CN115955680B - 一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法,所述方法包括网络分簇过程、相邻簇连通过程、相邻簇内路由建立过程以及非相邻簇路由建立过程。本发明采用分层路由策略，通过网络分簇和连通相邻簇的方式建立虚拟骨干网，利用虚拟骨干网承担路由功能，减少了承担路由功能的节点数量，同时设置路由选择域为相邻簇，进一步降低了路由方法的复杂度。此外，本发明综合考虑了节点连通度与能量指标，优先选取连通度高和能量多的节点成为骨干节点。仿真结果表明，与其他构建虚拟骨干网方案相比，本发明有效降低了虚拟骨干网的规模以及虚拟骨干网建立过程中的能量消耗。

Description

一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体是涉及一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法。

背景技术

自组织无线网络不同于蜂窝移动通信网和无线局域网，它不具有固定的控制中心设备，其中每个节点都是对等关系，承担路由转发功能。在自组织网络中，如果采用平面洪泛式路由机制，将会导致网络复杂度过大，占用大量网络资源，甚至导致网络的通信瘫痪。为解决这些问题很多研究者依据图论中的连通支配集理论，提出了虚拟骨干结构算法。其主要思想就是在网络中选择部分节点作为骨干节点，承担路由管理功能。

在图论中对于一个二维图G=(V,E)，其中V是N个节点的集合，E表示节点间的连接拓扑结构。连通支配集的定义如下，如果C是V的子集，v是V中的任意节点，c是C中的任意节点，当满足v属于C或者v是c的邻居节点，并且C中的所有节点构成连通图，则称C是图G的一个连通支配集。

将无线自组织网络抽象描述为一张二维图，在无线自组织网络建立虚拟骨干网可以抽象为在二维图中搜索连通支配集。目前在二维图中搜索连通支配集的算法有以下方案：

专利申请CN1917460A，涉及一种无线传感器网络中虚拟骨干网的分布式构造方法，该方法分两个阶段实现分布式的基于最小连通支配集的虚拟骨干网。第一阶段通过分簇算法构建极大独立集；第二阶段，簇首寻找网关节点连通其他簇首，形成连通支配集。该方法在建立虚拟骨干网的过程中只考虑的节点ID的不同，没有考虑其他属性，导致所生成的虚拟骨干网存在一定的随机性，虚拟骨干网规模较大、网络生存时间较短。

文献“Energy Efficient Distributed Connected Dominating SetsConstruction in Wireless Sensor Networks”（Zeng Yuanyuan, Jia Xiaohua, HeYanxiang. Proc. of the 2006 ACM International Conference on Communicationsand Mobile Computing. New York, USA: ACM Press, 2006.）中，作者所提出的能量高效的连通支配集构造方法在第一阶段使用染色方法求解一个极大独立集。算法在第二阶段使用贪婪方式选出一些连接节点，求解出连通支配集。该方法在建立虚拟骨干网的过程中考虑了节点权值与剩余能量，在一定程度上降低了虚拟骨干网规模，提升了网络的生存时间。但是该方法节点间信息交互较多，对同步也有一定要求。

专利申请CN114727354A，涉及一种基于虚拟骨干网的分簇最优链路状态路由方法。该方法利用虚拟骨干网代替传统的路由消息洪泛机制，降低了OLSR协议的路由开销。但是网络采用按表驱动的路由策略，在全网建立路由表，需要进行全网路由消息洪泛，路由开销较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，应用于不含控制中心设备的自组织无线网络；在建立虚拟骨干网的过程中，考虑节点连通度有效降低虚拟骨干网的规模，通过分簇连通的方式减少节点间信息交互次数降低能量消耗；采用分层路由策略，利用虚拟骨干网承担路由功能，同时设置路由选择域为相邻簇解决路由开销大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，步骤为：

步骤1、根据网络中每个节点的权值确定该节点的身份，对网络中所有节点进行分簇；

步骤2、根据连通规则，普通节点竞选连通节点身份，簇首节点根据参与竞选节点的权值及身份标识号ID的大小，判定连通节点身份并使本簇与其他簇连通，最终所有簇首节点与连通节点构成虚拟骨干网；所述簇首节点与连通节点称为骨干节点；

步骤3、设置路由选择域为相邻簇，相邻簇间通过连通节点交互成员信息并建立路由；

步骤4、路由选择域外，缺少到达非相邻簇节点的路由信息时，由簇首节点通过虚拟骨干网发送路由请求，拥有对应路由信息的骨干节点响应路由请求，最终路由响应返回至簇首节点建立路由。

进一步的，步骤1中对网络节点进行分簇，具体为：

所有节点发送广播消息将唯一的身份标识号ID告知周围节点，每个节点获取一跳邻居ID，并计算其自身的连通度, 其中，连通度即一跳邻居的个数；

所有节点计算权值，其权值由如下公式得到：

；

其中，表示节点时刻的连通度，表示节点时刻的剩余能量，为取值范围从0到1的系数；

所有节点初始都作为簇首候选节点，发送广播消息将自身权值和ID告知周围节点，每个节点获取相邻候选节点权值并与自身权值对比；若自身权值最大，则将自身作为簇首节点；若相邻候选节点中的最大权值和自身权值相等，则此时存在多个节点拥有最大权值，对此考虑采用ID值大的节点作为簇首节点；簇首节点设立簇名称为簇首节点ID_Cluster并发送广播消息担任簇首；簇首节点的一跳邻居收到该广播消息后，发送成为普通节点以及所属簇名称的广播消息，普通节点不再参与簇首竞争；

最终所有节点确定身份后，网络节点划分为簇首节点和普通节点，簇首节点的一跳邻居节点为其簇成员节点，一个普通节点可以属于不同簇；普通节点记录自身所属的簇名称以及一跳邻居所属的簇名称。

进一步的，定义：两个簇拥有公共的簇成员节点，称两个簇的关系为直接相邻；两个簇无公共的簇成员节点，但存在两个簇的成员互为一跳邻居节点的情况，称两个簇的关系为间接相邻。

进一步的，步骤2中，相邻簇连通过程具体为：

簇首节点设置定时器，定时器的初值记作为；

直接相邻簇连通：簇成员节点发现自身属于多个簇，则发送一条广播消息，参与直接相邻簇的连通节点身份竞争；该广播消息包含权值及其连通的簇名称；簇首节点第一次收到直接相邻簇的连通节点身份竞争消息时，启动定时器，定时器计时结束则簇首停止接收直接相邻簇的连通节点身份竞争消息；簇首节点计算比对收到的竞争消息，对于连通相同簇的节点选取权值最高的节点担任连通节点；当存在多个节点拥有相同的最高权值时，选取ID值大的节点担任连通节点；最后，簇首节点发送广播，将连通节点的身份以及与本簇连通的其他簇名称告知簇内成员节点；

间接相邻簇连通：簇成员节点发现自身一跳邻居中存在间接相邻簇的簇成员节点，则发送一条广播消息，参与间接相邻簇的连通节点身份竞争；该广播消息包含权值及其连通的簇名称；簇首节点第一次收到间接相邻簇的连通节点身份竞争消息时，启动定时器，定时器计时结束则簇首停止接收间接相邻簇的连通节点身份竞争消息；簇首节点计算比对收到的竞争消息，对于连通相同簇的节点选取权值最高的节点担任连通节点；存在多个节点拥有相同的最高权值时，选取ID值大的节点担任连通节点；最后，簇首节点发送广播，将连通节点的身份以及与本簇连通的其他簇名称告知簇内成员节点。

进一步的，步骤3中相邻簇内路由建立步骤具体为：

直接相邻簇与间接相邻簇的簇首通过连通节点互相告知簇内成员信息，簇首与连通节点计算出相邻簇内的路由信息，路由信息包括目的节点ID、下一跳节点ID；其中，所述计算过程具体为：

簇首节点计算到达相邻簇簇首节点的路由信息，目的节点ID为相邻簇簇首节点ID，下一跳节点ID为连通两簇的连通节点ID；

簇首节点计算到达簇内成员的路由信息，目的节点ID为簇内成员节点ID，下一跳节点ID为簇内成员节点ID；

簇首节点计算到达相邻簇簇成员的路由信息，目的节点ID为相邻簇成员节点ID，下一跳节点ID为连通两簇的连通节点ID；

连通节点计算到达簇首节点的路由信息，目的节点ID为簇首节点ID，下一跳节点ID为簇首节点ID或其他连通节点ID；

连通节点计算到达普通节点的路由信息，目的节点ID为普通节点ID，下一跳节点ID为簇首节点ID或其他连通节点ID；

普通节点采用默认路由信息，下一跳节点ID为簇首节点ID。

进一步的，非相邻簇路由建立过程具体为：簇首节点广播一个路由请求到虚拟骨干网，该路由请求不断更新，记录其经过的所有骨干节点ID；

相邻骨干节点收到该路由请求后检查目的节点是否在自身路由表中；若该相邻骨干节点的路由表中不存在该目的节点，则将该路由请求转发至自身相邻的其他骨干节点；若该相邻骨干节点的路由表中存在该目的节点，该骨干节点产生一个路由应答，然后将其返回给源簇首节点；

其中，所述路由应答包括路由路径上所有骨干节点ID，骨干节点收到该应答后按照路由请求的原路径返回该信息，同时依据路由应答增加新的路由信息，包括目的节点ID，下一跳节点ID。

本发明所述的有益效果为：本发明采用分层路由策略，通过网络分簇和连通相邻簇的方式建立虚拟骨干网，并利用虚拟骨干网承担路由功能，减少了承担路由功能的节点数量；同时设置路由选择域为相邻簇，进一步降低了路由方法的复杂度。此外，本发明综合考虑了节点连通度与能量指标，优先选取连通度高和能量多的节点成为骨干节点，有效降低了虚拟骨干网的规模；通过分簇连通的方式减少节点间信息交互的次数降低能量消耗。

附图说明

图1为本发明所述的基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法的流程图；

图2为虚拟骨干网生成的示意图；

图3为采用本发明方法建立虚拟骨干网的规模与其它算法仿真结果的对比图；

图4为采用本发明方法建立虚拟骨干网的能量消耗与其它算法仿真结果的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

本发明所述的一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，所述方法步骤如图1所示：

步骤1、根据网络中每个节点的权值确定该节点的身份，对网络中所有节点进行分簇；

步骤2、根据连通规则，普通节点竞选连通节点身份，簇首节点根据参与竞选节点的权值及身份标识号ID的大小，判定连通节点身份并使本簇与其他簇连通，最终所有簇首节点与连通节点构成虚拟骨干网；所述簇首节点与连通节点称为骨干节点；

步骤3、设置路由选择域为相邻簇，相邻簇间通过连通节点交互成员信息并建立路由；

步骤4、路由选择域外，缺少到达非相邻簇节点的路由信息时，由簇首节点通过虚拟骨干网发送路由请求，拥有对应路由信息的骨干节点响应路由请求，最终路由响应返回至簇首节点建立路由。

以下对采用本方法生成虚拟骨干网及路由举例说明。

(1)每个节点都拥有唯一的ID号，如图2(a)所示；

(2)节点间相互发送广播，获取节点自身一跳邻居信息，并计算自身权值，权值最高的节点发送成为簇首节点消息，其邻居节点收到该信息后，发送退出簇首竞争，自身成为普通节点的消息。经过上述过程后，如图2(b)所示，节点3、4、8、10成为簇首节点，其余节点为普通节点，形成3个簇，簇名称分别为3_Cluster、4_Cluster、8_Cluster、10_Cluster；

(3)节点2为3_Cluster成员的同时，也为4_Cluster成员，所以节点2发送广播消息，标记自身成为连通节点，连通3_Cluster与4_Cluster。簇首节点3与簇首节点4收到该消息后，定时器计时结束前没有收到其他节点参与竞争的消息，节点3与节点4发送一条广播消息，告知簇内成员节点，3_Cluster与4_Cluster已经连通，连通节点为节点2；同理3_Cluster与10_Cluster通过连通节点6连通；节点2与节点7为不同簇的成员，且3_Cluster、4_Cluster与8_Cluster处于未连通状态，则节点2、节点7发送一条广播消息，标记自身成为连通节点，连通3_Cluster、4_Cluster与8_Cluster；节点3、节点4、节点8收到该消息后，定时器计时结束前没有收到其他节点参与竞争的消息，节点3、节点4和节点8发送一条广播消息，告知簇内成员节点，3_Cluster、4_Cluster与8_Cluster已经连通，连通节点为2、7。如图2(c)所示，节点2、7成为连通节点；

(4)所有连通节点与簇首节点组成整个网络的虚拟骨干网，如图2(c)所示，节点2、3、4、6、7、8、10为骨干节点；

(5)网络的路由选择域为相邻簇， 此时3_Cluster与10_Cluster为相邻簇，骨干节点3与骨干节点10通过骨干节点6交互簇内成员信息，并最终根据交互的信息，骨干节点3、6、10计算出到达3_Cluster与10_Cluste所有成员的路由信息。同理，骨干节点3、2、4、7、8计算出到达3_Cluster、4_Cluster与8_Cluster所有成员的路由信息；

(6)4_Cluster与10_Cluster并非相邻簇，处于路由选择域外，若骨干节点4向节点10发送信息，由于路由表中没有相应路径，此时进入路由搜寻阶段；骨干节点4向虚拟骨干网发送路由请求信息，此时由于骨干节点2的路由表中没有到达节点10的路由路径，所以会将该请求发送至相邻骨干节点3、7；骨干节点3的路由表中有达到节点10的路由路径，骨干节点3发起路由应答，按原路径将路由应答信息最终送回至骨干节点4；骨干节点2、骨干节点4根据该路由响应建立到达节点10的路由路径。

仿真结果

下面通过仿真实验来比较本发明的方法与能量高效的连通支配集构造方法的性能。实验模型由20至110个节点组成，他们随机分布在100米×100米的正方形区域内。无线通信模块将比特的数据发送米的距离需要消耗的能量如下所示：

；

其中，表示节点收发器发送数据时消耗的能量，表示发送电路发送数据消耗的能量，表示放大电路发送数据消耗的能量， 表示收发器发送单位比特数据消耗的能量，表示自由空间信道模型下放大器的能耗系数，表示多径衰落信道模型下放大器的能耗系数，为距离门限。

无线通信模块接收比特的数据需要消耗的能量如下所示：

；

其中，表示节点收发器接收数据消耗的能量， 表示接收电路接收数据消耗的能量，表示收发器接收单位比特数据消耗的能量。

本发明设置参数如下：节点通信覆盖半径为40米，为20米，所有节点初始能量为2焦耳，为0.5，数据包大小为400比特，为50纳焦耳/比特， 为10皮焦耳/比特/平方米，为0.0013皮焦耳/比特/四次方米，定时器设置为1秒，以保证每个潜在的连通节点都会参与竞争。

通过多次仿真实验，比较了本发明所提方案与传统能量高效的连通支配集构造方法所产生的虚拟骨干网规模与能量消耗。图3所示为节点规模从20逐步增加至110时，两种方法所产生的虚拟骨干网的规模变化趋势，从中可以看出本发明所提方法建立的虚拟骨干网规模较低。

图4所示为节点规模从20逐步增加至110时，两种方法建立虚拟骨干网时所产生的能量消耗对比，从中可以看出本发明所提方法在建立虚拟骨干网时消耗的能量较少。

以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据网络中每个节点的权值确定各节点的身份，对网络中所有节点进行分簇；其中，所述权值根据节点的连通度和剩余能量来确定；

步骤2、根据连通规则，普通节点竞选连通节点身份，簇首节点根据参与竞选节点的权值及身份标识号ID的大小，判定连通节点身份并使本簇与其他簇连通，最终所有簇首节点与连通节点构成虚拟骨干网，所述簇首节点与连通节点称为骨干节点；

步骤3、设置路由选择域为相邻簇，相邻簇间通过连通节点交互成员信息并建立路由；其中，如果两个簇拥有公共的簇成员节点，则两个簇为直接相邻簇；如果两个簇无公共的簇成员节点，但存在两个簇的成员互为一跳邻居节点的情况，则两个簇为间接相邻簇；

步骤4、路由选择域外，缺少到达非相邻簇节点的路由信息时，由簇首节点通过虚拟骨干网发送路由请求，拥有对应路由信息的骨干节点响应路由请求，最终路由响应返回至簇首节点建立路由。

2.根据权利要求1所述的一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，其特征在于，步骤1中对网络节点进行分簇，具体为：

所有节点发送广播消息将唯一的身份标识号ID告知周围节点，每个节点获取一跳邻居ID，并计算其自身的连通度；

所有节点计算权值，节点n的权值由如下公式得到：

；

其中，表示节点n在时刻的连通度，表示节点n在时刻的剩余能量，为取值范围从0到1的系数；

所有节点初始都作为簇首候选节点，发送广播消息将自身权值和ID告知周围节点，每个节点获取相邻候选节点权值并与自身权值对比；若自身权值最大，则将自身作为簇首节点；若相邻候选节点中的最大权值和自身权值相等，则采用ID值大的节点作为簇首节点；簇首节点设立簇名称为簇首节点ID_Cluster并发送广播消息担任簇首；簇首节点的一跳邻居收到该广播消息后，发送成为普通节点以及所属簇名称的广播消息，普通节点不再参与簇首竞争；

最终所有节点确定身份后，网络节点划分为簇首节点和普通节点，簇首节点的一跳邻居节点为其簇成员节点，一个普通节点可以属于不同簇；普通节点记录自身所属的簇名称以及一跳邻居所属的簇名称。

3.根据权利要求1所述的一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，其特征在于，步骤2中，相邻簇连通过程具体为：

簇首节点设置定时器，定时器的初值记作为；

直接相邻簇连通：簇成员节点发现自身属于多个簇，则发送一条广播消息，参与直接相邻簇的连通节点身份竞争；该广播消息包含权值及其连通的簇名称；簇首节点第一次收到直接相邻簇的连通节点身份竞争消息时，启动定时器，定时器计时结束则簇首停止接收直接相邻簇的连通节点身份竞争消息；簇首节点计算比对收到的竞争消息，对于连通相同簇的节点选取权值最高的节点担任连通节点；当存在多个节点拥有相同的最高权值时，选取ID值大的节点担任连通节点；最后，簇首节点发送广播，将连通节点的身份以及与本簇连通的其他簇名称告知簇内成员节点；

间接相邻簇连通：簇成员节点发现自身一跳邻居中存在间接相邻簇的簇成员节点，则发送一条广播消息，参与间接相邻簇的连通节点身份竞争；该广播消息包含权值及其连通的簇名称；簇首节点第一次收到间接相邻簇的连通节点身份竞争消息时，启动定时器，定时器计时结束则簇首停止接收间接相邻簇的连通节点身份竞争消息；簇首节点计算比对收到的竞争消息，对于连通相同簇的节点选取权值最高的节点担任连通节点；存在多个节点拥有相同的最高权值时，选取ID值大的节点担任连通节点；最后，簇首节点发送广播，将连通节点的身份以及与本簇连通的其他簇名称告知簇内成员节点。

4.根据权利要求1所述的一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，其特征在于，步骤3中相邻簇内路由建立步骤具体为：

直接相邻簇与间接相邻簇的簇首通过连通节点互相告知簇内成员信息，簇首与连通节点计算出相邻簇内的路由信息，路由信息包括目的节点ID、下一跳节点ID；其中，计算过程具体为：

簇首节点计算到达相邻簇簇首节点的路由信息，目的节点ID为相邻簇簇首节点ID，下一跳节点ID为连通两簇的连通节点ID；

簇首节点计算到达簇内成员的路由信息，目的节点ID为簇内成员节点ID，下一跳节点ID为簇内成员节点ID；

簇首节点计算到达相邻簇簇成员的路由信息，目的节点ID为相邻簇成员节点ID，下一跳节点ID为连通两簇的连通节点ID；

连通节点计算到达簇首节点的路由信息，目的节点ID为簇首节点ID，下一跳节点ID为簇首节点ID或其他连通节点ID；

连通节点计算到达普通节点的路由信息，目的节点ID为普通节点ID，下一跳节点ID为簇首节点ID或其他连通节点ID；

普通节点采用默认路由信息，下一跳节点ID为簇首节点ID。

5.根据权利要求1所述的一种基于分簇连通的虚拟骨干网建立及路由方法，其特征在于，非相邻簇路由建立过程具体为：

簇首节点广播一个路由请求到虚拟骨干网，该路由请求不断更新，记录其经过的所有骨干节点ID；

相邻骨干节点收到该路由请求后检查目的节点是否在自身路由表中；若该相邻骨干节点的路由表中不存在该目的节点，则将该路由请求转发至自身相邻的其他骨干节点；若该相邻骨干节点的路由表中存在该目的节点，该骨干节点产生一个路由应答，然后将其返回给源簇首节点；

其中，所述路由应答包括路由路径上所有骨干节点ID，骨干节点收到该应答后按照路由请求的原路径返回该信息，同时依据路由应答增加新的路由信息，包括目的节点ID，下一跳节点ID。

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