CN106028416B - 一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信节点对负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功率调整与通信模式选择。本发明能够有效降低剩余能量值很大但最大通信覆盖范围很小的节点成为簇头的概率，并能根据网络中节点最大通信覆盖范围分布的变化而自适应地调整成簇范围，从而确保簇间总能连通；通过引入一个FCH来分担簇内MCH的负载，以略微增加的簇形成控制开销取得了簇结构寿命的较大提升。

Description

一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法
技术领域
本发明属于计算机网络应用和虚拟MIMO通信领域，涉及一种多簇头簇内负载分担、成簇范围与簇间通信模式能够自适应通信环境状况变化的改进成簇技术。
背景技术
多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术能够提高无线网络容量、减少能量消耗、改善无线网络覆盖质量，但是，网络中的无线设备必须装备多根天线才能利用这些优点。诸如传感器这样的小型无线设备大多无法达到这样的要求。于是，研究者们提出了虚拟MIMO技术，通过多个单天线设备的协同发射与接收来模拟真实MIMO的效果。
通常有四种通信模式比较常用，除了MIMO外，还有单输入单输出(Single-InputSingle-Output,SISO)、单输入多输出(Single-Input Multi-Output,SIMO)、多输入单输出(Multi-Input Single-Output,MISO)。一些典型工作(如Clustering and CooperativeProtocol(CCP)[1]和Cooperative MIMO(CMIMO)[2])充分利用了这四种模式的优点，能够根据不同的通信条件进行灵活的切换。CCP可以根据通信条件优化协同的节点数量，而CMIMO则限制了协同节点的数量至多为2。
文献[3]的作者得出了两个结论：第一，SIMO、MISO和MIMO模式比SISO模式的能量效率更高；第二，在很多情况下，2×2(MIMO)模式比1×1(SISO)、3×3(MIMO)和4×4(MIMO)等模式更节省能量。在虚拟MIMO中，若更多节点进行协作发射，很难获得精确的时间同步效果，对节点进行高效管理也变得更困难[4]。因此，协同节点的数量不超过2是一种能效最优化与维护管理高效化之间的一种合理折中。
CMIMO方案是这种折中考虑的典型代表，但仍存在一些亟待解决的问题：第一，在簇头选举中，未考虑候选节点最大通信覆盖范围的差异性，且其成簇范围预先指定，无法根据无线通信条件的变化自动调节；第二，未根据簇内成员与簇头间位置的不同相应优化其发射功率；第三，主簇头承担簇内数据汇聚与融合、与从簇头协同进行簇间通信、充当信标簇头等工作，负担过重，极易出现主簇头过早死亡现象。因此，急需提出一种应对上述问题的新方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，给出了一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，即ICV-MIMO(Improved Clustering scheme forVirtual MIMO-based topology construction)，不仅能最小化簇间通信时的总能量消耗(即发射能耗和电路能耗)，而且能改善簇内通信的能耗均衡性以及自适应确定成簇范围。
本发明的技术方案为：
每个簇至多由三个簇头，即主簇头(Master Cluster Head,MCH)、从簇头(SlaveCluster Head,SCH)、融合簇头(Fusion Cluster Head,FCH)负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信“节点对”负责簇间通信，SCH也可根据簇间通信环境决定是否参与簇间协作通信。
该方案可用于无线传感器节点静态组网进行环境状态监测的应用场景，当簇内成员感知到状态信息时，将其传输到簇内的FCH节点进行融合处理，再发送给簇内的MCH/SCH“节点对”，该MCH/SCH“节点对”负责通过簇间通信以多跳的方式或直接传输到基站。若出现FCH节点先于同一簇内的MCH节点死亡的情况，则MCH节点接替FCH节点承担簇内数据汇聚与融合工作，即这时的工作过程与CMIMO方案类似。
本发明的成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整、簇间发射功率调整与通信模式选择三个阶段，其中，簇间发射功率调整与通信模式选择与文献[2]的操作一致，不再阐述，下面详细阐述前两个阶段的操作过程。
在簇形成阶段，需要依次执行邻居发现、MCH选举、SCH选举、簇成员关联与FCH选举四个算法，具体描述如下：
为了获得邻居的相关信息，需要定义如下消息格式以便于相互交换信息：[IDt,et,pt,max,dt,max,Lt,nei＝{…,(IDi,di,t),…}]，其中，IDt,et,pt,max,dt,max和Lt,nei分别是节点t的标识符【一般节点的标示符默认为节点的地址，而地址是一个定长的比特串，由组网协议规定，在组建的网络中，具有唯一性，可以比较大小】、剩余电池量、最大发射功率、近似最大通信覆盖范围和邻居列表；节点t的邻居列表Lt,nei中的表项(IDi,di,t)由该邻居i的标识符IDi和它到节点t的距离di,t组成；任意两个节点i和j间的距离di,j可使用公式(1)得到：
在公式(1)中，pt i,j是节点i向节点j发射数据时的发射功率，pr i,j是节点i向节点j发射数据时节点j的接收功率；Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益；ht和hr分别为发射天线和接收天线高度；λ为载波信号波长；L为***损耗因子；dcrossover表示交叉距离，可使用公
式(2)计算：
算法1：邻居发现
下列步骤运行在任一节点(如u)上
输入参数：Nmax(一个预设常数，用于控制算法结束)
输出结果：所有邻居的标识符和近似最大通信范围
步骤1.1：初始化变量Lu,nei为空，du,max和计数变量N分别为0；
步骤1.2：节点u使用CSMA/CA竞争接入信道，若成功接入到信道，则用最大发射功率pu,max广播消息“[IDu,eu,pu,max,du,max,Lu,nei]”；设置定时器tΔ的值为Δ，并且初始化布尔变量FLAG1和FLAG2的值分别为“假”，进入步骤1.3；若没有成功接入信道，则重新进行步骤1.2；所述FLAG1和FLAG2均为控制标识，通过控制标识的状态控制算法的执行步骤；
步骤1.3：在预设的时间Δ内，若节点u收到任一节点v的消息“[IDv,ev,pv,max,dv,max,Lv,nei]”，且v不在Lu,nei中，则记录接收功率pr v,u并使用公式(1)计算距离dv,u.，并且将(IDv,dv,u)添加到Lu,nei中；若du,max小于计算出来的dv,u，则将dv,u赋值给du,max，并且置FLAG1的值为“真”；
步骤1.4：在预设的时间Δ内，若节点u收到任一节点v的消息“[IDv,ev,pv,max,dv,max,Lv,nei]”，且u不在Lv,nei中，则置FLAG2的值为“真”；
步骤1.5：若FLAG2的值为“真”，则将N的值增加1；
步骤1.6：若N小于Nmax且FLAG1的值或者FLAG2的值中任一个为真，则返回步骤1.2；否则算法结束，并输出节点u的所有邻居的标识符。
通过执行算法1得到的节点u的所有邻居的标识符信息，使用公式(3)和(4)计算节点u的成簇半径Ru,intra，并且使用公式(5)计算节点u的MCH度量值MMu；
Ru,intra＝μ·Ru,av (4)
在公式(3)中，Ru,av表示节点u邻域范围内所有节点的近似最大通信覆盖范围的平均值，|Lu,nei|表示节点u的邻居列表中的邻居数量；若节点u成为MCH，它将使用公式(4)计算它所在簇的簇半径Ru,intra；
在公式(4)中，μ是一个折扣系数，取值范围为0<μ<1，通常μ近似取1/3。
在公式(5)中，we和wr分别是能量权值和通信覆盖范围权值，其取值范围为0<we<1，0<wr<1,we+wr＝1；eref和dref分别是参考能量值和参考覆盖范围值，其取值见表1；MMu用于表示节点u竞选MCH的竞争力大小；
选择具有最大MCH度量值的节点作为MCH；具体步骤为算法2。
算法2：MCH选举
下列步骤运行在任一节点(如u)上
输入参数：所有的邻居信息
输出结果：一个指示节点是否成为MCH的标记变量(如su)
步骤2.1：定义一个指示节点u是否成为MCH的标记变量su，初始化变量su的值为“undecided”，针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)，初始化其对应的标记变量sv为“undecided”；使用公式(3)和(4)计算节点u的成簇半径Ru,intra，并且使用公式(5)计算节点u的MCH度量值MMu；
步骤2.2：节点u初始化布尔变量FLAG1的值为“真”；
步骤2.3：针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)进行判断，若sv的状态为未选举“undecided”且dv,u不大于Ru,intra，则使用公式(5)计算节点v的MCH度量值MMv；若MMu小于或等于MMv，且IDu大于IDv，则置FLAG 1的值为“假”；
步骤2.4：若FLAG1的值为“真”，则确定自身，即节点u成为MCH并更新su的状态为选举为簇头“decided MCH”，并且广播更新的su到所有邻居，算法结束；否则若FLAG1的值为“假”，则设置定时器tτ的值为τ和初始化布尔变量FLAG2的值为“真”，进入到步骤2.5；
步骤2.5：在预设的时间τ内，如果节点u收到任一节点v的状态变量sv，且状态变量sv的值为“decided MCH”，则更新状态变量su的值为“decided non-MCH”，然后广播更新的su到所有邻居，并且置FLAG2的值为“假”；否则将保存在节点u处的状态变量sv的初始值更新为非簇头“decided non-MCH”；
步骤2.6：若FLAG2的值为“真”，则返回步骤2.2，否则，结束。
MCH选举完成后，每个MCH节点u使用公式(6)计算它每个邻居j的SCH度量值：
从中选择具有最大SCH度量值的节点充当SCH，具体步骤为算法3。
算法3：SCH选举
下列步骤运行在任一MCH节点(如u)上
输入参数：所有的邻居信息
输出结果：SCH确认消息步骤3.1：针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)，初始化其对应的标签变量lv的状态为未邀请“uninvited”；
步骤3.2：定义变量SMmax用于保存所有非簇头节点的SCH度量值中的最大值，定义变量IDsch用于保存具有最大SCH度量值的非簇头节点的标识符；初始化SMmax为0，初始化IDsch为***(即节点运行的应用***及其支撑环境)最大值；
步骤3.3：针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)，若dv,u不大于Ru,intra且变量lv的状态为“uninvited”，则使用公式(6)计算节点v的SCH度量值SMv,u；
如果SMmax小于或等于SMv,u，且IDv小于IDsch，则将SMv,u和IDv分别赋值给SMmax和IDsch；否则SMmax和IDsch的值保持不变；
步骤3.4：MCH节点u发送“SCH邀请消息”给标识符为IDsch的邻居；
步骤3.5：若节点u监听到一个尚未接受它的邀请的邻居IDsch的“SCH接受消息”，则更新被邀请节点的标签变量的状态为已邀请“invited”，返回到步骤3.2；
步骤3.6：若节点u收到一个已接受它的邀请的邻居IDsch的“SCH接受消息”，则使用最大发射功率广播“SCH确认消息”。
下列步骤运行在任一非MCH节点(如v)上：
输入参数：所有的邻居信息
输出结果：SCH接受消息
步骤3.7：定义一个临时变量dmin用于保存一个簇内的非MCH节点与该簇内MCH节点之间距离的最小值；如果非MCH节点v收到任一MCH节点w的第一个“SCH邀请消息”，则置dmin等于dv,w，置IDmch等于IDw，设置定时器tζ的值为ζ，进入步骤3.8；
步骤3.8：在预设的时间ζ内，若收到任一MCH节点u的“SCH邀请消息”，并且dv,u小于dmin，则置dmin等于dv,u，置IDmch等于IDu；
步骤3.9：发送“SCH接受消息”给标识符为IDmch的邻居，设置定时器tθ的值为θ并且初始化布尔变量FLAG的值为“真”，进入步骤3.10；其中FLAG为控制标识，通过控制标识的状态控制算法的执行步骤；
步骤3.10：在预设的时间θ内，若从接受自己为SCH的MCH处收到“SCH确认消息”，则置FLAG的值为“假”；
步骤3.11：若FLAG的值为“真”，则进入算法4；若FLAG的值为“假”，则跳过算法4。
在算法4中，主要进行簇成员关系的确认，并附带选举一个簇成员充当FCH。簇成员的FCH度量值由公式(7)计算，具有最大FCH度量值的簇成员被选举为FCH节点。
在公式(7)中，FMw,v,u表示节点w的FCH度量值，该值由MCH节点u计算，并与MCH节点u对应的SCH节点v的位置相关；σw,v,u是表示节点w,v,u三者中两两之间距离的均方差，可使用公式(8)计算：
在公式(8)中，dw,v,u表示dw,u,dw,v和du,v这三个距离的平均值。
算法4：簇成员关联与FCH选举
下列步骤运行在任一非簇头节点(如w)上
输入参数：所有的邻居信息
输出结果：成员关联请求消息步骤4.1：针对非簇头节点w的Lw,nei中每个表项(IDu,du,w)，若标记变量su的状态为“decided MCH”，则初始化标识变量fu为未请求“unrequested”；
步骤4.2：初始化变量dmin和IDmch分别为***的最大实数和最大整数；
步骤4.3：针对Lw,nei中每个表项(IDu,du,w)，若fu等于“unrequested”且du,w小于或等于dmin，且IDu小于IDmch，则将du,w和IDu分别赋值给dmin和IDmch；
步骤4.4：发送“成员关联请求消息”给标识符为IDmch的MCH节点；
步骤4.5：若收到来自标识符为IDmch的MCH节点y的“成员关联列表消息”，且发现自身标识符，即节点w的ID不在“成员关联列表消息”中，并且重传次数未超过预设值，则将fy置为已请求“requested”，然后返回步骤4.2。
下列步骤运行在任一MCH节点(如u,其对应的SCH节点为v)上，
输入参数：所有的邻居信息
输出结果：成员关联列表消息4.6：若收到来自任一非簇头节点w的第一个“成员关联请求消息”，则使用公式(7)计算节点w的FCH度量值FMw,v,u，并且定义变量FMmax用于保存所有非簇头节点的FCH度量值中的最大值，定义变量IDfch用于保存具有最大FCH度量值的非簇头节点的标识符；置FMmax等于FMw,v,u，置IDfch等于IDw，并将IDw加入“成员关联列表消息”，设置定时器tφ的值为φ，进入步骤4.7；否则如果新的非簇头节想加入给定MCH所在簇，且簇成员数量小于阈值，则更新TDMA方案以便接纳新成员并加入“成员关联列表消息”，并且广播更新后的“成员关联列表消息”；
步骤4.7：在预设的时间φ内，如果收到来自任一非簇头节点x的“成员关联请求消息”，若簇成员数量小于预设值，则将IDx加入“成员关联列表消息”并且使用公式(7)计算节点x的FCH度量值FMx,v,u；若FMmax小于或等于FMx,v,u，且IDx小于IDfch，则置FMmax等于FMx,v,u，置IDfch等于IDx，进入步骤4.8；
步骤4.8：将宣布IDfch为FCH节点的信息加入“成员关联列表消息”中，设计TDMA方案，并加入“成员关联列表消息”并且广播“成员关联列表消息”。【设计TDMA方案，即新建TDMA方案，也就是规定簇内每个节点可以进行发送操作的时间槽】
在算法4中的步骤4.4，任一非簇头节点给指定MCH节点发送“成员关联请求消息”时，需要将自己与指定MCH节点对应的SCH节点的距离附带上，以便于指定MCH节点为其计算FCH度量值。
在簇形成过程完成后，可以使用公式(9)来调整簇内发射功率，包括FCH与MCH/SCH之间的发射功率调整，以及簇内成员与FCH之间的发射功率调整。
其中，为节点j的接收灵敏度，可取值为-85毫分贝。
算法5：FCH的发射功率调整，即FCH与MCH/SCH之间的发射功率调整
下列步骤运行在任一MCH节点(如u)上
输入参数：Nmax(一个预设常数，用于控制算法结束)
输出结果：无步骤5.1：MCH节点u初始化计数变量N为0；
步骤5.2：发送“功率调整请求包”给同一簇内的FCH节点w，并且设置定时器tσ的值为σ；
步骤5.3：在预设的时间σ内，若收到来自同一簇内的FCH节点w的“功率调整响应包”，则结束；
步骤5.4：若N<Nmax，则将变量N增1并返回步骤5.2；否则结束；
下列步骤运行在任一SCH节点(如v)上
输入参数：Nmax(一个预设常数，用于控制算法结束)
输出结果：无步骤5.5：若监听到来自同一簇内的MCH节点u的“功率调整请求包”，则初始化变量N为0；否则重新回到步骤5.5；
步骤5.6：发送“功率调整请求包”给同一簇内的FCH节点w并且设置定时器tρ的值为ρ，进入步骤5.7；
步骤5.7：在预设的时间ρ内，若收到同一簇内的FCH节点w的“功率调整响应包”，则结束；否则，进入步骤5.8；
步骤5.8：若N小于Nmax，则将变量N增1并返回步骤5.6；否则结束；
下列步骤运行在任一FCH节点(如w)上
输入参数：所有的邻居信息和一个很小的正实数ε
输出结果：调整后的能连通FCH与MCH/SCH的发射功率
步骤5.9：若节点收到来自同一簇内的MCH节点u的“功率调整请求包”，则根据公式(9)调整发射功率pt w,u并初始化布尔变量FLAG的值为“真”，并且设置定时器tψ的值为ψ；进入步骤5.10；
步骤5.10：在预设的时间ψ内，若收到来自同一簇内的SCH节点v的“功率调整请求包”，则根据公式(9)调整发射功率pt w,v；若pt w,u大于计算出来的pt w,v，则使用功率pt w,u广播“功率调整响应包”并置FLAG的值为“假”，否则使用功率pt w,v广播“功率调整响应包”并置FLAG的值为“假”；
步骤5.11：若FLAG的值为“真”，则使用功率pt w,u广播“功率调整响应包”；
步骤5.12：若节点w收到来自MCH节点u或SCH节点v的重复“功率调整请求包”，此时若FLAG为真，则将pt w,u增加ε，并使用更新的功率pt w,u广播“功率调整响应包”；否则若FLAG为假，且pt w,u大于pt w,v，则将pt w,u增加ε，并使用更新的功率pt w,u广播“功率调整响应包”，若FLAG为假，且pt w,u小于pt w,v，将pt w,v增加ε，并使用功率pt w,v广播“功率调整响应包”。
算法6：簇内成员的发射功率调整，即簇内成员与FCH之间的发射功率调整
下列步骤运行在任一FCH节点(如w)上
输入参数：所有的邻居信息
输出结果：无
步骤6.1：广播“功率调整请求包”到所有簇内成员；
步骤6.2：若收到来自任一簇内成员x“功率调整响应包”，则进入步骤6.3；
步骤6.3：将该簇内成员的标识符IDx加入“功率确认列表”，并且设置定时器tφ的值为φ，进入步骤6.4；
步骤6.4：在预设的时间φ内，若收到来自任一簇内成员y“功率调整响应包”，则将该簇内成员的标识符IDy加入“功率确认列表”；
步骤6.5：使用最大发射功率广播“功率确认列表”；
步骤6.6：若任一簇内成员x的“功率调整响应包”在时间段φ后到达，则返回步骤6.3；
下列步骤运行在任一簇内成员(如x)上
输入参数：所有的邻居信息和一个很小的正实数ε【ε可取十万分之一】；
输出结果：调整后的能连通簇内成员x与FCH的发射功率
步骤6.7：若收到来自同一簇内的FCH节点w的“功率调整请求包”，则根据公式(9)调整发射功率pt x,w，并且使用功率pt x,w发送“功率调整响应包”给FCH节点w；
步骤6.8：若收到来自同一簇内的FCH节点w的“功率确认列表”，并且如果自身，即节点x的标识符IDx不在“功率确认列表”中，则将pt x,w增加ε，并使用功率pt x,w发送“功率调整响应包”给FCH节点w，否则结束。
在本发明中，若融合簇头FCH先于主簇头MCH死亡，则主簇头可以承担数据融合簇头的工作，无需重新成簇。由算法4描述可知，一个簇内的成员本来就由该簇的主簇头来确认的，这确保了簇成员与它们的主簇头一定能连通。只有主簇头死亡，簇结构才会被破坏，这时才需要重新成簇。
有益效果
本发明的有益效果具体体现在以下几个方面：
1)本发明能够有效降低剩余能量值很大但最大通信覆盖范围很小的节点成为簇头的概率，并能根据网络中节点最大通信覆盖范围分布的变化而自适应地调整成簇范围，从而确保簇间总能连通。
2)本发明减轻了主通信簇头的负载、延长了其能量值高于阈值的持续时间，从而降低了重成簇频率、节省了重成簇开销。
3)本发明通过额外引入一个数据融合簇头来分担簇内主通信簇头的负载，以略微增加的簇形成控制开销取得了簇结构寿命的较大提升。
附图说明：
图1为平均发射功率随固定区域中节点数量的变化趋势
图2为平均路径跳数随固定区域中节点数量的变化趋势
图3为网络寿命随固定区域中节点数量的变化趋势
图4为网络连通率随固定区域中节点数量的变化趋势
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明(为方便表述，称为ICV-MIMO)与CMIMO方案在如下四个方面进行仿真比较：(1)非簇头节点的平均发射功率；(2)非簇头节点到基站的平均路径跳数；(3)网络寿命(以第一个主通信簇头死亡时，该簇内成员向基站发送数据的轮数为度量单位；在每一轮中，每个非簇头节点可以发送5个数据包，每个包长度为2000比特)；(4)网络连通率(以已连通的非簇头节点数与总节点数之比来度量)。簇间通信模式的选择要满足公式(10)计算的值最小化要求。
在公式(10)中，和Rb分别表示在簇间链路x→y上传输1比特数据所消耗的总能量和数据传输比特率，dx,y和αx,y分别是簇间链路x→y的长度和路径损耗指数，Mt和Mr分别是发射天线和接收天线的数量，γ(Mt,Mr)是四种通信模式之一的信噪比(Signal to NoiseRatio,SNR)阈值，C1,C2,C3,C4是特定电路参数，可由公式(11)得到。
公式(11)中的参数含义及取值参见表1描述。链路x→y上发射节点x和接收节点y的每比特数据能耗分别由公式(12)和(13)计算得到。
簇内通信的节点能耗也使用公式(12)和(13)计算，但由于通信距离较短，通常采用四种通信模式之一的SISO模式。
CMIMO方案的成簇半径分别取100、80和60米等三种值，因此分别表示为CMIMO-L、CMIMO-M、CMIMO-S。在本发明中，参数μ、we和wr分别取0.33、0.5和0.5。无线传感器节点随机部署在800米的方形平面区域内，一个基站位于该区域的最右边的中央，其它仿真参数见表1。
表1仿真参数设置
采用OMNeT++4.1网络仿真器得到图1至图4所示结果。图1显示了平均发射功率受节点数量影响的变化趋势。从中可以看到，三种CMIMO方案几乎不受影响，原因在于所有簇内成员都是分别采用了固定的成簇半径对应的功率。本发明方案的平均发射功率随节点数量增多而略呈减小趋势，这是因为本发明方案对簇内成员的发射功率根据其距簇头的距离进行了优化，且当同一区域内节点数量更多时，距离簇头更近的节点越多，因而簇内成员的平均发射功率会更小一些。
本发明方案的平均发射功率明显小于CMIMO-L方案，原因在于本发明方案的平均簇半径明显小于CMIMO-L方案，且簇内成员的发射功率也进行了优化调整，其平均值小于成簇半径对应的发射功率。但与CMIMO-S方案相比，优势明显缩小，这是因为本发明方案的平均簇半径明显大于CMIMO-S方案。本发明方案与CMIMO-M方案的成簇半径比较接近，因此，这两者的平均发射功率更具可比性。从中可以看到，本发明方案明显胜过CMIMO-M方案，并且优势随节点数的增多而更加明显。
图2显示节点数量的变化对平均路径跳数的影响很小，但是成簇半径却对平均路径跳数有较大影响。可以看到，当采用更小的成簇半径时，平均路径跳数更小一些(如CMIMO-S方案)，这是因为更小的成簇半径会产生更多的簇，在主通信簇头覆盖能力分布比较一致的条件下，网络中存在更多的簇意味着每个簇的主通信簇头可能拥有更多邻居主通信簇头，因而可能存在到基站的更多和更短路径。本发明方案的平均路径跳数在四种比较方案中是最短的，这是因为其它三种方案选择的主通信簇头的最大通信覆盖能力可能不理想，如选择了剩余能量值很充足但最大通信覆盖能力很弱的节点充当主簇头，导致簇间邻居数量的减少，因而到基站路径的选择余地减少。
图3比较了本发明方案和三种CMIMO方案所生成的簇结构的使用寿命。从中可以看到，本发明方案生成的簇结构的使用寿命最长，这是因为本发明方案能够使得网络中各节点的能耗更加均衡，特别是数据融合由一个专门的融合簇头负责，因而均衡了同一簇内各个簇头之间的负载，避免了主通信簇头过早死亡。在其它三种方案中，成簇半径最小的方案(如CMIMO-S方案)的网络寿命相对最长，这主要是因为小的成簇半径导致的簇增多有利于均衡网络能耗。
图4显示了四种方案的网络连通性都达到了100％。即使这样，CMIMO方案由于需要事先指定成簇半径，当指定值过大时，网络连通性可能无法达到100％。主要原因是，第一，当CMIMO方案的成簇半径很大时，确保簇间连通的平均簇间通信距离也将很大，然而，CMIMO方案依据最大RBL值来选择主通信簇头，可能存在选择的主通信簇头尽管RBL值最大但通信覆盖范围很小，因而无法确保簇间一定连通。第二，更大的成簇半径会增加通信覆盖能力弱的节点无法与簇头连通的概率，尤其是当这样的节点位于簇的边缘区域时。本发明方案能根据网络中节点最大通信覆盖能力分布的实时信息自适应确定成簇半径，无需事先指定，因而总能确保网络连通性达到了100％。
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Claims (8)

1.一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信“节点对”负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；
成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功率调整与通信模式选择三个阶段；
在簇形成阶段依次执行邻居发现、MCH选举、SCH选举、簇成员关联与FCH选举四个算法；
定义如下消息格式以便于相互交换信息：[IDt,et,pt,max,dt,max,Lt,nei＝{…,(IDi,di,t),…}]，其中，IDt,et,pt,max,dt,max和Lt,nei分别是节点t的标识符、剩余电池量、最大发射功率、近似最大通信覆盖范围和邻居列表；节点t的邻居列表Lt,nei中的表项(IDi,di,t)由该邻居i的标识符IDi和它到节点t的距离di,t组成；任意两个节点i和j间的距离di,j可使用公式(1)得到：
在公式(1)中，pt i,j是节点i向节点j发射数据时的发射功率，pr i,j是节点i向节点j发射数据时节点j的接收功率；Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益；ht和hr分别为发射天线和接收天线高度；λ为载波信号波长；L为***损耗因子；dcrossover表示交叉距离，使用公式(2)计算：
所述邻居发现算法为：
在任一节点u上运行下列步骤：
步骤1.1：输入控制参数Nmax；初始化变量Lu,nei为空，du,max和计数变量N分别为0；
步骤1.2：节点u使用CSMA/CA竞争接入信道，若成功接入到信道，则用最大发射功率pu,max广播消息“[IDu,eu,pu,max,du,max,Lu,nei]”，设置定时器tΔ的值为Δ，并且初始化布尔变量FLAG1和FLAG2的值分别为“假”，进入步骤1.3；若没有成功接入信道，则重新进行步骤1.2；
步骤1.3：在预设的时间Δ内，若节点u收到任一节点v的消息“[IDv,ev,pv,max,dv,max,Lv,nei]”，且v不在Lu,nei中，则记录接收功率pr v,u并使用公式(1)计算距离dv,u.，并且将(IDv,dv,u)添加到Lu,nei中；若du,max小于计算出来的dv,u，则将dv,u赋值给du,max，并且置FLAG1的值为“真”；
步骤1.4：在预设的时间Δ内，若节点u收到任一节点v的消息“[IDv,ev,pv,max,dv,max,Lv,nei]”，且u不在Lv,nei中，则置FLAG2的值为“真”；
步骤1.5：若FLAG2的值为“真”，则将N的值增加1；
步骤1.6：若N小于Nmax且FLAG1的值或者FLAG2的值中任一个为真，则返回步骤1.2；否则结束，并输出节点u的所有邻居的标识符；
所述MCH选举算法基于执行邻居发现算法得到的节点u的所有邻居的标识符信息，使用公式(3)和(4)计算节点u的成簇半径Ru,intra，并且使用公式(5)计算节点u的MCH度量值MMu；选择具有最大MCH度量值的节点作为MCH；
Ru,intra＝μ·Ru,av (4)
在公式(3)中，Ru,av表示节点u邻域范围内所有节点的近似最大通信覆盖范围的平均值，|Lu,nei|表示节点u的邻居列表中的邻居数量；若节点u成为MCH，它将使用公式(4)计算它所在簇的簇半径Ru,intra；在公式(4)中，μ是一个折扣系数，取值范围为0<μ<1，通常μ近似取1/3；在公式(5)中，we和wr分别是能量权值和通信覆盖范围权值，其取值范围为0<we<1，0<wr<1,we+wr＝1；eref和dref分别是参考能量值和参考覆盖范围值；
所述SCH选举算法为：在MCH选举完成后，每个MCH节点u使用公式(6)计算它每个邻居j的SCH度量值，从中选择具有最大SCH度量值的节点充当SCH；
所述簇成员关联与FCH选举算法，用于进行簇成员关系的确认，并由公式(7)计算簇成员的FCH度量值，选举具有最大FCH度量值的簇成员作为FCH节点；
在公式(7)中，FMw,v,u表示节点w的FCH度量值，该值由MCH节点u计算，并与MCH节点u对应的SCH节点v的位置相关；σw,v,u是表示节点w,v,u三者中两两之间距离的均方差。
2.根据权利要求1所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，所述MCH选举算法包括以下步骤：
在任一节点u上运行下列步骤：
步骤2.1：输入节点u的所有邻居信息；定义一个指示节点u是否成为MCH的标记变量su，初始化变量su的值为未选举“undecided”，针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)，初始化其对应的标记变量sv为“undecided”；使用公式(3)和(4)计算节点u的成簇半径Ru,intra，并且使用公式(5)计算节点u的MCH度量值MMu；
步骤2.2：节点u初始化布尔变量FLAG1的值为“真”；
步骤2.3：针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)进行判断，若sv的状态为“undecided”且dv,u不大于Ru,intra，则使用公式(5)计算节点v的MCH度量值MMv；若MMu小于或等于MMv，且IDu大于IDv，则置FLAG1的值为“假”；
步骤2.4：若FLAG1的值为“真”，则确定自身，即节点u成为MCH并更新su的状态为选举为簇头“decided MCH”，并且广播更新的su到所有邻居，算法结束；否则若FLAG1的值为“假”，则设置定时器tτ的值为τ和初始化布尔变量FLAG2的值为“真”，进入到步骤2.5；
步骤2.5：在预设的时间τ内，如果节点u收到任一节点v的状态变量sv，且状态变量sv的值为“decided MCH”，则更新状态变量su的值为非簇头“decided non-MCH”，然后广播更新的su到所有邻居，并且置FLAG2的值为“假”；否则将保存在节点u处的状态变量sv的初始值更新为“decided non-MCH”；
步骤2.6：若FLAG2的值为“真”，则返回步骤2.2，否则，结束。
3.根据权利要求2所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，所述SCH选举算法包括以下步骤：
(A)在任一MCH节点u上运行下列步骤：
步骤3.1：输入节点u的所有邻居信息，节点u针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)，初始化其对应的标签变量lv的状态为未邀请“uninvited”；
步骤3.2：定义变量SMmax用于保存所有非簇头节点的SCH度量值中的最大值，定义变量IDsch用于保存具有最大SCH度量值的非簇头节点的标识符；初始化SMmax为0，初始化IDsch为***最大值；
步骤3.3：针对Lu,nei中每个表项(IDv,dv,u)，若dv,u不大于Ru,intra且变量lv的状态为“uninvited”，则使用公式(6)计算节点v的SCH度量值SMv,u；
如果SMmax小于或等于SMv,u，且IDv小于IDsch，则将SMv,u和IDv分别赋值给SMmax和IDsch；否则SMmax和IDsch的值保持不变；
步骤3.4：MCH节点u发送“SCH邀请消息”给标识符为IDsch的邻居；
步骤3.5：若节点u监听到一个尚未接受它的邀请的邻居IDsch的“SCH接受消息”，则更新被邀请节点的标签变量的状态为已邀请“invited”，返回到步骤3.2；
步骤3.6：若节点u收到一个已接受它的邀请的邻居IDsch的“SCH接受消息”，则使用最大发射功率广播“SCH确认消息”；
(B)在任一非MCH节点v上运行下列步骤：
步骤3.7：输入节点v的所有邻居信息；定义一个临时变量dmin用于保存一个簇内的非MCH节点与该簇内MCH节点之间距离的最小值；如果非MCH节点v收到任一MCH节点w的第一个“SCH邀请消息”，则置dmin等于dv,w，置IDmch等于IDw，设置定时器tζ的值为ζ，进入步骤3.8；
步骤3.8：在预设的时间ζ内，若收到任一MCH节点u的“SCH邀请消息”，并且dv,u小于dmin，则置dmin等于dv,u，置IDmch等于IDu；
步骤3.9：发送“SCH接受消息”给标识符为IDmch的邻居，设置定时器tθ的值为θ并且初始化布尔变量FLAG的值为“真”，进入步骤3.10；
步骤3.10：在预设的时间θ内，若从接受自己为SCH的MCH处收到“SCH确认消息”，则置FLAG的值为“假”；
步骤3.11：若FLAG的值为“真”，则进行后续的簇成员关联与FCH选举算法；若FLAG的值为“假”，则跳过后续的簇成员关联与FCH选举算法。
4.根据权利要求3所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，所述簇成员关联与FCH选举算法包括以下步骤：
(A)在任一非簇头节点w上运行下列步骤：
步骤4.1：输入节点w的所有邻居信息，针对非簇头节点w的Lw,nei中每个表项(IDu,du,w)，若标记变量su的状态为“decided MCH”，则初始化标识变量fu为未请求“unrequested”；
步骤4.2：初始化变量dmin和IDmch分别为***的最大实数和最大整数；
步骤4.3：针对Lw,nei中每个表项(IDu,du,w)，若fu等于“unrequested”且du,w小于或等于dmin，且IDu小于IDmch，则将du,w和IDu分别赋值给dmin和IDmch；
步骤4.4：发送“成员关联请求消息”给标识符为IDmch的MCH节点；
步骤4.5：若收到来自标识符为IDmch的MCH节点y的“成员关联列表消息”，且发现自身标识符，即节点w的ID不在“成员关联列表消息”中，并且重传次数未超过预设值，则将fy置为已请求“requested”，然后返回步骤4.2；
(B)在任一MCH节点上运行下列步骤：
设MCH节点为节点u，其对应的SCH节点为v；
步骤4.6：输入节点u的所有邻居信息；若收到来自任一非簇头节点w的第一个“成员关联请求消息”，则使用公式(7)计算节点w的FCH度量值FMw,v,u，并且定义变量FMmax用于保存所有非簇头节点的FCH度量值中的最大值，定义变量IDfch用于保存具有最大FCH度量值的非簇头节点的标识符；置FMmax等于FMw,v,u，置IDfch等于IDw，并将IDw加入“成员关联列表消息”，设置定时器tφ的值为φ，进入步骤4.7；否则如果新的非簇头节想加入给定MCH所在簇，且簇成员数量小于阈值，则更新TDMA方案以便接纳新成员并加入“成员关联列表消息”，并且广播更新后的“成员关联列表消息”；
步骤4.7：在预设的时间φ内，如果收到来自任一非簇头节点x的“成员关联请求消息”，若簇成员数量小于预设值，则将IDx加入“成员关联列表消息”并且使用公式(7)计算节点x的FCH度量值FMx,v,u；若FMmax小于或等于FMx,v,u，且IDx小于IDfch，则置FMmax等于FMx,v,u，置IDfch等于IDx，进入步骤4.8；
步骤4.8：将宣布IDfch为FCH节点的信息加入“成员关联列表消息”中，设计TDMA方案，并加入“成员关联列表消息”并且广播“成员关联列表消息”。
5.根据权利要求4所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，簇形成阶段完成后，使用公式(9)调整簇内发射功率，包括调整FCH与MCH/SCH之间的发射功率调整，以及簇内成员与FCH之间的发射功率：
其中，为节点j的接收灵敏度。
6.根据权利要求5所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，FCH与MCH/SCH之间的发射功率调整包括以下步骤：
(A)在任一MCH节点u上运行下列步骤：
步骤5.1：输入控制参数Nmax；MCH节点u初始化计数变量N为0；
步骤5.2：发送“功率调整请求包”给同一簇内的FCH节点w，并且设置定时器tσ的值为σ；
步骤5.3：在预设的时间σ内，若收到来自同一簇内的FCH节点w的“功率调整响应包”，则结束；
步骤5.4：若N<Nmax，则将变量N增1并返回步骤5.2；否则结束；
(B)在任一SCH节点v上运行下列步骤：
步骤5.5：输入控制参数Nmax；若监听到来自同一簇内的MCH节点u的“功率调整请求包”，则初始化变量N为0；否则重新回到步骤5.5；
步骤5.6：发送“功率调整请求包”给同一簇内的FCH节点w并且设置定时器tρ的值为ρ，进入步骤5.7；
步骤5.7：在预设的时间ρ内，若收到同一簇内的FCH节点w的“功率调整响应包”，则结束；否则，进入步骤5.8；
步骤5.8：若N小于Nmax，则将变量N增1并返回步骤5.6；否则结束；
(C)在任一FCH节点w上运行下列步骤：
步骤5.9：输入节点w的所有邻居信息和一个很小的正实数ε；若节点收到来自同一簇内的MCH节点u的“功率调整请求包”，则根据公式(9)调整发射功率pt w,u并初始化布尔变量FLAG的值为“真”，并且设置定时器tψ的值为ψ；进入步骤5.10；
步骤5.10：在预设的时间ψ内，若收到来自同一簇内的SCH节点v的“功率调整请求包”，则根据公式(9)调整发射功率pt w,v；若pt w,u大于计算出来的pt w,v，则使用功率pt w,u广播“功率调整响应包”并置FLAG的值为“假”，否则使用功率pt w,v广播“功率调整响应包”并置FLAG的值为“假”；
步骤5.11：若FLAG的值为“真”，则使用功率pt w,u广播“功率调整响应包”；
步骤5.12：若节点w收到来自MCH节点u或SCH节点v的重复“功率调整请求包”，此时若FLAG为真，则将pt w,u增加ε，并使用更新的功率pt w,u广播“功率调整响应包”；否则若FLAG为假，且pt w,u大于pt w,v，则将pt w,u增加ε，并使用更新的功率pt w,u广播“功率调整响应包”，若FLAG为假，且pt w,u小于pt w,v，将pt w,v增加ε，并使用功率pt w,v广播“功率调整响应包”。
7.根据权利要求6所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，簇内成员与FCH之间的发射功率调整方法包括以下步骤：
(A)在任一FCH节点w上运行下列步骤：
步骤6.1：输入节点w的所有邻居信息；广播“功率调整请求包”到所有簇内成员；
步骤6.2：若收到来自任一簇内成员x“功率调整响应包”，则进入步骤6.3；
步骤6.3：将该簇内成员的标识符IDx加入“功率确认列表”，并且设置定时器tφ的值为φ，进入步骤6.4；
步骤6.4：在预设的时间φ内，若收到来自任一簇内成员y“功率调整响应包”，则将该簇内成员的标识符IDy加入“功率确认列表”；
步骤6.5：使用最大发射功率广播“功率确认列表”；
步骤6.6：若任一簇内成员x的“功率调整响应包”在时间段φ后到达，则返回步骤6.3；
(B)在任一簇内成员节点x上运行下列步骤：
步骤6.7：输入节点x的所有邻居信息和正实数ε；若收到来自同一簇内的FCH节点w的“功率调整请求包”，则根据公式(9)调整发射功率pt x,w，并且使用功率pt x,w发送“功率调整响应包”给FCH节点w；
步骤6.8：若收到来自同一簇内的FCH节点w的“功率确认列表”，并且如果自身，即节点x的标识符IDx不在“功率确认列表”中，则将pt x,w增加ε，并使用功率pt x,w发送“功率调整响应包”给FCH节点w，否则结束。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，若融合簇头FCH先于主簇头MCH死亡，则主簇头承担融合簇头FCH的工作。
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