基于分簇的无线光通信网络动态拓扑控制方法

摘要

本发明提出了基于分簇的无线光通信网络动态拓扑控制方法，旨在通过以链路保持时间作为链路权值进行分簇，使得簇内拓扑结构变化范围小，从而提高无线光通信网络拓扑结构的稳定性，实现步骤为：对无线光通信网络进行初始化；每个节点对邻居节点扫描，获取邻居节点集合V

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及一种无线光通信网络动态拓扑控制方法，具体涉及一种基于分簇的无线光通信网络动态拓扑控制方法，可用于移动节点下的无线光通信网络动态拓扑控制。

背景技术

光通信是指以光波为载波的通信方式，包括光纤、无线光、以及可见光等通信技术。其中，无线光通信(Optical Wireless Communication，OWC)是指采用紫外、蓝绿、红外等波段(典型值为266nm、450～570nm、850nm、1310nm、1550nm、10.6um)作为通信信息的载体，以大气/海水/自由空间作为传输介质进行信息传输的通信方式。无线光通信作为一种新型的通信技术，同时具有光纤通信和移动通信的优势，可实现宽带传输，无需频率申请，并且抗电磁干扰，保密性好，并结合移动通信机动性强的优点，能够有效缓解当前射频频带紧张及带宽需求大等问题，在应急通信、本地网接入、卫星通信、以及军事通信等领域的应用前景广阔。

目前，无线光通信领域的应用方式基本采用点对点通信，随着通信设备数量和带宽需求的增加，单纯的点对点通信已经不能满足大规模网络应用的要求，需要无线光通信组网技术的支持。在组网技术中，拓扑控制是建立网络的最重要的技术之一，主要通过控制网络节点间通信链路的建立和节点的传输范围，以提高整个网络的连通性与稳定性等性能。

拓扑控制包括静态拓扑控制和动态拓扑控制，在节点固定情况下的通信网络，只需要静态拓扑控制使网络保持较高的连通性，针对目前越来越多的移动需求，需要考虑节点移动所带来的网络不稳定等问题，需要动态拓扑控制技术解决此问题；传统射频无线网络动态拓扑控制技术已经发展相对成熟，但无线光通信网络拓扑控制不同于传统射频无线网络，相比射频通信，无线光通信终端携带有限的收发器使其节点度受限，并只能定向收发信号，随着节点的移动速度的提高，这导致无线光链路更容易断开，网络拓扑结构随时都发生变化，使得无线光网络拓扑控制难度增加，更需要无线光网络动态拓扑控制增强网络的稳定性。

解决拓扑控制问题是无线光通信发展的关键技术之一，受到学者们越来越多的关注，已经提出一些动态拓扑控制方法，一般采用基于图论的动态拓扑控制方法，该方法是以图论为基础，借鉴传统无线网络拓扑控制方法，以链路可靠性作为链路权值，建立节点间的链路，形成整个网络拓扑结构，最后对形成的拓扑结构进行控制，虽然对网络的连通性进行改善，但是对于移动节点环境，使用上述链路权值没有考虑节点移动带来的影响，建立节点之间的链路比较容易断开，导致链路不稳定，从而导致网络的稳定性较差。例如：Tao Shang等人在Topology control algorithm and dynamic management scheme for mobile FSOnetworks[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications&Networking,2015,7(9):906-917中，公开了一种基于图论的拓扑控制与动态管理算法，把所有节点分为上下两层，上层节点是具有高性能的固定基站，下层节点为移动节点，形成整个拓扑结构，然后采用局部Delaunay三角剖分方法对上层节点进行拓扑控制，通过接入上层节点或通过节点救助准则对下层节点进行拓扑控制，以达到对整个网络拓扑结构的控制。该方法的优点是下层节点具有节点救助功能，对周围不能连接到基站的节点进行转发数据，并且采用了局部Delaunay三角剖分方法对上层节点进行拓扑控制，一定程度上增强网络的连通度，但是仅以链路可靠性作为链路权值，建立单条链路，在移动情况下链路容易断开导致链路稳定性较差，从而导致网络拓扑结构不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于分簇的无线光通信网络动态拓扑控制方法，旨在通过以链路保持时间作为链路权值进行分簇，使得簇内拓扑结构变化范围小，从而提高无线光通信网络拓扑结构的稳定性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括以下步骤：

(1)对无线光通信网络进行初始化：

确定无线光通信网络每个节点的当前信息、链路连接门限T_th和拓扑更新周期T，其中无线光通信网络每个节点的当前信息包括每个节点的位置信息、当前速率、目标速率、加速度、通信距离、运动方向、节点度、节点ID和簇ID，簇ID用于标记节点所属簇；

(2)每个节点采用APT系统对邻居节点进行扫描，并将扫描到的所有邻居节点存入邻居节点集合V_n，对集合V_n中的邻居节点进行分簇；

(3)每个节点判断邻居节点集合V_n是否为空，若是，分簇完成，执行步骤(8)，否则，执行步骤(4)；

(4)每个节点向从邻居节点集合V_n中任取的一个邻居节点请求建立链路，并判断自己的簇ID与该邻居节点的簇ID是否相同，若是，则放弃建立链路，并执行步骤(3)；否则，执行步骤(5)；

(5)每个节点计算自己与其邻居节点的链路保持时间T_LAB：

(5a)计算每个节点的初始速度和目标速度其邻居节点的初始速度和目标速度

其中，v_A0、α和v_At分别为每个节点的当前速率、运动方向和目标速率，v_B0、β和v_Bt分别为其邻居节点的当前速率、运动方向和目标速率；

(5b)计算每个节点与其邻居节点之间的初始相对速度和目标相对速度

(5c)计算每个节点与其邻居节点之间的相对位置和距离L：

其中，为每个节点的位置信息，x_A和y_A分别表示每个节点在二维坐标系下的横坐标与纵坐标，为邻居节点的位置信息，x_B和y_B分别表示邻居节点在二维坐标系下的横坐标与纵坐标；

(5d)计算初始相对速度与相对位置之间的夹角θ：

(5e)计算每个节点自己移出其邻居节点通信范围R之外所需的移动距离D：

D²+L²-2DLcosθ＝R²

(5f)计算每个节点与其邻居节点之间的相对加速度a：

a＝|a_A-a_B|

其中a_A和a_B分别为每个节点和其邻居节点的加速度；

(5g)计算每个节点从初始相对速度加速到目标相对速度所需的时间t₀，加速阶段的运动距离S₀：

其中v₀＝|v₀|，表示为初始相对速度的大小，表示为目标相对速度的大小；

(5h)每个节点判断加速阶段的运动距离S₀是否小于所需的移动距离D，若是，则说明每个节点在达到所需移动距离D之前就加速到目标相对速度其加速时间为t₀，然后再以相对目标速度做匀速直线运动，执行步骤(5i)；否则，说明每个节点还未加速到目标相对速度就达到所需移动距离D，执行步骤(5j)；

(5i)计算每个节点自己与其邻居节点的链路保持时间T_LAB：

T_LAB＝t₀+t₁

其中，t₁为每个节点做匀速直线运动的运动时间，计算公式为：

S₀+v_tt₁＝D；

(5j)计算每个节点自己与其邻居节点的链路保持时间T_LAB：

T_LAB＝t₂

其中，t₂为每个节点自己加速运动时间，计算公式为：

(6)每个节点判断T_LAB是否大于链路连接门限T_th，若是，建立自己与其邻居节点的链路，并执行步骤(7)；否则执行步骤(3)；

(7)每个节点和其邻居节点所在簇的所有节点对簇ID进行修改：

每个节点对自身簇ID与其邻居节点簇ID的大小进行比较，并将属于大的簇ID的所有成员的簇ID修改为小的簇ID，使同一个簇内所有节点具有相同的簇ID，簇ID修改完成，执行步骤(3)；

(8)对无线光通信网络簇间参数进行初始化：

构建任意两簇之间大小为X的簇间链路优先队列W，并设置W的初始值为0，同时构建每个节点的备选节点集合V_A；

(9)每个节点设置自己的备选节点集合V_A：

(9a)每个节点判断自己是否具有剩余节点度，若是，执行步骤(9b)，否则设置自己的备选节点集合V_A为空；

(9b)每个节点利用APT系统，对所有邻居节点进行扫描，得到具有剩余节点度的邻居节点；

(9c)每个节点计算自己与每个相邻簇中具有剩余节点度的邻居节点的簇间链路权值，并将每个相邻簇中最大簇间链路权值的邻居节点存入到自己的备选节点集合V_A；

(10)判断每个节点的备选节点集合V_A是否都为空，若是，执行步骤(12)，否则执行步骤(11)；

(11)每个节点进行簇间链路选择：

每个节点在自己的备选节点集合V_A不为空时，从V_A任意取出一个备选邻居节点，并将自己与取出的备选邻居节点的簇间链路加入到自己所在簇与该邻居节点所在簇之间的优先队列W，再执行步骤(10)；

(12)构建无线光通信网络拓扑结构：

连接任意两簇之间的簇间优先队列W中的X条链路，得到无线光通信网络拓扑结构；

(13)对无线光通信网络拓扑结构进行拓扑更新：

当无线光通信网络有节点的加入或退出、或无线光通信网络的运行时间与拓扑更新周期T相等时，执行步骤(2)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明以链路保持时间作为链路权值对网络的每个节点进行分簇，在同一个簇内的所有节点链路保持时间长，相对运动的范围小，使得同一个簇内的拓扑变化小，增强簇内链路的稳定性，与现有技术相比，有效地增强了网络的稳定性。

(2)本发明采用优先队列存储簇间最优几条链路权值的链路，这几条链路互为备份，使簇间链路更加稳定，进一步增强网络的稳定性。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明实施例中的100个随机节点的网络拓扑结构图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，基于分簇的无线光通信网络动态拓扑控制方法，包括如下步骤：

步骤1，对无线光通信网络进行初始化：

确定无线光通信网络每个节点的当前信息、链路连接门限T_th和拓扑更新周期T，其中无线光通信网络每个节点的当前信息包括每个节点的位置信息、当前速率、目标速率、加速度、通信距离、运动方向、节点度、节点ID和簇ID；

其中拓扑更新周期T设置为60s，链路连接门限T_th设置为60s，节点当前信息中的位置、当前速率、目标速率、加速度和运动方向等信息由随机平滑移动模型控制，通信距离设置为2km，节点度设置为3，节点ID用于标识节点身份，具有唯一性，其ID值从序数1…n进行设置，簇ID用于标记节点所属节点簇，簇ID初始设置为节点ID，并在10km*10km区域内随机分布的100个移动节点。

步骤2，每个节点采用APT系统对邻居节点进行扫描，并将扫描到的所有邻居节点存入邻居节点集合V_n，对集合V_n中的邻居节点进行分簇；

步骤3，每个节点判断邻居节点集合V_n是否为空，若是，分簇完成，执行步骤(8)，否则，执行步骤(4)；

若某个节点的邻居节点集合V_n为空，则说明其没有可用的邻居节点，该节点无需进行操作，否则对邻居节点集合进行分簇；当每个节点的邻居节点集合V_n都为空时，说明分簇完成；

步骤4，每个节点向从邻居节点集合V_n中任取的一个邻居节点请求建立链路，并判断自己的簇ID与该邻居节点的簇ID是否相同，若是，则放弃建立链路，并执行步骤(3)；否则，执行步骤(5)；

通过判断自己的簇ID与其邻居节点的簇ID是否相同，就能判断这两个节点是已经属于同一个簇，若属于同一个簇，则无需再建立链路，使得在同一个簇内的拓扑结构不会冗余，防止浪费节点度，当有新加入的节点时，节点还有剩余节点度，也为不稳定的簇间链路提供更多的剩余节点度，以建立多条链路互为备份，提高整个拓扑的稳定性；

步骤5，每个节点计算自己与其邻居节点的链路保持时间T_LAB：

根据节点当前信息，通过计算节点间的链路保持时间，能够有效预测当前链路建立后持续的时间，根据链路持续时间，对节点进行分簇，建立节点间更加稳定的簇间链路，使拓扑结构更加稳定；

(5a)计算每个节点的初始速度和目标速度其邻居节点的初始速度和目标速度

其中，v_A0、α和v_At分别为每个节点的当前速率、运动方向和目标速率，v_B0、β和v_Bt分别为其邻居节点的当前速率、运动方向和目标速率；

(5b)计算每个节点与其邻居节点之间的初始相对速度和目标相对速度

(5c)计算每个节点与其邻居节点之间的相对位置和距离L：

其中，为每个节点的位置信息，x_A和y_A分别表示每个节点在二维坐标系下的横坐标与纵坐标，为邻居节点的位置信息，x_B和y_B分别表示邻居节点在二维坐标系下的横坐标与纵坐标；

(5d)计算初始相对速度与相对位置之间的夹角θ：

(5e)计算每个节点自己移出其邻居节点通信范围R之外所需的移动距离D：

D²+L²-2DLcosθ＝R²

(5f)计算每个节点与其邻居节点之间的相对加速度a：

a＝|a_A-a_B|

其中a_A和a_B分别为每个节点和其邻居节点的加速度；

(5g)计算每个节点从初始相对速度加速到目标相对速度所需的时间t₀，加速阶段的运动距离S₀：

其中表示为初始相对速度的大小，表示为目标相对速度的大小；

(5h)每个节点判断加速阶段的运动距离S₀是否小于所需的移动距离D，若是，则说明每个节点在达到所需移动距离D之前就加速到目标相对速度其加速时间为t₀，然后再以相对目标速度做匀速直线运动，执行步骤(5i)；否则，说明每个节点还未加速到目标相对速度就达到所需移动距离D，执行步骤(5j)；

(5i)计算每个节点自己与其邻居节点的链路保持时间T_LAB：

T_LAB＝t₀+t₁

其中，t₁为每个节点做匀速直线运动的运动时间，计算公式为：

S₀+v_tt₁＝D；

(5j)计算每个节点自己与其邻居节点的链路保持时间T_LAB：

T_LAB＝t₂

其中，t₂为每个节点自己加速运动时间，计算公式为：

步骤6，每个节点判断T_LAB是否大于链路连接门限T_th，若是，建立自己与其邻居节点的链路，并执行步骤(7)；否则执行步骤(3)；

当T_LAB大于链路连接门限T_th，说明链路以很高的概率在拓扑更新周期内能够保持稳定，其中链路连接门限T_th根据网络的平均联络时间E[τ]进行选择，E[τ]其值与节点移动模型相关；

步骤7，每个节点和其邻居节点所在簇的所有节点对簇ID进行修改：

每个节点对自身簇ID与其邻居节点簇ID的大小进行比较，并将属于大的簇ID的所有成员的簇ID修改为小的簇ID，使同一个簇内所有节点具有相同的簇ID，簇ID修改完成，执行步骤(3)；

步骤8，对无线光通信网络簇间参数进行初始化：

构建任意两簇之间大小为X的簇间链路优先队列W，并设置W的初始值为0，同时构建每个节点的备选节点集合V_A；

不属于同一个簇的节点之间很容易移出节点之间的通信范围，直接建立一条链路将会不稳定，通过簇间链路优先队列W存储簇间最优的X条链路，用于连接簇间链路，加强拓扑稳定性，设置X值为2；

步骤9，每个节点设置自己的备选节点集合V_A：

(9a)每个节点判断自己是否具有剩余节点度，若是，执行步骤(9b)，否则设置自己的备选节点集合V_A为空；

(9b)每个节点利用APT系统，对所有邻居节点进行扫描，得到具有剩余节点度的邻居节点；

(9c)每个节点计算自己与每个相邻簇中具有剩余节点度的邻居节点的簇间链路权值，并将每个相邻簇中最大簇间链路权值的邻居节点存入到自己的备选节点集合V_A；其中以链路可靠性作为簇间链路权值，计算步骤为：

(9c1)每个节点计算自己与每个相邻簇中具有剩余节点度的邻居节点的链路可靠性R₀，计算公式为：

其中是修正的Bessel函数，Γ(·)是Gamma函数，α和β是与传输距离、孔径以及大气环境相关的参数，是与几何损耗和路径损耗有关的规模系数，可以通过接收器参数和大气环境确定；

(9c2)每个节点计算自己与每个相邻簇中具有剩余节点度的邻居节点的簇间链路权值ω：

其中，I_th为簇间链路阈值，R₀为链路可靠性；

当链路可靠性大于簇间链路阈值I_th，说明节点之间可以建立链路，簇间链路权值直接设置为链路可靠性，否则簇间链路权值设置为0，节点之间将不能建立链路；

步骤10，判断每个节点的备选节点集合V_A是否都为空，若是，执行步骤(12)，否则执行步骤(11)；

步骤11，每个节点进行簇间链路选择：

每个节点在自己的备选节点集合V_A不为空时，从V_A任意取出一个备选邻居节点，并将自己与取出的备选邻居节点的簇间链路加入到自己所在簇与该邻居节点所在簇之间的优先队列W，再执行步骤(10)；

步骤12，构建无线光通信网络拓扑结构：

连接任意两簇之间的簇间优先队列W中的X条链路，得到无线光通信网络拓扑结构；

经过这个步骤，得到无线光通信拓扑结构，如图2所示，从图2可以看到，图中的数字表示每个节点的簇ID，属于同一个簇的簇ID相同，实线表示簇内节点间的链路，虚线表示簇与簇之间的簇间链路，由于簇间链路采用链路可靠性作为链路权值，在节点移动情况下容易导致节点链路不稳定，故在簇间建立多条链路，使链路之间互为备份，增强网络的稳定性。

步骤13，对无线光通信网络拓扑结构进行拓扑更新：

当无线光通信网络有节点的加入或退出、或无线光通信网络的运行时间与拓扑更新周期T相等时，执行步骤(2)；

对无线光通信网络拓扑结构进行拓扑更新，能够重新建立拓扑结构，增强拓扑结构的稳定性，其中拓扑更新周期T取值与节点移动模型相关，节点移动越频繁，拓扑更新周期越小。