一種具有小世界特征manet的拓?fù)淇刂品椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒ǎú杉我鈺r(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的位置信息、信號(hào)傳輸半徑的選取機(jī)制、大功率射頻裝置優(yōu)先啟用機(jī)制，具體步驟為：首先通過構(gòu)建單跳鄰居信息表獲得鄰接矩陣，將鄰接矩陣導(dǎo)入MATLAB中計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，其次是遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，把滿足條件的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率射頻裝置，最后是把信號(hào)傳輸半徑的選取轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的選取。本發(fā)明在節(jié)約能量，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，降低相互干擾，提高吞吐量的情況下保證MANET網(wǎng)絡(luò)的全連通。
【專利說明】一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MANET的拓?fù)淇刂?，具體地指一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒?，屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]MANET (Mobile Ad hoc network，節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的Ad hoc網(wǎng)絡(luò))拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是:在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通性的前提下，采取有效的措施進(jìn)行拓?fù)淇刂?，形成?yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善網(wǎng)絡(luò)的整體性能。如果沒有拓?fù)淇刂?，所有?jié)點(diǎn)都會(huì)以最大無線傳輸功率工作。這種情況下會(huì)產(chǎn)生如下問題:節(jié)點(diǎn)能量消耗過快，降低網(wǎng)絡(luò)生存周期；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于密集，影響通信質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒘看螅酚捎?jì)算復(fù)雜。因此，需要研究MANET的拓?fù)淇刂茊栴}，通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來獲得優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠節(jié)約能量，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，降低相互干擾，提高吞吐量。
[0003]復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的熱門學(xué)科，引起了許多專家學(xué)者的注意。小世界模型和無標(biāo)度模型的提出在極大的推動(dòng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基本理論研究的同時(shí)，也給無線網(wǎng)絡(luò)的研究打開了一個(gè)全新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的而提供一種具有小世界特征MANET的拓?fù)淇刂品椒?，本方法結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和MANET的相關(guān)特性，能夠在保證網(wǎng)絡(luò)連通性的情況下,找到最小的傳輸半徑，提高能量的利用率。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是:一種具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ鼍哂行∈澜缣卣鱉ANET是通過添加長(zhǎng)連接的方式來實(shí)現(xiàn)的，該具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓢?
[0006](1)采集任意時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的位置信息，通過所述位置信息構(gòu)建單跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息表，通過所述單跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息表獲得鄰接矩陣，在所述鄰接矩陣中統(tǒng)計(jì)單跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息；
[0007](2)確定信號(hào)傳輸半徑的選取機(jī)制；
[0008](3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，然后遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，在遍歷過程中按照以下方法進(jìn)行大功率啟用:如果存在孤立節(jié)點(diǎn)，則將所述孤立節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率；如果不存在孤立節(jié)點(diǎn)，則判斷是否存在孤島現(xiàn)象，如果存在孤島現(xiàn)象，則將孤島中聚類系數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用，如果不存在孤島現(xiàn)象，則聚類系數(shù)大于閾值的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟動(dòng)大功率。
[0009]本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0010]1、通過構(gòu)建具有小世界特征的MANET，使無線網(wǎng)絡(luò)具有較小的平均路徑長(zhǎng)度和較大的聚類系數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)具有較高的連通性，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
[0011]2、本發(fā)明方法對(duì)于連通圖，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)，減少路由代價(jià)；對(duì)于非連通圖，使平均路徑長(zhǎng)度銳減，消除了網(wǎng)絡(luò)的孤島現(xiàn)象，提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
[0012]3、本方法能夠在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的前提下，提高能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，進(jìn)而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)總體性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǖ牧鞒虉D。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0015]本實(shí)施例首先分析MANET的復(fù)雜統(tǒng)計(jì)特性，以說明MANET具備小世界特征及無標(biāo)度特性，即可利用多射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建小世界MANET。
[0016]MANET的復(fù)雜統(tǒng)計(jì)特性及無標(biāo)度特性分析通過理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)行分析，對(duì)MANET的平均路徑長(zhǎng)度、聚類系數(shù)和平均度以及度分布進(jìn)行研究，具體步驟如下所示:
[0017](I)、確定實(shí)驗(yàn)仿真模型及其移動(dòng)場(chǎng)景參數(shù)，選擇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、信號(hào)傳輸半徑、仿真區(qū)域面積作為實(shí)驗(yàn)仿真變量。
[0018](2)、由于節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)移動(dòng)，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌矔r(shí)變化，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)拓?fù)?，隨機(jī)選取網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)刻。為了減少實(shí)驗(yàn)仿真誤差，可隨機(jī)選取多個(gè)時(shí)刻，研究其統(tǒng)計(jì)特性。
[0019](3)、確定節(jié)點(diǎn)的初始信號(hào)傳輸半徑，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)距離。判斷并記錄節(jié)點(diǎn)間的連接系數(shù)，繼而得到對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣。
[0020](4)、將得到的鄰接矩陣導(dǎo)入到MATLAB中，利用MATLAB分別計(jì)算平均路徑長(zhǎng)度、聚類系數(shù)、平均度的值，同時(shí)得到網(wǎng)絡(luò)的度分布情況。此處可進(jìn)行多個(gè)時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻的參數(shù)值，通過取平均值以減小實(shí)驗(yàn)誤差。
[0021](5)、針對(duì)平均路徑長(zhǎng)度和聚類系數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)MANET的小世界特征進(jìn)行分析；針對(duì)平均度和度分布的變化規(guī)律，對(duì)MANET的無標(biāo)度特征進(jìn)行分析。分析得出MANET具備小世界特征及無標(biāo)度特性，因此，可以利用多射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建小世界MANET。
[0022]本實(shí)施例通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建小世界MANET的可行性。
[0023](I)確定三種實(shí)驗(yàn)仿真模型一隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、單射頻無線網(wǎng)絡(luò)、多射頻無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)仿真變量依次為連接概率、信號(hào)傳輸半徑、長(zhǎng)射頻安裝比例。
[0024](2)改變實(shí)驗(yàn)仿真變量，統(tǒng)計(jì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真模型的平均路徑長(zhǎng)度、平均度和最大路徑長(zhǎng)度的變化情況。
[0025](3)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)和單射頻無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的差異性進(jìn)行分析；對(duì)比單射頻無線網(wǎng)絡(luò)和多射頻無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證多射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建小世界MANET的可行性。
[0026]因此，本發(fā)明通過多射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建小世界MANET，本實(shí)施例中，多射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建小世界MANET是通過添加長(zhǎng)連接的方式來實(shí)現(xiàn)的，即在網(wǎng)絡(luò)中按照一定比例任意選取的節(jié)點(diǎn)加裝比普通射頻傳輸距離遠(yuǎn)的射頻裝置。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，包括以下步驟:
[0028]S100、信息采集，拓?fù)淇刂品椒ㄖ惺紫纫獙?duì)網(wǎng)絡(luò)的信息進(jìn)行采集，記錄網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的位置信息，掌握任意時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，?shí)現(xiàn)步驟如下:[0029]S101:MANET的移動(dòng)模型是通過Visual C++編程實(shí)現(xiàn)的，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)的過程中，各節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位置信息通過數(shù)組存儲(chǔ)。
[0030]S102:設(shè)定節(jié)點(diǎn)的初始信號(hào)傳輸半徑，在某一給定時(shí)刻，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)i，如果節(jié)點(diǎn)j在節(jié)點(diǎn)i的信號(hào)傳輸半徑范圍之內(nèi)，則節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)，互為鄰居節(jié)點(diǎn)的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行直接通信。在全網(wǎng)范圍內(nèi)，依次統(tǒng)計(jì)所有節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建一跳鄰居信息表。
[0031]S103:根據(jù)一跳鄰居信息表得到鄰接矩陣。如果節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)，那么j — i的連接系數(shù)為1，否則為0。同樣地，如果節(jié)點(diǎn)i是節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)，那么i — j的連接系數(shù)為1，否則為0。很顯然，該鄰接矩陣得到的瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是一個(gè)有向圖，互為鄰居的節(jié)點(diǎn)之間才可以進(jìn)行直接通信。
[0032]S200、按照優(yōu)先啟用機(jī)制啟用小世界MANET大功率射頻的功率，具體包括以下步驟:
[0033]S201、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。
[0034]S202、如果某節(jié)點(diǎn)無法搜索到鄰居節(jié)點(diǎn)，即該節(jié)點(diǎn)為孤立節(jié)點(diǎn)，則將其優(yōu)先啟用大功率射頻裝置。
[0035]S203、計(jì)算節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，并將拓?fù)淇刂魄叭W(wǎng)的聚類系數(shù)定為聚類系數(shù)閥值，該閥值通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)求平均值得到。
[0036]S204、如果網(wǎng)絡(luò)中存在孤島現(xiàn)象，則將孤島現(xiàn)象中聚類系數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率射頻裝置。
[0037]S205、如果網(wǎng)絡(luò)全連通，則將聚類系數(shù)大于聚類系數(shù)閥值的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率射頻。
[0038]S300、由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和信號(hào)傳輸半徑是一個(gè)等價(jià)的概念，因此大功率射頻的功率選取機(jī)制也就是信號(hào)傳輸半徑的選取機(jī)制，本發(fā)明啟用大功率射頻的功率按照以下步驟進(jìn)行選擇。
[0039]S301:在MANET中定義連通率，并確定移動(dòng)場(chǎng)景:
[0040]1)本實(shí)施例對(duì)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)場(chǎng)景設(shè)置如下:節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100，網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域面積為 500mX500m，連接概率 p 取值依次是 0.01、0.05,0.1、0.15、0.2。
[0041]2)單射頻無線網(wǎng)絡(luò)和多射頻無線網(wǎng)絡(luò)選取RWP和RPGM移動(dòng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。RWP的移動(dòng)場(chǎng)景設(shè)置如下:仿真時(shí)間為700s，暫停時(shí)間為10s，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100，仿真區(qū)域?yàn)?00mX500m，速度變化的范圍為0-20m/s。RPGM移動(dòng)模型的移動(dòng)場(chǎng)景設(shè)置如下:仿真時(shí)間700s。節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100，每個(gè)群組節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為20個(gè)，仿真區(qū)域?yàn)?00mX 500m，速度變化范圍為 0_20m/s。
[0042]對(duì)于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的連通率是指網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間存在一條或多條路徑的概率。在實(shí)施例中，針對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，將網(wǎng)絡(luò)的連通率作如下定義:對(duì)于某一仿真場(chǎng)景，在任意時(shí)刻t，MANET網(wǎng)絡(luò)是連通的，則該時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)是連通的，稱為連通時(shí)刻。對(duì)于整個(gè)仿真時(shí)間，連通時(shí)刻所占比例稱為整個(gè)MANET的連通率。
[0043]S302:根據(jù)不同的移動(dòng)場(chǎng)景，調(diào)整節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。
[0044]經(jīng)典的無線通信研究結(jié)果表明，在接收靈敏度一定的情況下，無線發(fā)射功率己和信號(hào)傳輸半徑R之間的關(guān)系是pt = R2?R5，傳輸半徑越大，節(jié)點(diǎn)通信時(shí)需要的發(fā)射功率就越大，能量消耗也就越高。本實(shí)施例對(duì)以下兩種不同的無線傳播模型來說明Pt和R的關(guān)系。
[0045]I)自由空間模型FreeSpace
[0046]自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。發(fā)射功率通過以下公式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在?所述具有小世界特征MANET是通過添加長(zhǎng)連接的方式來實(shí)現(xiàn)的，該具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓢? (1)采集任意時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的位置信息，通過所述位置信息構(gòu)建單跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息表，通過所述單跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息表獲得鄰接矩陣，在所述鄰接矩陣中統(tǒng)計(jì)單跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息； (2)確定信號(hào)傳輸半徑的選取機(jī)制； (3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，然后遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，在遍歷過程中按照以下方法進(jìn)行大功率啟用:如果存在孤立節(jié)點(diǎn)，則將所述孤立節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率；如果不存在孤立節(jié)點(diǎn)，則判斷是否存在孤島現(xiàn)象，如果存在孤島現(xiàn)象，則將孤島中聚類系數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用，如果不存在孤島現(xiàn)象，則聚類系數(shù)大于閾值的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟動(dòng)大功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于，所述步驟(I)包括: (1.1)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)的過程中，各節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位置信息通過數(shù)組存儲(chǔ)； (1.2)設(shè)定節(jié)點(diǎn)的初始信號(hào)傳輸半徑，在某一給定時(shí)刻，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)i，如果節(jié)點(diǎn)j在節(jié)點(diǎn)i的信號(hào)傳輸半徑范圍之內(nèi)，則節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)，互為鄰居節(jié)點(diǎn)的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行直接通信，在全網(wǎng)范圍內(nèi)，依次統(tǒng)計(jì)所有節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建一跳鄰居信息表； (1.3)根據(jù)一跳鄰居信息表得到鄰接矩陣，如果節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)，那么j — i的連接系數(shù)為1，否則為O ;如果節(jié)點(diǎn)i是節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)，那么i — j的連接系數(shù)為1，否則為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于，所述步驟(2)包括: 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，遍歷網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)； 如果某節(jié)點(diǎn)無法搜索到鄰居節(jié)點(diǎn)，即該節(jié)點(diǎn)為孤立節(jié)點(diǎn)，則將其優(yōu)先啟用大功率射頻裝置； 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，并將拓?fù)淇刂魄叭W(wǎng)的聚類系數(shù)定為聚類系數(shù)閥值，該閥值通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)求平均值得到； 如果網(wǎng)絡(luò)中存在孤島現(xiàn)象，則將孤島現(xiàn)象中聚類系數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率射頻裝置； 如果網(wǎng)絡(luò)全連通，則將聚類系數(shù)大于聚類系數(shù)閥值的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先啟用大功率射頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有小世界特征MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在?當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的連通率為I時(shí)，此時(shí)的傳輸半徑對(duì)應(yīng)的功率為大功率射頻的功率下限；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)全連通時(shí)，此時(shí)的傳輸半徑對(duì)應(yīng)的功率為大功率射頻的功率上限。
【文檔編號(hào)】H04W40/24GK103731899SQ201310711638
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】顏昕, 陳輝, 李沙沙 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)