用于Ad+Hoc网络的分簇算法

的移动模型采用自组网经常使用的移动模型——
Ｒａｎｄｏｍ
Ｗａｙｐｏｉｎｔ模型，在这种模式中，节点朝一个
任意目的地运动，并带有周期性的停顿行为，节点的
移动速度可以在（０，口一）之间随机选择，其中口～
表示节点移动的最大速度，单位是ｍ／ｓ；节点的移动７ 区域为１００ ｍ
ｘ
１００
ｍ；各节点初始时的能量均为
１０，单位时间内簇头相对于每个普通节点所消耗的 能量ｅ＝０．０００ １；模拟时间为１万个时间单位．这 里ｅ＝０．０００ １是假设值，主要为了对节点充当簇头 时所消耗的能量定量化，ｅ可以根据网络的实际情 况进行调整． 性能指标如下：簇头数Ｃ、单位时间内节点重新 加入簇的次数Ｋ、簇内平均节点数与传输范围、负 载平衡因子（ＬＢＦ）［１２］和节点充当簇头时间．其中簇 内平均节点数与传输范围指簇内平均节点数随传输 范围的变化关系，该指标可以反映网络中通信带宽 的利用情况，簇内平均节点数越接近最佳簇数，说明 网络中通信带宽的利用情况越好． ３．４．２仿真结果比较和分析 仿真测试中，节点数Ｎ＝３２，节点最大的移动 速度为口。。。＝５ ｍ／ｓ，节点的传输范围ｒ在５～６０ ｍ 之间变化（在图４中，节点的传输范围为２５ ｍ），权 重因子ｃ１＝０．５、Ｃ２＝０．５（ｆ１、Ｃ２可根据网络的实际 情况进行调整）．图１～４中，ＬＯＷＩＤ表示最小ＩＤ 分簇算法；ＨＣＤＡ表示最高节点度分簇算法；ＤＭＡＣ 表示节点权重启发式算法；ＷＣＡ表示加权的分簇算 法；ＮｗＢＣＡ表示本文提出的分簇算法．
（１）
Ｒ卵。＝＠Ｉ≠Ｊ
’√咒’
ｂｉｔ／ｓ
头的时间；ｅ为单位时间内相对于每个普通节点簇 头所要消耗的能量；ｄ。为节点竹的节点连接度．由 式（２）可知，节点所消耗的能量不仅与节点充当簇头 的时间相关，而且还与节点在充当簇头期间的节点 连接度相关．
式中Ⅳ为通信带宽．显然，随着网络中节点数的增 加，吞吐量下降得很快．也就是说要提高吞吐量，必 须使移动节点的数量足够少，这就产生了１个矛盾： 为使每个簇获得较好的吞吐量，必须使簇的规模尽 量小；然而，簇的规模变小就意味着网络中簇头的数 量会增多，则由簇头组成的骨干网的吞吐量将会变 差．为此必须找到１个最佳点，使网络能充分利用 带宽，达到最佳的吞吐量．这个最佳点就是最佳簇 的数量，也就是最佳簇头的数量．根据文献［４］，若 ｗ１、ｗ２分别代表簇内、簇间的通信带宽，最佳簇的
ＮＷＢＣＡ
ａｒｅ
ｓｕｐｅｒｉｏｒ
ｔｏ
ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ
ＮＷＢＣＡ
ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｄ Ｈｏｅ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎｄ ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄｅｒ；ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｄｅｇｒｅｅ；ｓｔａｔｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ；ｗｅｉｇｈｔ
ｅｎｄ ｉｆ
数目为甓屑，则最佳簇大小艿＝面Ｎ—Ｗｗ ２】ｆ－丙，由
此可得最佳节点连接度口＝艿一１．
２节点能量状态的确定
Ａｄ
Ｈｏｅ网络中各节点具有自由移动的特点，移
动终端本身需电池供电．由于移动节点的电池能量 有限，一个移动节点电能的不足，不仅导致该节点本 身不能工作，还有可能影响网络的整体性能，因此节 点的能量状态是一个比较重要的因素． 在分级结构中，簇头的任务相对较重，它既要维 护到达其他簇头的路由，还要负责管理和协调簇内 的节点，簇头所消耗的能量一般远大于普通节点，所 以节点的能量状态一般与该节点充当簇头的状态 相关． 目前，国内外学者提出了很多分簇算法，其中在 无线传感网领域也提出了许多关于节能的分簇算 法．但是，由于无线传感网与一般的Ａｄ Ｈｏｅ网络相 比有很多不同之处，所以本文主要讨论关于Ａｄ Ｈｏｅ 网络的分簇算法． 现有的分簇算法［５－１２］中很多并未考虑节点的 能量状态因素．即使考虑，一般在计算网络中节点 所消耗的能量时，仅与它充当簇头的时间相关，并以 节点充当簇头的时间与某个假定能量值（簇头节点 单位时间消耗的能量）的乘积来表示，显然是有欠缺 的．因为同样是簇头且充当簇头的时间相同时，由
｝ ｗｈｉｌｅ（仍有节点未成为簇首或簇成员） 值得注意的是，按照ＮＷＢＣＡ的分簇策略，得 到的网络结构为互不交叠的簇结构． ３．２网络的初始化和簇维护策略 任何节点的移动都可能影响系统的稳定性，因 此设计簇结构的维护策略，使簇结构尽可能维持稳 定非常重要．在ＮＷＢＣＡ中，当下列情况发生时。就 会进行簇维护或更新． １）当１个节点移出簇． ２）当２个相邻节点间的链路失效． ３）当２个簇头节点相遇时，即２个簇头节点变 为可以直接通信的１跳邻居节点． 当１个节点移出簇时，若该节点在指定的周期 内不能接收到任何节点发送的信息包，或者即使可 以收到邻节点发送的信息包，但邻节点均非簇头节 点且属于不同的簇时，该节点自动成为簇头节点． ２个相邻节点间的链路失效可分为３种情况． １）２个普通节点或者普通节点和网关节点间 的链路失效．对于这种情况，２个节点只需更新各 自１跳邻居的信息表，并将各自的新的１跳邻居信 息表广播给各自的邻节点即可． ２）当链路失效发生在普通节点和簇头节点间， 或者普通节点移出所在簇到达另一簇时，普通节点 和簇头节点将各自更新自己的１跳邻居信息表，普 通节点只需简单地改变自己的隶属关系． ３）当链路失效发生在网关节点和簇头节点之 间，或者网关节点移出所在簇时，网关节点和簇头节 点将各自更新，并广播自己的新的１跳邻居信息表， 如果网关节点的接收范围内仍有２个簇头节点，则 仍为网关节点；否则将从网关节点变为普通节点． 当２个簇头都在对方的传输范围内时，如果２ 个簇头节点中有１个是孤立簇头节点时，孤立簇头 节点加入另一簇头所在的簇，并自动变为普通节点； 如果相遇的２个簇头节点均为孤立簇头节点时，权 值较大的节点加入另一簇头所在的簇，并自动变为 普通节点；当相遇的２个簇头节点均非孤立簇头节 点时，启动分簇算法进行重新分簇． ３．３算法的特色 １）在ＮＷＢＣＡ中采用了最佳节点度口，这样在 簇内既可以充分利用带宽，又可以优化网络的吞吐 率，并且可以通过优化簇内的节点数，提高系统吞吐
ｔｏ
ｉｍｐｏｓｅ
ａ ａ
ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ ｄｅｐｅｎｄｓ
ｏｎ
Ｈｏｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ
ｃｅｒｔａｉｎ
ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａ ｎｅｗ ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＮＷＢＣＡ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ
ｎｏｄｅｓ
ａｒｅ
ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ
ｓｔａｔｕｓ
ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ
ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｄｏｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎ．ｄｅｍａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
３基于权值的分簇算法一ＮＷＢＣＡ
ＮＷＢＣＡ采用了移动节点的最佳连接度和能量 状态２种因素作为决定权值的参数，２个因素的比 重可以根据网络实际情况进行调整，算法的更新过 程不是周期执行，而是按需更新，以降低维护开销． ３．１算法的具体描述 假定网络中各节点的传输功率相同，并且在每 个簇内，节点间的通信距离不超过２跳．在网络中 每个节点的标识（ＩＤ）是唯一的，通过周期性的消息 交换，每个节点可以获得自己的１跳邻居节点的ＩＤ 和权值．在初始状态时，网络中各节点的电池能量 相同． ＮＷＢＣＡ具体过程的伪代码如下： Ｄｏ（对任意节点，ｚ） ｛ 周期性广播消息； 更新节点连接度； 计算节点连接度与最佳连接度的绝对差值； 计算节点的能量消耗值； 计算节点充当簇头的累积时间； 计算权值，并广播给所有邻节点； Ｉｆ（ｒ／不属于任何簇）ａｎｄ（卵的权值比不属于 任何簇的邻居节点权值都小） 竹宣布自己为簇头； 不属于他簇的邻居节点成为其簇成员节点；
万方数据
６２
北京邮电大学学报
第３２卷
于它们的节点连接度不同，它们作为簇头所消耗的
１最佳节点连接度的确定
根据文献［４］，１个拥有，ｚ个节点的Ａｄ Ｈｏｅ网 络在最理想的情况下，每个节点的吞吐量为
能量显然也不同．为此提出一种新的移动节点能量 状态计算方法，即
Ｅ。＝ｄ。ｔ。ｅ
（２）
式中，Ｅ为节点，ｌ消耗的能量；ｔ。为节点，ｌ充当簇
移动Ａｄ Ｈｏｃ网络（ＭＡＮＥＴ）由移动的节点组 成，由于没有固定的拓扑和主干。网络中的节点要同 时充当主机和路由器［１－２］．ＭＡＮＥＴ使用专门的协 议（如无线自组网按需平面距离矢量路由（Ａ（）ＤＶ）、 动态源路由（ＤｓＲ）协议等）寻找和维护路由，但是其 开销不可忽视．在这种情况下引入了分级结构，有 利于降低路由开销和改善网络延迟【３］． 在分级结构中，网络中的节点逻辑上被划分为 簇，每个簇通常由１个簇头和多个普通节点组成，簇
收稿日期：２００９—０１－０８ 作者简介：杨卫东（１９６８一），男．副教授，Ｅ．ｍａｉｌ：ｙｗｄｙａｒ＠１６３．ｔｏｍ．
头负责簇的形成、维护和通信．Ａｄ Ｈｏｅ网络中的簇 大小受条件制约，１个簇头若覆盖太多的节点会产 生拥塞。太少则不能充分利用带宽．为充分利用带 宽。必须确定簇头的最佳连接度及最佳簇大小．本 文在给出了节点最佳连接度的计算方法和节点能量 状态计算方法的基础上，提出了一种新的Ａｄ Ｈｏｅ 分簇算法（ＮＷＢＣＡ）．与已有分簇算法一样，ＮＷＢ． ＣＡ所基于的Ａｄ Ｈｏｅ网络是同质的，即网络中所有 节点的处理能力等都是相同的．
２００９年１０月 第３２卷第５期
北京邮电大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ