头统计来自不同节点的确认信息并记录其数量，如果确认信息数量大于等于[d_i/2]，[·]表示向下取整，则自动放弃簇头身份并进入等待状态；否则进入步骤213；

步骤213：剩余的初选簇头则被定义为正式簇头，下面简称簇头。这些簇头将在自己的邻居节点中，选择若干未划分，即未被其他簇作为成员的节点作为成员节点，形成一个由本簇头管理的簇。簇头需要按照规则选择成员节点，如果成员节点数量过多，则簇头的管理负荷过重，导致簇的生存周期过短，因而降低***性能。簇头需要有目的选择一定数量并且位置合理的节点作为成员节点。

步骤214：如果簇头的邻居数d_i≤N_ch-1，则所有的邻居节点都被定义为初选成员节点。如图5所示，N_ch=7，簇头节点ID5的邻居数d_ID5=5<N_ch-1，因此，所有的邻居节点ID3、ID14、ID22、ID39、ID46均作为初选成员节点。

步骤215：如果簇头的邻居数d_i>N_ch-1，则簇头根据邻居表，按照距离参数l_ij由小到大的顺序选择N_ch-1个邻居节点作为本簇的初选成员节点，如图6所示，N_ch=7，簇头节点ID5的邻居数d_ID5=9＞N_ch-1，因此，按照距离参数由小到大的顺序选择N_ch-1，即6个邻居节点ID3、ID14、ID22、ID39、ID46作为本簇的初选成员节点，而其他邻居节点ID1、ID19、ID26则放弃。

步骤216：簇头确定初选成员节点后，簇头根据距离参数l_ij来判定最远的初选成员节点，同时参照相应的距离参数l_ij来降低发射功率，以致仅能够覆盖到最远的初选成员节点，并以此功率发送包含簇头ID的广播通知消息，如图5和图6所示，簇头节点ID5的覆盖范围由半径r₀降低到半径r₁。

收到此类广播消息的初选成员节点，如果未定义为其他簇的成员节点，则定义为成员节点，同时将收到的簇头ID作为所属簇头ID；成员节点也根据自己与簇头的广播信号功率P_ij来降低发射功率，保证仅覆盖到所属簇头即可，如图5和图6所示，簇头节点ID39的覆盖范围为半径r₂，刚好覆盖到所属簇头，即节点ID5。

成员节点并向所属簇头发送确认消息，簇头收到成员节点的确认消息后，将发送了确认消息的初选成员节点作为成员节点。

经过上述步骤201~216，大部分的簇已经形成。除了簇头和已经被划分，即被确定为成员节点的节点外，依旧有少量的节点没有被划分给任何簇头管理。在这些节点为未划分节点中，能够再独立形成少量合理的簇，记为补充簇。

补充簇的簇头是从剩余的未划分节点中仲裁出来的。补充簇头仲裁的原则是在未划分节点的邻居节点中，寻求较大的未划分节点连接度和较小的已划分节点连接度。具体方法：

步骤217，剩余的所有未划分节点广播补充聚簇信息，收到此广播信息的邻居节点均广播回复自己的状态：已划分或未划分。所有未划分节点统计自己邻居节点中未划分节点连接度d′，即未划分节点数量和已划分节点连接度d″，即已划分节点数量。未划分节点在接收广播信号的同时，按照步骤203~207的方法测量来自其他未划分节点的广播信号强度并计算二次簇头竞争参数β_i。

步骤218：如果未划分节点满足条件d′≥N_ch/3且d″≤d′/2，则此未划分节点自定义为补充簇头，否则进入等待状态。

步骤219~224：补充簇头广播包含自己ID、未划分节点连接度d′以及二次簇头竞争参数β_i的消息。只有补充簇头接收到此类广播信息才对它进行处理，并记录ID和未划分节点连接度d′。如果补充簇头没有收到任何来自其他补充簇头的广播信息，则自定义为初选簇头，准备选择成员节点。收到广播信息的补充簇头则比较自己的未划分节点连接度d′和所有广播信息中的未划分节点连接度d′，只要自己的未划分节点连接度d′不是最大的，就自动放弃补充簇头身份并进入等待状态。由于各未划分节点连接度d′都是整数，所以在比较过程中可能存在相等的情况。如果自己的未划分节点连接度d′是最大的，同时也不存在相等情况，那么就自定义为初选簇头，准备选择成员节点。如果自己的未划分节点连接度d′是最大的，但是与其他某些补充簇头的未划分节点连接度d′相等，就表示一跳范围内存在冲突簇头，此刻就需要比较自己与冲突簇头的二次簇头竞争参数β_i，如果本地节点二次簇头竞争参数β_i不是最小，则放弃补充簇头身份，进入等待状态。否则，自定义为初选簇头。从补充簇头中筛选出初选簇头后，各簇头依旧按照步骤213~216选择成员节点以形成新的簇，簇内的各节点降低发射功率来调整覆盖区。

步骤225：由于节点地理位置上的差异，前期聚簇可能会导致某些簇的成员节点数量不均匀，即簇内节点数相差较大。相邻的簇之间，如果簇内节点数量差距过大，则需要重分配成员节点，成员节点较多的簇会将某些成员节点划分给相邻的成员节点较少的簇，以最大保证簇与簇之间的成员节点数目相等，实现方法为：簇头随机选择子载波发送重分配广播信息，信息中携带本簇的成员节点数量及簇头ID。成员节点必然会收到所属簇簇头的广播信息。如果某成员节点还收到相邻簇簇头的广播信息，就比较本簇成员节点数和相邻簇成员节点数。下面结合图7和图8，根据不同情况，阐述比较判决规则。

某成员收到本簇簇头的重分配广播信息，也收到相邻簇簇头的重分配广播信息，则此成员节点有可能会被重分配到相邻簇中。记此成员节点所属簇的成员节点数量为N′，相邻簇的成员节点数量为N″，两者关系不同，判决结果则不同。

情况1：如果N′≤N″，此成员节点不会被重分配。

情况2：如果N′≥N″+2，如图7所示，则此成员节点直接被分配到邻居簇，即簇2。如果成员节点距离原来所属簇，即簇1的簇头较近（通过判断成员节点与原来所属簇簇头的距离参数l′和与邻居簇簇头的距离参数l″得出），则此成员节点根据邻居簇簇头的距离参数l″调节发射功率，仅覆盖到簇2的簇头即可。如果距邻居簇，即簇2的簇头较近，则此成员节点不需要调整发射功率。

紧接着此成员节点发送判决广播消息，携带邻居簇，即簇2的簇头ID。邻居簇，即簇2的簇头收到判决广播消息，信息中的簇头ID与自己的ID相符，则将此成员节点加入本簇。原来所属簇，即簇1的簇头接收到相同的判决广播消息，如果信息中的簇头ID与自己的ID不相符，并且此成员节点原先不是最远的一个成员节点，则簇头不需要调整发射功率，否则，调整发射功率保证覆盖到剩余成员节点中最远的一个即可，如图7所示，最后原来所属簇，即簇1的簇头将此成员节点从自己的成员列表中删除。

情况3：如果N′＝N″+1，如图8所示，记此成员节点到所属簇，即簇1簇头的距离参数为l′，到邻居簇，即簇2簇头的距离参数为l″。如果l′≤l″，则此成员节点不会被重分配，否则它将被分配到邻居簇。被重新分配的成员节点参照距离参数为l″调整发射功率，仅覆盖到邻居簇，即簇2的簇头即可，并广播判决广播消息通知邻居簇，即簇2的簇头。邻居簇，即簇2的簇头按照情况2中相同的方法添加新成员节点，原所属簇，即簇头1的簇头调整发射功率。

步骤226：为了减少受干扰节点的数量，进一步提高***性能。所有的簇形成并且经过成员节点重分配后，每个簇仍需要进行一次自我检测，判断是否可以进行簇头转移。如果某簇对邻居簇的成员节点有干扰，如图9中，簇1对簇2的成员节点有干扰，则此簇拥有簇头转移权。

对于具有簇头转移权的簇，假如，簇内某成员节点担当簇头时，在不产生新的干扰的情况下，还可以消除对邻居簇的成员节点的干扰，并且，又能保证簇内成员节点数不少于原先的簇，则将簇头转移至此成员节点以形成新簇，新簇的簇头和成员节点调整发射功率，完成簇头与成员节点的最小相互覆盖，如图9中的簇1（新）。

实现方法：具有簇头转移权的簇，向簇内成员节点发送簇头转移广播信息，信息中包含簇头ID、成员节点数和邻居簇中受干扰节点的ID，成员节点收到此广播信息后，搜索自己的邻居表。如果某成员节点邻居表中不包含受干扰节点的ID，并且邻居节点数不小于广播信息中的成员节点数，则此成员节点可以担当新的簇头。如果多个成员节点都可以担当新的簇头，则选择二次簇头竞争参数β_i最小的成员节点作为新簇的簇头。新簇仍按照步骤213~216的方法选择成员节点及调整发射功率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于功率控制的分布式聚簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在给定的区域中，每个节点均拥有属于自己的唯一ID标识，所有节点均知道节点总数N，并根据节点总数N得出簇总数期望值N_ch，N_ch≈N^1/2，N_ch也是单个簇簇内节点总数期望值；

各节点均以固定功率P₀广播包含本节点ID的消息；

步骤2：各节点检测接收到的广播信号功率P_ij，其中，i表示本地节点，即接收节点ID，j表示邻居节点，即广播节点ID；

如果接收节点距离广播节点越近，接收信号越强，广播信号功率P_ij越大，反之则越弱，广播信号功率P_ij越小；接收节点通过广播信号功率P_ij估算与广播节点之间的距离参数l_ij，并对各距离参数求和∑l_ij，同时统计接收到的广播消息数量，即邻居数d_i、邻居节点ID及距离参数l_ij，并依此建立邻居表，记录上述参数；

步骤3：各节点第二次广播自己的邻居数d_i和本地节点ID，然后各节点接收到来自不同广播节点的二次广播消息，对各邻居节点的邻居数d_ij求和D_i＝∑d_ij，并计算一次簇头竞争参数α_i=∑l_ij/(d_i×D_i)以及二次簇头竞争参数β_i=∑l_ij/d_i；

步骤4：各节点第三次广播自己的一次簇头竞争参数α_i和本地节点ID；各节点接收到来自不同广播节点的广播信息；如果本节点满足条件邻居数d_i>[N_ch/2]，[·]表示向下取整，则比较各广播信息中的一次簇头竞争参数a_j和自己的一次簇头竞争参数a_i，并选出最小簇头竞争参数的节点作为初选簇头，并初选簇头的ID广播出去，但如果自己的一次簇头竞争参数a_i最小，则不需广播，直接自定义自己为初选簇头；如果邻居数d_i≤[N_ch/2]，则不做任何操作；

步骤5：如果某节点接收到包含初选簇头ID的广播消息，并且广播消息中的ID与本地节点ID相符，则该节点被定义为初选簇头；

步骤6：初选簇头广播包含本地节点ID和二次簇头竞争参数β_i的消息；如果有初选簇头收到了来自其他初选簇头的广播消息，则比较此广播消息中的二次簇头竞争参数β_j和自己的二次簇头竞争参数β_i，一旦自己的二次簇头竞争参数β_i不是最小，则自动放弃簇头身份；

步骤7：初选簇头开始统计本地节点一跳范围内受干扰节点的数量；受干扰节点是同时处于两个或两个以上簇头覆盖区域的节点，方法为：初选簇头随机选择一个子载波，广播统计请求信息，如果某节点接收到两个或两个以上来自不同初选簇头的统计请求信息，或者接收到一个经混叠导致广播类型无法识别的广播信号，则自认为是受干扰节点，广播回复包含自己ID的确认信息；

初选簇头统计来自不同节点的确认信息并记录其数量，如果确认信息数量大于等于[d_i/2]，[·]表示向下取整，则自动放弃簇头身份并进入等待状态，否则则被定义为正式簇头，简称簇头；

步骤8：如果簇头的邻居数d_i≤N_ch-1，则所有的邻居节点都被定义为初选成员节点，如果簇头的邻居数d_i>N_ch-1，则簇头根据邻居表，按照距离参数l_ij由小到大的顺序选择N_ch-1个邻居节点作为本簇的初选成员节点；

簇头确定初选成员节点后，簇头根据距离参数l_ij来判定最远的初选成员节点，同时参照相应的距离参数l_ij来降低发射功率，以致仅能够覆盖到最远的初选成员节点，并以此功率发送包含簇头ID的广播通知消息；收到此类广播消息的初选成员节点，如果未定义为其他簇的成员节点，则定义为成员节点，同时将收到的簇头ID作为所属簇头ID；成员节点也根据自己与簇头的广播信号功率P_ij来降低发射功率，保证仅覆盖到所属簇头即可，并向所属簇头发送确认消息；

簇头收到成员节点的确认消息后，将发送了确认消息的初选成员节点作为成员节点。

2.根据权利要求1所述的基于功率控制的分布式聚簇方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤9：剩余的所有未划分节点广播补充聚簇信息，收到此广播信息的邻居节点均广播回复自己的状态：已划分或未划分；

所有未划分节点统计自己邻居节点中未划分节点连接度d′，即未划分节点数量和已划分节点连接度d″，即已划分节点数量；未划分节点在接收广播信号的同时，按照步骤2~3的方法测量来自其他未划分节点的广播信号强度并计算二次簇头竞争参数β_i；

步骤10：如果未划分节点满足条件d′≥N_ch/3且d″≤d′/2，则此未划分节点自定义为补充簇头，否则进入等待状态；

步骤11：补充簇头广播包含自己ID、未划分节点连接度d′以及二次簇头竞争参数β_i的消息；

只有补充簇头接收到此类广播信息才对它进行处理，并记录ID和未划分节点连接度d′；如果补充簇头没有收到任何来自其他补充簇头的广播信息，则自定义为初选簇头，准备选择成员节点；收到广播信息的补充簇头则比较自己的未划分节点连接度d′和所有广播信息中的未划分节点连接度d′，只要自己的未划分节点连接度d′不是最大的，就自动放弃补充簇头身份并进入等待状态；

如果自己的未划分节点连接度d′是最大的，同时也不存在相等情况，那么就自定义为初选簇头，准备选择成员节点；如果自己的未划分节点连接度d′是最大的，但是与其他某些补充簇头的未划分节点连接度d′相等，则比较自己与冲突簇头的二次簇头竞争参数β_i，如果本地节点二次簇头竞争参数β_i不是最小，则放弃补充簇头身份，进入等待状态；否则，自定义为初选簇头；

从补充簇头中筛选出初选簇头后，各簇头依旧按照步骤7~8选择成员节点以形成新的簇，簇内的各节点降低发射功率来调整覆盖区。

3.根据权利要求1所述的基于功率控制的分布式聚簇方法，其特征在于，还包括以下步骤：

簇头随机选择子载波发送重分配广播信息，信息中携带本簇的成员节点数量及簇头ID，成员节点收到所属簇簇头的广播信息，如果某成员节点还收到相邻簇簇头的广播信息，记此成员节点所属簇的成员节点数量为N′，相邻簇的成员节点数量为N″；

情况1：如果N′≤N″，此成员节点不会被重分配；

情况2：如果N′≥N″+2，则此成员节点直接被分配到邻居簇，如果成员节点距离原来所属簇的簇头较近，则此成员节点根据邻居簇簇头的距离参数l″调节发射功率，仅覆盖到簇2的簇头即可，如果距邻居簇的簇头较近，则此成员节点不需要调整发射功率；

紧接着此成员节点发送判决广播消息，携带邻居簇的簇头ID；邻居簇的簇头收到判决广播消息，信息中的簇头ID与自己的ID相符，则将此成员节点加入本簇；原来所属簇的簇头接收到相同的判决广播消息，如果信息中的簇头ID与自己的ID不相符，并且此成员节点原先不是最远的一个成员节点，则簇头不需要调整发射功率，否则，调整发射功率保证覆盖到剩余成员节点中最远的一个即可，最后原来所属簇的簇头将此成员节点从自己的成员列表中删除；

情况3：如果N′=N″+1，成员节点到所属簇簇头的距离参数为l′，到邻居簇簇头的距离参数为l″。如果l′≤l″，则此成员节点不会被重分配，否则它将被分配到邻居簇；被重新分配的成员节点参照距离参数为l″调整发射功率，仅覆盖到邻居簇的簇头即可，并广播判决广播消息通知邻居簇的簇头。邻居簇的簇头按照情况2中相同的方法添加新成员节点，原所属簇的簇头调整发射功率。

4.根据权利要求1所述的基于功率控制的分布式聚簇方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所有的簇形成并且经过成员节点重分配后，每个簇仍需要进行一次自我检测，判断是否可以进行簇头转移，如果某簇对邻居簇的成员节点有干扰，则此簇拥有簇头转移权。

具有簇头转移权的簇，向簇内成员节点发送簇头转移广播信息，信息中包含簇头ID、成员节点数和邻居簇中受干扰节点的ID，成员节点收到此广播信息后，搜索自己的邻居表；如果某成员节点邻居表中不包含受干扰节点的ID，并且邻居节点数不小于广播信息中的成员节点数，则此成员节点可以担当新的簇头；如果多个成员节点都可以担当新的簇头，则选择二次簇头竞争参数β_i最小的成员节点作为新簇的簇头；

按照步骤7~8选择成员节点以形成新的簇，簇内的各节点降低发射功率来调整覆盖区。

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