本發(fā)明涉及一種Ad Hoc網(wǎng)絡分簇算法和路由協(xié)議的設計方法。

背景技術：

在Ad Hoc網(wǎng)絡中，路由協(xié)議是點對點通信的基礎，是網(wǎng)絡有效運行的可靠保障。主要包括網(wǎng)絡初始化，路由發(fā)現(xiàn)，路由響應，路由修復等內(nèi)容。目前主要通過研究網(wǎng)絡的分層結(jié)構(gòu)和路由發(fā)現(xiàn)機制來提升網(wǎng)絡的可擴展性和健壯性。分簇算法是分層協(xié)議中最重要、最基本的內(nèi)容，分簇算法和路由協(xié)議的好壞將直接影響Ad Hoc網(wǎng)絡的應用。

Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究成果有許多，但其也存在著一些問題。目前大多數(shù)研究只要集中在Ad Hoc網(wǎng)絡某方面的應用要求上，路由協(xié)議的適應性較差，且動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)是Ad Hoc網(wǎng)絡最大的特點之一，這一特點使得現(xiàn)有的路由協(xié)議在簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸路由的有效性等方面存在較大的不足。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明公開一種基于權重的分簇路由協(xié)議，協(xié)議采用一種移動性優(yōu)先的加權分簇算法，基于局部節(jié)點的相關性，使用移動節(jié)點之間單位時間內(nèi)的相對距離變化作為節(jié)點移動性的衡量指標，考慮網(wǎng)絡最佳節(jié)點度數(shù)、節(jié)點間的平均距離和節(jié)點的剩余能量對網(wǎng)絡性能的影響；對四種因素進行歸一化處理，使權值公式具有更為合理的加和性；運用層次分析法合理確定各因素的權重大小，利用節(jié)點權值的大小選舉簇頭。對路由搜索時采取的無限報文洪泛方式進行改進，對報文洪泛跳數(shù)進行限制。利用基于權值和路由跳數(shù)的最小聯(lián)合約束優(yōu)化路由選擇。本發(fā)明有效地提高了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且更為適合網(wǎng)絡規(guī)模較大、節(jié)點移動較為頻繁的Ad Hoc網(wǎng)絡；本發(fā)明為Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計提供了參考方案，具有一定的實際應用價值和社會經(jīng)濟效益。

附圖、表說明

圖1是本發(fā)明的網(wǎng)絡分簇流程圖。

圖2是本發(fā)明的洪泛方式的流程圖。

圖3是本發(fā)明的選擇最佳路由的流程圖。

圖4是本發(fā)明的路由發(fā)現(xiàn)流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施過程對本發(fā)明做進一步詳細說明。

Ad Hoc網(wǎng)絡運行前，首先經(jīng)過初始化組網(wǎng)，形成分層結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成后，當節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)。

本發(fā)明包括三個階段：網(wǎng)絡分簇、路由洪泛的限制、路由發(fā)現(xiàn)機制。

(1)網(wǎng)絡分簇

當網(wǎng)絡中有新節(jié)點加入或網(wǎng)絡開始成簇時，所有網(wǎng)絡中的節(jié)點通過發(fā)送hello消息以此來建立相互之間的鏈路，通過計算得到各因素的量化值，并對其進行歸一化處理。同時本發(fā)明設計的是移動性優(yōu)先的加權分簇算法，運用層次分析法得到各因素的權重，步驟如下：

第一步：節(jié)點間通過周期性的發(fā)送交互hello信息報文獲知鄰居節(jié)點的信息，得到每個節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)，作為它的度數(shù)d_i，其中hello信息報文攜帶節(jié)點ID，節(jié)點剩余能量，節(jié)點度，權值，所屬簇，鄰居信息表等；

第二步：用E_i表示節(jié)點i所消耗的能量，計算節(jié)點剩余能量的歸一化值E′_i＝E_i/E；

第三步：計算得到節(jié)點度與最佳節(jié)點度差值D_i，進而歸一化得到節(jié)點度的評價因子

第四步：利用雙反射模型中節(jié)點的收發(fā)功率與節(jié)點間距離的關系式計算節(jié)點i的所有鄰居節(jié)點到它的平均距離并歸一化處理得到

第五步：計算得到節(jié)點相對于其鄰居節(jié)點的相對移動性V_i，通過歸一化得到

第六步：每個節(jié)點i計算組合權值并將權值置于hello信息中廣播；

第七步：所有相鄰的節(jié)點通過比較權值，擁有最小權值的節(jié)點作為簇頭，并廣播消息宣布自己的簇頭地位。在權值相等的情況下，ID較小的節(jié)點具有優(yōu)先成為簇頭的權利。未知節(jié)點接收到某簇頭的廣播消息即成為該簇頭的成員節(jié)點，修改自己的所屬簇列表，并廣播至網(wǎng)絡，且自身不再參與簇頭選舉；

第八步：不斷重復前七步，直到整個網(wǎng)絡都處于統(tǒng)治集范圍內(nèi)。簇頭選舉流程如圖1所示。

(2)路由洪泛的限制

協(xié)議規(guī)定，在報文洪泛時，僅有簇頭節(jié)點參與轉(zhuǎn)發(fā)，在路由過程中，中間節(jié)點的數(shù)目也相對較少，因此在路由發(fā)現(xiàn)過程中，對路由的跳數(shù)進行限制，通過對其設置轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)閾值，減少洪泛次數(shù)，從而有效降低網(wǎng)絡中的冗余信息。

基于小世界現(xiàn)象的“6度分離”，在路由請求包中對最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)進行限制，初始時，該閾值設定為3，因為在路由請求過程中，從源節(jié)點到目的節(jié)點理論上最多轉(zhuǎn)發(fā)6跳，大多數(shù)目的節(jié)點集中在3至6跳之間，將閾值設定為最大值的一半相對而言較為合理。如果源節(jié)點與目的節(jié)點之間相距三跳之內(nèi)，通過此方式能夠快速找到目的節(jié)點，形成路由。如果在規(guī)定時間內(nèi)到達3跳，且沒有收到RREP分組，則將閾值加一，重新發(fā)起路由搜索。持續(xù)進行逐次查詢，如果閾值到達6跳，且沒有發(fā)現(xiàn)有效路由，則觸發(fā)報文洪泛進行路由發(fā)現(xiàn)，過程如圖2所示。優(yōu)化后的協(xié)議，在能夠保證路由發(fā)現(xiàn)正常進行的同時，盡可能地降低報文轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，進而降低網(wǎng)絡中由于報文洪泛所產(chǎn)生的冗余信息。

(3)路由發(fā)現(xiàn)機制

為了便于分析，給出以下定義：

定義1：θ＝{Path|存在的能夠到達目的節(jié)點的路徑}；

定義2：Φ＝{node|路徑中的所有節(jié)點}；

Path＝min_j∈θ(R_j) (2)

式中W_i為節(jié)點i的權值大小，R_j為帶有最大權值的路徑，Path表示所有可選路徑中最大的權值為最小的那條路徑。權值由節(jié)點間的hello交互信息得到。為了提高所選路徑的均衡性，引入路徑中間節(jié)點權值離散度這一概念：

M＝λW (3)

式中M為聯(lián)合約束，λ為離散系數(shù)(0＜λ＜1)，W為路徑中的節(jié)點的最大權值。對于路徑中間節(jié)點的權值W₁、W₂、W₃...W_n取平均值和標準差S_n：

平均值通常反映某組數(shù)據(jù)的總體水平，標準差反映相對于平均值，該組數(shù)據(jù)的離散程度。對標準差進行歸一化，進而得到離散系數(shù)λ(0＜λ＜1)：

綜合以上公式可得：

將公式(7)代入到(2)中，最終選擇的路徑Path是聯(lián)合約束最小的那一條。

通過權值的比較所選擇的路徑穩(wěn)定性較好，然而通過這種方式所選路徑不一定是最優(yōu)的路徑，當路徑a的聯(lián)合約束小于路徑b，同時，a的路由跳數(shù)遠遠大于路徑b，則通過路徑b進行數(shù)據(jù)傳輸時的路由距離和丟包率等方面優(yōu)于路徑a。因此，在路由選擇時還應同時考慮路由的長度，即路由跳數(shù)。對上述聯(lián)合約束進行改進，改進后的聯(lián)合最小約束為：

Path＝min_j∈θ(R_j×HOP_j) (8)

式中HOP_j表示第j條路由的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)。由公式(8)可得出最優(yōu)的路由選擇，從而提高路由性能，也使負載更加均衡，路由過程如圖3所示。整個協(xié)議的流程圖如圖4。

需要指出的是，本發(fā)明所訴的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的技術方案得出的其它實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。