一种基于时空同步的抗动态网络自组织方法

技术领域

本发明属于无线电通信技术领域，具体涉及一种基于时空同步的抗动态网络自组织方法。

背景技术

在动态条件下，网络运行问题主要来自随着网络规模扩充，网络控制消息快速增长(xiaoxi)，挤压网络正常的数据传输。现有方法采用平面网络结构，网络中所有节点执行的本地表维护、拓扑认知、路由控制、流量管理等功能逻辑都是相同的。随着网络成员的增加，路由通信开销急剧增长，而移动自组织网络中通信资源十分有限，导致上层应用的可用带宽被不断消耗。同时由于节点自由移动，全网链路变化频率也随着网络规模的扩大而增大，单一节点的链路变化将引起全网所有节点的拓扑信息更新和路由重建，这也导致采用平面网络结构的移动自组织网络随着规模的扩大，网络控制消息急剧增加，相应地，节点通信传输的数据信息被大大缩减。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时空同步的抗动态网络自组织方法，利用数据链实现时间同步和位置信息交互，在动态条件下，减少网络控制消息开销，提高了节点通信传输的数据信息量，实现大规模网络的稳定自组织运行。

本发明的技术方案是，一种基于时空同步的抗动态网络自组织方法的具体步骤如下：

步骤一，建立网络分层架构：

网络架构采用分层结构，即将网络所有节点分成若干个簇，将簇看作一个单一通信实体，每个簇由簇首和若干个簇成员组成，簇首负责维持簇结构和为簇间通信提供支持；簇成员维护与簇首或本簇成员的正常通信；

初始簇结构生成原则，按照先声明先赢的方式进行簇首选举，在选举了一定数量的簇首之后，后声明的节点自动成为簇成员，且后声明的节点优先加入距离最近的簇首；

步骤二，基于空间基准的簇结构自维护：簇结构的自维护包括簇首维护和成员节点维护；

簇首维护是指，以同一簇节点间的平均相对距离为标准，进行簇首与副簇首的更新。

成员节点维护是指，成员节点如果连续一段时间没收到本簇簇首的广播消息，便认为与簇首失去联系，成员节点根据实际情况进行副簇首升任簇首或加入新簇的操作；同时，成员节点计算自身与本簇簇首的距离，当距离超过门限值的时候，该成员节点重新挑选距离更近的簇申请加入。

步骤一中，所述先声明是指，簇成员节点以簇首时间为网络时间基准，簇首之间则以自身标示号小的为时间基准；

步骤一中，所述选举是指，上电后，每一个节点监听信道中的网络信息，如果收到簇首广播的网络控制信息，则优先选择距离最近的簇首，并以簇成员身份加入该簇；若未收到其他簇首的广播信息，则自身声明为簇首。

步骤二中，簇首维护的步骤，所有节点计算自身到本簇其他成员节点的平均距离，计算值最小的为簇首，计算值次小的为副簇首；计算值表达式为：

式中，N——本簇成员个数

(X,Y,Z)——计算节点在经纬高坐标系中位置；

(x

d——平均距离。

步骤二中，簇首与副簇首的更新是指，簇内成员节点计算自身与簇内其他成员节点的距离，选择平均距离最小的成员节点作为簇首，选择平均距离次小的节点为副簇首，当簇首位置不满足平均距离最小时，主动广播满足平均距离最小的节点为簇首，同时将自身身份转为簇成员；当簇首脱离网络时，副簇首则将自身转为簇首，簇首更新后，网络挑选新的副簇首。

步骤二中，所述门限值取决于节点的通信距离，若节点最大通信距离为D，门限值R＝k*D，k一般取值为0.5～0.8。

本发明的有益效果是，本发明通过时间同步形成统一的网络时间，通过节点间的相对位置判断网络拓扑情况，并设计网络结构，通过位置信息变化情况设计网络运行控制，实现时间同步和位置信息交互，在动态条件下，减少网络控制消息开销，提高了节点通信传输的数据信息量，实现动态条件下大规模网络的稳定自组织运行。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于时空同步的抗动态网络自组织方法中分层网络架构示意图。

具体实施方式

下面结合说明附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

本发明一种基于时空同步的抗动态网络自组织方法的具体步骤如下：

步骤一，建立网络分层架构：

如图1所示，网络架构采用分层结构，即将网络所有节点分成若干个簇，将簇看作一个单一通信实体，每个簇由簇首和若干个簇成员组成，簇首负责维持簇结构和为簇间通信提供支持，将所有簇首组成的高一级网络称为骨干网络；簇成员只需要维护与簇首或本簇成员的正常通信即可，功能相对简单。

在初始簇结构生成阶段，结合被动分簇算法中“先声明先赢”的思想进行簇首选举，在选举了一定数量的簇首之后，后声明的节点自动成为簇成员，优先加入距离最近的簇首。簇成员节点以簇首时间为网络时间基准，簇首之间则以自身标示号小的为时间基准，从而建立全网统一时间，实现网络的无冲突数据传输。

选举：每一个节点上电后，监听信道中的网络信息，如果收到簇首广播的网络控制信息，优先选择距离最近的簇首，并以簇成员身份加入该簇；若未收到其他簇首的广播信息，则自身声明为簇首。

考虑到仅依靠相对位置划分簇容易造成簇密度分布不均匀进而影响网络性能，因此在初始簇形成阶段以及之后的簇维护阶段都对簇规模进行限制，即当簇成员达到一定规模之后，簇首不再接纳新成员的加入。

步骤二，基于空间基准的簇结构自维护：

网络分层架构建立后，节点使用基于位置信息的分簇算法思想，实现簇结构自组织维护。簇结构的自维护主要是为了解决初始分簇过程中簇首选举的随机性或因节点相对位置的改变导致的分层结构不合理。簇结构的自维护主要分为簇首维护与成员节点维护。

1)簇首维护

为减少通信过程中簇首能量消耗，并提高簇首与簇成员交互效率，以同一簇节点间的平均相对距离为标准，进行簇首与副簇首的更新。在簇首节点维护阶段，所有节点根据式2-1计算自身到本簇其他成员节点的平均距离，挑选计算值最小的为簇首。

式中，N——本簇成员个数；

(X,Y,Z)——计算节点在经纬高坐标系中位置；

(x

d——平均距离。

同时挑选计算值次小的为副簇首，副簇首用于在簇首位置不满足条件或簇首丢失的情况下接替原簇首完成任务。

簇首位置不满足条件(簇首与副簇首更新)：簇内每一个节点由公式(2-1)计算自身到簇内其他节点的平均距离，并进行广播。

簇内节点通过对比自身与簇内其他成员节点的距离d，选择平均距离最小的成员节点作为簇首，选择平均距离次小的节点为副簇首。当簇首位置不满足平均距离最小时，会主动广播满足平均距离最小的节点为簇首，同时将自身身份转为簇成员；当簇首由于其他原因脱离网络时，副簇首则将自身转为簇首。簇首更新后，网络挑选新的副簇首。

簇首不满足条件有两种情况：一是初始簇首声明时，簇首还不知道簇内其他成员的位置信息；二是由于节点的相对运动，平均距离最小的节点会随时间发生变动。

2)成员节点维护

成员节点如果连续一段时间没收到本簇簇首的广播消息，便认为与簇首失去联系，成员节点根据实际情况进行副簇首升任簇首或加入新簇的操作。同时，设置一个门限值R，用于将簇的半径控制在一个合理范围，在自组织维护阶段，成员节点计算自身与本簇簇首的相对距离d，当d超过门限值R的时候，该成员节点重新挑选距离更近的簇申请加入。

确定依据：门限值取决于节点的通信距离，若节点最大通信距离为D，门限值R＝k*D，k一般取值为0.5～0.8。