CN1738270A - 一种自组织网络骨干结构的构建方法 - Google Patents

Abstract

提供一种自组织网络骨干结构的构建方法，利用该构建方法，实现一种扩展率好和骨干结构规模小，并且网络***开销小的自组织网络，从而有效地提高网络的传输效率和网络性能。包括：将所有节点的起始节点类型设置为初始节点，初始节点周期性发出状态信息包；根据接收的相邻节点的状态信息包，将所有初始节点设置为骨干节点或附属节点；附属节点接收相邻节点的状态信息，并周期性发出“相邻节点状态信息包”；根据接收到的“相邻节点状态信息包”，骨干节点发起并和附属节点一起完成连通节点的设置；在完成连通节点的设置后，网络中的所有节点根据其当前周期接收的相邻节点的状态信息包和上个周期接收的相邻节点的状态信息包来调整节点的节点类型。

Description

一种自组织网络骨干结构的构建方法

技术领域

本发明涉及一种网络的构建方法，具体来说涉及一种自组织网络骨干结构的构建方法。

背景技术

网络从结构组成上可分为两大类：有固定基础结构的网络和无固定基础结构的网络。

有固定基础结构的网络中设有固定的、通过有线方式相互连接的网络节点，这些节点构成了网络的基本体系结构，如蜂窝网、本地无线接入网(WLAN)。蜂窝网中，基础网络结构由基站组成，以基站为中心，基站发射半径范围内的圆形(正六边形)区域构成一个“小区”，固定的均匀分布的基站共同实现网络对某地区的覆盖。用户移动设备与所处小区的基站直接建立连接，所有数据均通过基站转发给用户，基站之间一般通过有线的方式相互连接，基站配有专用的交换设备完成对用户数据的交换、转发。

本地无线接入网中，接入点AP(Access Point)构成了网络的基础结构。在每个AP的无线收发机覆盖范围内的移动终端可通过AP接入互联网络，所有的用户数据均通过AP转发。在此类无线网络中，移动终端和其通信范围内的“接入点”(基站、AP等)建立连接，所传输的业务数据均通过“接入点”处理转发。当终端从一个“接入点”的通信范围内移出并进入另一个“接入点”的通信范围内时，在新旧“接入点”之间发生切换，使它们能够在整个网络内连续的进行无缝通信。但位于***“接入点”覆盖范围之外的终端则无法与***建立联系，终端之间无法直接建立通信链路。整个网络的拓扑结构是固定的，由网络基础设备的分布而决定。

无固定基础结构的网络没有专用的“接入点”或者专用的交换设备，而是由一组用户终端自发形成的一种分布式的通信网络，被称为“自组织网络”(Ad hoc network)。

自组织网络被用于某些特殊的环境中，比如在会议室、办公室、教室和家庭等临时性环境或者是传统通信网络没有覆盖或无法正常工作的地区，建立用于信息的发布和共享的局域网络。由于没有固定的网络节点，因此需要构建一种新型的网络结构，其中没有固定基础结构，而由用户终端自发形成，是一种分布式的通信网络。

在自组织网络中，相邻终端之间的数据传递不需通过基站(或AP)等设备转发，而是在这两个终端之间直接建立“端到端”的通信链路。每个移动终端均具有路由交换功能，因此当非相邻终端需要通信时，终端自身可以动态地搜索有效路由，通过其他终端转发数据包，以“多跳”的方式将数据信息传递到最终目的终端。因此，自组织网络的特点在于“无中心接入”和“多跳”，与有中心接入并且是单跳网络的包含专用设备的固定基础结构的网络不同。

初始的自组织网络中，节点均属于同一类型，节点间的连通关系决定于节点间距离、信号发射机功率、天线增益、路径损耗、信号接收机灵敏度等物理指标参数，这时，我们称所有的节点为初始节点。如图1所示。

为降低自组织网络的***开销、提高网络路由效率、解决自组织网络的扩展性问题，可以根据节点间的相互连接关系，在网络中选取部分节点成为临时的区域中心(称为骨干节点)，负责其覆盖范围内的其他节点的***信息维护；其他节点称为附属节点。部分可连通骨干节点的附属节点被指定为连通节点，所有的骨干节点通过连通节点构成相互连通的网络，用以交换不同区域间的节点***信息，所有骨干节点和连通节点可完全覆盖整个网络。如图2所示，图中节点A、B、C、D、E为骨干节点，节点B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1为连通节点，其他节点为附属节点。骨干节点、连通节点、附属节点及其相互之间的连接关系构成了自组织网络的“虚拟骨干结构”。

在自组织网络的虚拟骨干结构中，当节点u、v相互传递数据时，若u、v相邻则直接传递，若u、v不相邻，则数据通过虚拟骨干结构转发。即：源节点将数据发送给其相邻的骨干节点，骨干节点在虚拟骨干结构中寻找“到与接收节点相邻的骨干节点的最短路径”，并发送数据给“与接收节点相邻的骨干节点”，再由“与接收节点相邻的骨干节点”把数据发送给接收节点。因此虚拟骨干结构决定了网络中任意两个节点间数据传递所用路由的长度(即：路由的跳数)。

具体来说，参见图2，在网络中，当附属节点S需要向附属节点K发送数据时，S首先发出路由问询包，查询到K的路由，由于K和S不相邻，因此将由S对应的骨干节点B转发这一路由问询包，依次的，其他收到这一路由问询包的骨干节点或者连通节点将继续转发此路由问询包(附属节点不转发)，直到K对应的骨干节点E收到路由问询包后，向节点S回答路由信息，进而建立从S到K的有效路由(S-B-B1-A-C2-C-C1-E-K)。

自组织网络中传输的信息可分为两类：数据信息、***信息。数据信息是指从源终端到目的终端传递的用户指定的数据；***信息则指除用户指定传送的数据以外的其他需要在网络中传播的信息，包括网络的状态信息、网络的时间同步信息、网络中的路由搜索维护信息等，这些信息均需要在网络的一定范围内广播。***信息的传播是网络开销的主要组成部分。网络开销随网络规模的扩大呈非线性的指数增长，因此当自组织网络的规模扩大时，必须对网络的***信息传播进行有效的控制，以保持网络开销在可接受的范围内。

在自组织网络的虚拟骨干结构中，评价一个虚拟骨干结构性能的指标主要包括：骨干结构的规模(骨干节点和连通节点的数量总和)、骨干结构的扩展率和建立骨干结构的开销(在建立过程中，所有节点发出的信息包的字节数总和)。其中骨干结构的扩展率S是指在网络的初始状态下(不建立骨干结构)，网络中任意两节点u、v间的最短路径长度为D_G(u，v)；建立骨干结构后，网络中u、v间的最短路径长度为D_G1(u，v)，其两者的比值，即 $S=\frac{1}{N^2}\underset{u,v=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_{G1}(u,v)}{D_G(u,v)}.$

在目前的自组织网络研究中，已提出了一些自组织网络骨干结构建立的方法。

在Peng-Jun Wan，Khaled M.Alzoubi，Ophir Fireder等发表于Journal of Communications and Networks，Vol4，No.1 March 2002的论文“Distributed Construction of Connected Dominating Setin Wireless Ad Hoc Networks”中，提出了一种用于自组织网络骨干网络构建的方法(方法1)。在该方法中，提出了一种连通节点的选择策略：即对所有的骨干节点都设置一个连通标志K，在初始状态K＝0。在骨干节点中选择一个骨干节点A，将其连通标志K设置为1，即K＝1。由骨干节点A发起连通节点的选择程序。对于任意K＝0的骨干节点B，搜索其附近K＝1的骨干节点中，选择一个距离骨干节点B最近的骨干节点C。然后，将骨干节点B到C之间的链路上的中间节点设置为连通节点。

在Khaled Alzoubi，Xiang-Yang Li，Yu Wang，Peng-Jun Wan，Ophir Frieder等发表于IEEE Transactions on Parallel andDistributed System，Vol.14，No.5，May 2003的论文“GeometricSpanners for Wireless Ad Hoc Networks”中，公开了一种用于自组织网络骨干网络构建的方法(方法2)。在该方法中，每个附属节点广播其到两跳之内的骨干节点的路由信息。当附属节点A发现其本身是连接骨干节点B和骨干节点C的中间节点，并且其他可以连接B和C的附属节点D的序号比A的序号大，则附属节点A设置自己为连通节点。

但是，在上述构建方法(1)中，构建的自组织网络虽然具有骨干结构的规模小和网络***开销小的优点，但是由于仅仅是保证所有的骨干节点连通，而没有保证任意三跳相邻的骨干节点间均存在连通链路，因此可能产生自组织网络的扩展率很大，不能保证网络有可靠的可控性。

而在上述构建方法(2)中，构建的自组织网络虽然具有收敛的扩展率，但是由于连通节点是由相关附属节点自行确定的。在相关附属节点间不相邻的情况下，容易造成在两个三跳之内相邻的两个骨干节点B和C之间可能存在多条连通链路，因而其骨干结构的规模较大，尤其是有很大的网络***开销。

通过图3对上述可能产生多条连通链路的情况进行说明。设u、v是骨干节点，w、x、s、t是辅助节点；在左图中，由于w、x不相邻，相互听不到其发出的信息包，造成w、x同时被设为连通u和v的连通节点；在右图中，w、x和s、t之间相互听不到其发出的信息包，造成w、x和s、t同时被设为连通u和v的连通节点。

为了满足自组织网络的规模越来越大的需要，需要提出一种新的自组织网络骨干结构的构建方法，以达到扩展率好，同时具有较小的骨干结构规模和网络***开销的效果。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种自组织网络骨干结构的构建方法，利用该构建方法，实现一种扩展率好和骨干结构规模小，并且网络***开销小的自组织网络，从而有效地提高网络的传输效率和网络性能。

根据本发明的一种自组织网络骨干结构的构建方法是一种在自组织网络的终端中，根据终端的基本特征参数，选择部分特定终端来构建网络骨干结构的方法，其包括：将所有节点的起始节点类型设置为初始节点，初始节点周期性发出状态信息包；根据接收的相邻节点的状态信息包，将所有初始节点设置为骨干节点或附属节点；附属节点接收相邻节点的状态信息，并周期性发出“相邻节点状态信息包”；根据接收到的“相邻节点状态信息包”，骨干节点发起并和附属节点一起完成连通节点的设置；在完成连通节点的设置后，网络中的所有节点根据其当前周期接收的相邻节点的状态信息包和上个周期接收的相邻节点的状态信息包来调整节点的节点类型。当完成节点类型调整且自组织网络中不存在初始节点时，就实现了自组织网络的构建过程。

根据本发明的另一个目的是提出一种自组织网络骨干结构的构建方法，在该方法中设置“广播节点”，用于降低该网络的网络开销。其包括步骤：当一个骨干节点保持为非“广播节点”状态持续时间R(R＞0)时，该骨干节点设置自己为“广播节点”，并发起“广播节点选择过程”，发送“广播节点搜索信息”(BQ)；当为非“广播节点”的连通节点收到BQ后，该连通节点将自身的网络唯一标识码写入“广播节点搜索信息”中的“转发节点1或2”域中，并向相邻连通节点或骨干节点转发该BQ；在另一为非“广播节点”的骨干节点收到该BQ时，该骨干节点设置自身为“广播节点”，将其自身的网络唯一标识码写入该BQ，并将该BQ转发给其相邻连通节点；同时根据其收到的BQ包中记录的“转发节点”域中的信息，向该域中的连通节点发送“广播节点确认信息”(BR)；在收到BR后，连通节点设置自己为“广播节点”。

通过参考以下结合附图的说明以及权利要求书中的内容，并且

随着对本发明的更全面的理解，本发明的其他目的及效果将回变得更加清楚和易于理解。

附图说明

以下将参照附图，通过实施例来详细地描述本发明，其中：

图1示出了现有的自组织网络骨干结构中初始节点的示意图；

图2示出了现有的自组织网络的骨干节点、附属节点和连通节点的示意图；

图3示出了现有的自组织网络构建方法中存在问题的示意图；

图4表示本发明的自组织网络的初始状态的示意图；

图5表示本发明的自组织网络的骨干节点和附属节点的示意图。

图6表示本发明的自组织网络的连通两个骨干节点的链路图；

图7表示本发明的自组织网络的连通节点的确定示意图；

图8表示本发明的一个实施例的自组织网络骨干结构的构建方法的流程图；

图9示出了本发明一个实施例的自组织网络骨干结构的构建方法中将初始节点设置为骨干节点和附属节点的流程图；

图10示出了根据本发明一个实施例的自组织网络骨干结构的构建方法中骨干节点发起并和附属节点一起来设置连通节点的流程图；

图11示出了根据本发明一个实施例的自组织网络骨干结构的构建方法中将非初始节点的节点类型调整流程图；

图12表示本发明的广播节点示意图(其中方形节点为广播节点)；

图13示出了本发明一个实施例的自组织网络骨干结构的构建方法中“广播节点”的生成流程图；

图14表示自组织网络骨干结构构建在网络协议层中；

图15表示本发明与现有技术在扩展率上的比较；

图16表示本发明与现有技术在网络规模上的比较；

图17表示本发明与现有技术在***开销上的比较；

图18表示本发明与现有技术在节点总数变化时广播节点数量的比较；

图19表示本发明与现有技术在节点总数变化时广播信息覆盖率的比较；

图20表示本发明与现有技术在传输半径变化时广播节点数量的比较；

图21表示本发明与现有技术在传输半径变化时广播信息覆盖率的比较；

具体实施方式

在自组织网络中，每个终端(即节点)均具有路由交换的功能，可发送和接收网络中传输的信息，两个相邻终端(即节点)可直接建立“端到端”的通信链路。在自组织网络中，“相邻节点”是指其间存在有物理连接的两个节点，在无线通信网络中，此种物理连接一般指无线连接。

在下文中，将结合附图对本发明提出的自组织网络骨干结构的构建方法进行详细描述。

本发明的网络骨干结构的构建方法特征包括：

1.将自组织网络中的终端分类为四种类型(初始节点、骨干节点、连通节点、附属节点)；节点的初始类型为初始节点；所有的骨干节点和连通节点构成网络的骨干结构；

2.每个节点周期性的(周期T＞0秒)发出其自己的状态信息包(包括其自己的网络唯一标识码、状态参数W、类型、自己对应的骨干节点的网络唯一标识码)；每个附属节点和连通节点收集其相邻节点的状态信息，并定期发出“邻居节点状态信息包”(包括其自己的网络唯一标识码ID、状态参数W、类型、其邻居节点的网络唯一标识码ID、其邻居节点对应的骨干节点的网络唯一标识码ID)；

3.状态参数W的内容包括：节点的所有邻居节点数量、节点当前的能量储备情况量化值、节点当前的运动速率、节点的历史传输成功率、节点当前的传输负荷情况量化值、节点当前的计算能力占用百分比，节点ID。

4.当初始节点的相邻节点中无骨干节点时，在所有相邻的初始节点中，满足选择规则K1(W)的初始节点将自己的类型设置为骨干节点，并发出自己的状态信息包；这里K1(W)可以是但不限于是：能量最大、存储能力最大、流量负荷最小、计算能力空闲最多、历史传输成功率最大、或者上述任意多个参量的加权值最大，当多个节点的上述参量相等时，则以ID最大或者ID最小为次要选择依据(上述参量为主要选择依据)。

5.我们以K1(W)为“ID最小”为例，在图4中，所有节点的ID依次标记为1、2……，所有节点均为“初始节点“，黑色连接线表示节点相邻。那么节点1和节点2会发现其满足“邻居节点中无骨干节点，且其自身满足“K1(W)——ID最小”的判据，因此节点1和节点2将设置自己为骨干节点，如图5所示。

6.当初始节点收到相邻的骨干节点发出的状态信息包时，则根据选择规则K2(W)，选择其中一个骨干节点作为自己对应的骨干节点，设置自己的类型为附属节点，并向此骨干节点发出“骨干节点选择信息包”，声明选择其为自己对应的骨干节点。这里K2(W)的含义与上述K1(W)类似，但在实际应用中两者的具体定义可以相同或者不同。例如，在规则K1(W)中，如果选择ID最大的为骨干节点，则在规则K2(W)中，既可以选择ID最大的为骨干节点，也可以选择ID最小的为骨干节点。

我们仍以K2(W)为“ID最小”为例，在图4所示网络中，节点3、4……12将分别收到骨干节点1和骨干节点2发出的状态信息包，进而设置自己为附属节点，并选择节点1或者节点2为其对应的骨干节点，如图5所示。

1.当骨干节点u收到其邻居附属节点发出的“邻居节点状态信息包”后，若计算得知在Q跳范围内(这里，Q可以取2，3，4……等，但为了减少网络的运行负担，取Q大于等于2且小于等于3为最佳方案)存在另一骨干节点v，并且u的网络唯一标识码比v的小，则确定节点u为唯一的连通节点选择过程的主动发起方(即设定方)，u在所有能连接u和v的链路中指定一条满足选择规则K3(W^P)的链路作为u和v之间的连接通路(这将保证连通骨干节点u和v的连通链路的唯一性)，并向这条链路上的节点发出“骨干节点通路选择包”，这条链路上的附属节点收到此“骨干节点通路选择包”后，将其自己设置为连通节点；选择规则K3(W^P)可以是：记可连通两个骨干节点的链路上的辅助节点的W值的算术平均值为W^P，则具有最小W^P值的被选择，或者具有最大W^P值的被选择。

上面以u的网络唯一标识码比v的小为例，说明了将节点u确定为连通节点选择过程的主动发起方，但也可以设定为当u的网络唯一标识码比v的大时，将节点u确定为连通节点选择过程的主动发起方。只要上述设定使得连通节点的选择只由一个骨干节点，而不是由多个骨干节点进行选择，就可保证连通骨干节点u和v的连通链路的唯一性。

7.这里我们以“节点的W等于节点ID，K3(W^P)为具有最小W^P值的被选择”的判据为例，在图6所示网络中，通过接收“邻居节点状态信息包”，骨干节点1和骨干节点2均可获知他们之间存在两条通路，分别通过节点3、8或者7、12；由于节点1的ID比节点2更小，因此将节点1作为连通节点选择过程的主动发起方，计算这两条链路的W^P值，并根据K3(W^P)规则选择节点3和节点8为连通节点，建立骨干节点1和骨干节点2之间的唯一连通链路。如图7所示。

8.上述骨干节点、附属节点、连通节点的设置是一个动态的过程。每个节点均周期性地接收其邻居的节点的状态信息包，并将当前所有的邻居节点信息记录在邻居节点列表中，当节点发现其邻居节点列表较上一周期的列表有M％的变化时，或者当辅助节点或者连通节点连续N次没有收到来自其对应的骨干节点发出的状态信息包时，则此节点设置自己的状态类型为初始节点并发出状态信息包；其中1≤M≤100，1＜N＜+∞；

图8是根据本发明的一个实施例的自组织网络骨干结构的构建方法的流程图。

在图8中，首先，在起始状态，将所有节点都设置为初始节点，并获取该节点的状态信息包(S10)；

然后，每个初始节点周期性(周期T＞0秒)地发出自身的状态信息包，同时每个初始节点周期性地接收相邻节点发送的状态信息包。在状态信息包中，初始节点的节点对应的骨干节点的网络唯一标识码都设置为空(步骤S20)。

接着，根据接收的相邻节点的状态信息包，将所有初始节点设置成骨干节点或附属节点(步骤S30)，其具体过程如图9所示。

在图9中，节点当前类型为初始节点，首先，判断是否收到相邻骨干节点的状态信息包(步骤S301)。

如果接收到相邻骨干节点的状态信息包，就根据选择规则K2(W)，在相邻骨干节点中选择一个满足选择规则K2(W)的骨干节点，将其作为该初始节点对应的骨干节点；同时，该初始节点将自己设置为附属节点，并在自己的状态信息包中加上该骨干节点的网络唯一标识码作为该附属节点的对应骨干节点的网络唯一标识码，对该附属节点的状态信息包进行相应修改。其中，选择规则K2(W)可以是依据最小W值选择或者最大W值选择，而是选择最小W值还是最大W值，则取决于网络构建中所关心的具体状态参数W的性质(步骤S302)。接着，该附属节点向该骨干节点发出“骨干节点选择信息包”(S303)，并周期性发出状态信息包(S307)。

如果没有接收到相邻骨干节点的状态信息包，则判断是否收到相邻初始节点的状态信息包(S304)。在没有接收到相邻初始节点的状态信息包时，该初始节点将自己设置为骨干节点，同时修改其状态信息包(S305)，并周期性地发出状态信息包(S307)。在接收到相邻初始节点的状态信息包时，就将该初始节点和所有相邻初始节点进行比较，判断其是否是满足选择规则K1(W)的初始节点。如果满足，就将自己设置为骨干节点，同时修改其状态信息包(S306)，否则就不对该初始节点进行设置，即将此节点基本类型保持为初始节点，同时周期性地发出状态信息包(S307)。其中，选择规则K1(W)可以是依据最小W值选择或者最大W值选择，而是选择最小W值还是最大W值则取决于网络构建中所关心的具体状态参数的性质。

在上述步骤完成之后，进行下一初始节点的节点类型设置。如此循环直至所有初始节点的节点类型均被设置成骨干节点或附属节点。

下面回到图8。在完成将所有初始节点设置成骨干节点或附属节点后，附属节点接收相邻节点的状态信息，并周期性的发出相邻节点状态信息(S40)。其中相邻节点状态信息包括：节点的网络唯一标识码、状态参数W、节点类型、相邻节点的网络唯一标识码和相邻节点对应的骨干节点的网络唯一标识码。

接下来，在接收到相邻节点状态信息后，骨干节点发起并和附属节点一起完成连通节点的设置(S50)，其具体设置过程如图10所示。

在图10中，节点u当前类型是骨干节点。首先，在接收到相邻节点状态信息(S501)后，经由路由搜索，该骨干节点u判断在两跳或者三跳范围内是否存在另外骨干节点(S502)。如果存在，就将节点u的网络唯一标识码与另外骨干节点的网络唯一标识码进行比较，从中选择网络唯一标识码大于骨干节点u的网络唯一标识码的骨干节点v(S503)。如果存在该种骨干节点v，就根据选择规则K3(W)，u在所有能连接u和v的链路中指定一条满足选择规则K3(W)的链路作为u和v之间的连接通路，并向这条链路上的节点发出“骨干节点通路选择包”(S504)。其中，选择规则K3(W)是选择连通两个骨干节点的链路上的辅助节点的W值的平均值W^P具有最小W^P值或者具有最大W^P值。而是选择最小W^P值还是最大W^P值取决于网络构建中所关心的具体状态参数的性质。

判断附属节点是否收到“骨干节点通路选择包”(S505)。在接收到“骨干节点通路选择包”后，附属节点将自己设置为连通节点(S506)，附属节点修改自身的状态信息包，并周期性地发出状态信息包(S507)。

在自组织网络中，还需要根据相邻节点的位置关系以及节点的现有资源状况，对网络中已经存在的非初始节点进行节点类型调整(S60)，其调整过程如图11所示。

在图11中，在自组织网络中，每个非初始节点均周期性的接收其相邻节点的“邻居状态信息包”，并记录当前所有相邻节点信息(步骤S601)。根据记录的所有相邻节点信息，该非初始节点将当前周期的相邻节点信息列表和记录的上一周期的相邻节点信息列表进行比较，判断是否有M％的变化(步骤S602)。如果存在，就将该节点设置为初始节点，并修改状态信息包(步骤S603)，否则保持原节点状况，不进行节点类型调整(步骤S606)。

根据接收的相邻节点信息，骨干节点判断其相邻节点中是否出现骨干节点(步骤S604)，如果出现，将该节点设置为初始节点，并修改状态信息包(步骤S603)，否则保持原节点状况，不进行节点类型调整(步骤S606)。

根据接收的相邻节点信息，判断该节点是否连续N次没有收到来自其对应的骨干节点发出的状态信息包(步骤S605)，如果是，将该节点设置为初始节点，并修改状态信息包(步骤S603)，否则保持原节点状况，不进行节点类型调整(步骤S606)。

在上述讨论中，M和N可以根据网络的具体应用环境而选择设定，且1≤M≤100，1＜N＜+∞。然后，依据上面对初始节点的处理方法，对该节点再次进行节点类型确定。

依据上述说明构建自组织网络骨干结构，当网络中的所有节点不存在初始节点且不需要进行调整时，就实现了整个自组织网络骨干结构的构建过程。

在本发明的构建自组织网络的方法中，为了获得更小的网络***开销，在节点的类型中还定义了一种附加状态类型“广播节点”。该附加状态类型可与节点的上述基本类型同时设置。“广播节点”只适合于所有骨干节点和连通节点。

下面结合附图来详细描述“广播节点”的确定流程。

当***信息被网络中的某节点S收到后，并且此***信息需要被转发，则只有当节点S为骨干节点或者连通节点时，节点S才转发此***信息；

确立广播节点：在图2所示的建立了骨干节点、附属节点和连通节点的网络结构中，任意两跳或者三跳相邻的骨干节点间均建立了连通链路。当网络中传输广播信息时，实际上我们只需选择网络中的全部骨干节点和部分连通节点作为广播节点，由广播节点转发一次广播信息，即可保证信息覆盖全网，如图12所示，图12中，方形节点为广播节点。。

图13示出了广播节点的生成流程图。

在图13中，首先，判决某骨干节点是否处于保持为非“广播节点”状态持续R时间(R＞0)状态(步骤S701)，如果是，就标记自己同时为“广播节点”，并向其相邻的连通节点发出“广播节点搜索信息”(记为BQ)(包括：广播节点选择序号、发起骨干节点，转发节点1，转发节点2)。骨干节点发起“广播节点选择”，该节点为此BQ的“发起骨干节点”(步骤S702)，否则进行下一个骨干节点的状态判决。

接着，判断接收到BQ的节点是否是广播节点(步骤S703)。

如果接收到该BQ的节点是广播节点时，该节点丢弃该BQ包(步骤S704)。

判断接收到该BQ的节点是否是连通节点(步骤S705)。如果接收到该BQ的节点是连通节点且其自身为非广播节点，就将其自己的网络唯一标识码写入BQ的“转发节点1(2)”域内、并向其相邻的连通节点或者骨干节点转发此BQ(步骤S706)。

判断接收到该BQ的节点是否是骨干节点(步骤S707)。如果接收到该BQ的节点是骨干节点M且其自身为非广播节点，则标记自己为广播节点，将其自己的网络唯一标识码写入BQ的“发起骨干节点”域、向其相邻的连通节点转发此BQ，同时M根据其收到的BQ包内记录的“转发节点1、2”的信息，向网络唯一标识码在“转发节点1(2)”域中的连通节点发送“广播节点确认信息”(记为BR)(步骤S708)。

接下来，收到该BR的连通节点设置自己为“广播节点”(S709)。

对于所有“广播节点”，当“广播节点”的基本状态类型(即骨干节点、连通节点)发生改变时，相应地将该节点附加类型设置为非“广播节点”(S710)。

在完成上述基本节点类型(初始节点、骨干节点、连通节点和附属节点)和附加类型节点(广播节点)的设置后，就实现了一种能够提高网络传输效率及降低网络***开销的自组织网络。

通常，自组织网络骨干结构的构建是在如图14所示的网络协议层中进行的。

我们仿真了三种算法的性能曲线，仿真条件如下：在100米×100米的区域均匀随机分布N个节点(10≤N≤100)，每个节点的的有效传输半径为40米，每个仿真数据点是100次重复仿真的算术平均值。

对于每组(N，R)参数，仿真100次，取统计平均值。仿真中，***的性能指标参数包括：广播节点数量、广播信息覆盖率，定义如下：

●广播节点数量：在网络中标记为“广播节点”的节点总数，等于每次广播信息传输中广播信息包被转发的次数；广播节点数量越少，广播所造成的网络资源开销越少。

●广播信息重复率：每个广播节点转发广播信息包时，其相邻的所有节点都能收到这一信息；在每次广播过程中，所有节点接收这一信息的次数总和与网络节点总数的比定义为广播信息重复率；此值越低，表明网络的广播节点分布更合理，***的广播开销越小，其理论理想下界为1。

图15～图21给出了当节点传输半径为25、40、55、70时，不同节点数量下，算法性能的比较。(AA代表文献[3]方法、BB代表文献[2]方法、CC代表本发明的方法)

有益效果

综上所述，根据本发明的一种自组织网络的构建方法，通过使用本发明中规定的策略来相应地确定节点的状态类型(包括基本状态类型和附加状态类型)来构建自组织网络的骨干结构。通过改进连通节点的设置策略，提供了一种扩展率好和骨干结构规模小，并且网络***开销小的自组织网络，从而有效地提高网络的传输效率和网络性能。

在自组织网路中选择其中部分节点作为“广播节点”。***信息中需要广播传送至全网中所有节点的，由“广播节点”负责转发传递，***信息中的其他信息则由骨干节点和连通节点负责转发传递。这样***信息的转发广播只通过特定节点(骨干节点、连通节点、广播节点)完成，降低了***信息的转发次数。而在传输网络中，***信息的传播是网络开销的主要组成部分，由此降低了网络的开销。

在根据本发明构建的自组织网络骨干结构中，具有分布式特点，适合于大规模自组织网络，在维护过程中具有自适应性，能保证网络中数据传输的效率和可靠性。

在本发明中，连通节点是由骨干节点中的一个(ID较大或者较小的一个)根据确定的规则而选择的，因此在u、v之间，只有一条连通链路上的中间节点被指定为连通节点，降低了虚拟骨干结构的规模。

本领域技术人员应该理解，本发明所公开的用于能够提高网络传输效率及降低网络***开销的自组织网络构建方法，可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种修改。在本说明书中公开的仅仅是示例，并不受限于此。本发明的保护范围应当由所属的权利要求书的内容确定。

Claims (23)

1、一种自组织网络骨干网络结构的构建方法，其包括步骤：

(a)将各节点设置为初始节点；

(b)各初始节点周期性发出状态信息包，且周期性接收相邻节点发出的状态信息包；

(c)根据接收的所述相邻节点的状态信息包，将所述初始节点设置为骨干节点或附属节点；

(d)根据接收到的相邻节点状态信息，仅由所述骨干节点中的一个骨干节点在所述附属节点中设定连通节点，通过该连通节点与其他骨干节点间构建骨干网络结构。

2、如权利要求1所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(c)进一步包括：

(c1)如果初始节点接收到相邻骨干节点发出的状态信息包，则选择其中一个骨干节点作为该初始节点对应的骨干节点，并将该初始节点设置为附属节点；

(c2)所述附属节点修改其状态信息包，并向所述对应的骨干节点发出“骨干节点选择信息包”。

3、如权利要求2所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(c)进一步包括：

(c3)在初始节点只接收到相邻初始节点发出的状态信息包且没有接收到相邻骨干节点发出的状态信息包时，则与所有相邻初始节点相比，将满足规定的规则的初始节点设置为骨干节点。

4、如权利要求3所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(c)进一步包括：

(c4)在初始节点没有接收到相邻节点发出的状态信息包以及相邻骨干节点发出的状态信息包，就将该初始节点设置为骨干节点。

5、如权利要求1、2、3或4所述的自组织网络骨干结构的构建方法中，其中在状态信息包中，初始节点所对应的骨干节点的网络唯一标识码为空。

6、如权利要求1所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(d)进一步包括：

(d1)根据骨干节点u接收的“相邻节点状态信息包”，路由搜索两跳至三跳范围内的另一骨干节点v；

(d2)如果骨干节点u的网络唯一标识码小于骨干节点v的网络唯一标识码，在u和v之间的所有链路中，骨干节点u指定一条满足选择预定规则的链路作为u和v之间的连接通路；

(d3)在选择完骨干节点u和v之间的连接通路后，骨干节点u向该连接通路上的附属节点发出“骨干节点通路选择包”；

(d4)在接收到“骨干节点通路选择包”后，该连接通路上的所有附属节点将自己设置为连通节点。

7、如权利要求1所述的自组织网络骨干结构的构建方法，进一步包括：

(e)在完成所述连通节点的设置后，根据所述相邻节点的位置关系以及所述各节点的现有资源状况，对网络中的非初始节点进行节点类型调整。

8、如权利要求7所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(e)进一步包括：

(e1)每个非初始节点都周期性地接收相邻节点的状态信息包并记录当前所有相邻节点信息；

(e2)所述每个非初始节点根据记录的所有相邻节点信息，比较当前周期的相邻节点信息和上一周期的相邻节点信息；当发现当前相邻节点列表较上一周期相邻节点列表超过规定的变化时，将该非初始节点调整为初始节点；

9、如权利要求7所述的自组织网络骨干结构的构建方法时，其中步骤(e)进一步包括：

(e4)当连通节点或附属节点连续N次没有收到其对应骨干节点发出的状态信息包时，将该连通节点或附属节点调整为初始节点。

10、如权利要求1、2、3和4所述的自组织网络骨干结构的构建方法中，其中所述状态信息包是节点在网络中的状态信息，包括节点的网络唯一标识码、状态参数W、节点类型、该节点所对应的骨干节点的网络唯一标识码。

11、如权利要求6所述的自组织网络骨干结构的构建方法中，其中状态参数W是节点的所有相邻节点数量、节点当前的能量储备情况量化值、节点当前的运动速率、节点的历史传输成功率、节点当前的传输负荷情况量化值、节点当前的计算能力占用百分比中之一，或者上述多个参数的加权平均值。

12.根据权利要求2所述的自组织网络骨干结构的构建方法，在所述步骤(c1)中，所述初始节点对所述骨干节点的选择，是选择作为状态参数的节点的所有邻居节点数量、节点当前的能量储备情况量化值、节点当前的运动速率、节点的历史传输成功率、节点当前的传输负荷情况量化值、节点当前的计算能力占用百分比，节点ID为最大值或最小值；或者选择节点的网络唯一标识码为最大值或最小值。

13.根据权利要求3所述的自组织网络骨干结构的构建方法，所述规定的规则是，选择作为状态参数的节点的所有邻居节点数量、节点当前的能量储备情况量化值、节点当前的运动速率、节点的历史传输成功率、节点当前的传输负荷情况量化值、节点当前的计算能力占用百分比，节点ID为最大值或最小值；或者选择节点的网络唯一标识码为最大值或最小值。

14、根据权利要求6所述的自组织网络骨干结构的构建方法，在步骤(d2)中，所述选择规则是：设可连通两个骨干节点的链路上的辅助节点的W值的算术平均值为W^P，则选择具有最小W^P值的辅助节点，或者选择具有最大W^P值的辅助节点，作为连通节点。

15、如权利要求1、2、3和4所述的自组织网络骨干结构的构建方法，还可以进一步包括步骤：

(h)在确定完自组织网络的节点基本类型后，在所有骨干节点和连通节点中选择部分节点作为“广播节点”。

16、如权利要求15所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(h)还可以包括：

(h1)当一个骨干节点保持为非“广播节点”状态持续时间R(R＞0)时，该骨干节点设置自己为“广播节点”，并发起“广播节点选择”。

17、如权利要求15所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(h)还可以包括：

(h2)“广播节点”的骨干节点向相邻连通节点发送“广播节点搜索信息”(BQ)；

(h3)在为非“广播节点”的连通节点收到BQ后，该连通节点将自身的网络唯一标识码写入“广播节点搜索信息”中的“转发节点1或2”域中，并向相邻连通节点或骨干节点转发该BQ；

(h4)在另一个为非“广播节点”的骨干节点接收到该BQ后，则该骨干节点设置自身为“广播节点”，将其自身的网络唯一标识码写入该BQ的“发起骨干节点”域，并将该BQ转发给其相邻连通节点；同时根据其收到的BQ包中记录的“转发节点”域中的信息，向该域中的连通节点发送“广播节点确认信息”(BR)；

(h5)收到BR的连通节点设置自己为“广播节点”。

18、如权利要求15所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中步骤(h)还可以包括：

(h6)假如收到BQ的节点是“广播节点”时，该节点丢弃该BQ信息。

19、如权利要求15所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中附加类型为“广播节点”的节点的基本类型只能是骨干节点或连通节点。

20、如权利要求1所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中节点接收的状态信息包和“相邻节点状态信息包”中的信息仅仅涉及该节点的两跳之内的相邻节点的状态信息。

21、如权利要求16所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中还可以包括步骤：

当“广播节点”的基本状态类型即骨干节点、连通节点发生变化时，将该节点设置为非“广播节点”。

22、如权利要求16所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中所述“广播节点搜索信息”包括广播节点选择序号、发起骨干节点域，转发节点域；其中发起骨干节点域中存储发起BQ的骨干节点信息，转发节点域中存储转发BQ的连通节点信息。

23、如权利要求15或16所述的自组织网络骨干结构的构建方法，其中***信息只能通过“广播节点”、骨干节点和连通节点转发。

Images