维普资讯 http://www.cqvip.com 第7期 0 7 2 0年9月 计算机技术与发展 (X3MPUTER TECHNOI ̄ ̄Y AND DEVELOPMENT Vo1.17 No.9 Sep. 2007 自组网分簇算法仿真设计 郭晓莲 ,林志伟2,黄榕宁2 (1.福建工程学院计算机与信息科学系,福建福州350014; 2.福建师范大学数学与计算机科学学院,福建福州350007) 摘要:自组网是一种由移动节点自组织形成的、不需要任何基础设施的网络,针对其随机的拓扑结构研究人员提出了基 于分簇结构的拓扑机制,用于网络路由优化和安全控制。然而,这些算法在不同的移动环境中面临着不同的挑战,因而所 表现出来的性能也各不相同,为进一步验证这些算法在不同移动环境中的有效性,文中使用Delphi设计了自组网的几个 典型分簇算法,通过随机环境的仿真实验,得到相关仿真数据,分析比较了这些算法的性能,为进一步的研究提供依据。 关键词:自组网;分簇;连通支配集 中图分类号:1]P393 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2007)09—0092—03 Simulation Design of Cluster Algorithm in Ad Hoc Network GUO Xiao-lian ,LIN Zhi—wei ,HUANG Rong—ningz (1.Department of Computer and Information,Fujin aUniversity of Technology,Fuzhou 350014,China; 2.School of Mathematics nd Caomputr eciSence,Fujin aNormal Un ̄esirty,Fuzhou 350007,China) Abstract:Ad Hoc network is a self—organized network,consisting of mobile nodes without any infrastructure.Cluster—based topology ontrcol strategies have been pmpo ̄to meet to muting optimization nd securiaty control due to the random environment of Ad Hoc net. work.But these algorithms vary in performance when facig dinfferent mobile envimnrnent.Some pmpo ̄d cluster algorithms were de. signed by usig the tnool of Delphi to tste them.The data were analyzed in a random simulation environment and the algorithm’S perfor. i'flances were compared in this paper,from which the future study can benefit. Keywords:AdHoc network;cluster;onnectcd edominatigsnet O引 言 自组网 J是在不需要预先部署任何基础设施的情 况下,无线终端以随机方式构成的一种分布式的自组 织网络环境。自组网中的每个无线节点分享网络构造 的任务,它们以服务者和被服务对象的身份,通过分布 式点对点协同工作的方式实现数据传输功能,因此,自 组网具有自组织、自管理和可配置的能力。由于自组 性、延时、吞吐量、能耗和冲突等。为了减小冲突,提高 网络容量和路由性能,并进而达到节点能量保护和延 长网络生存时间等目的,研究人员提出了基于虚拟主 干网技术的自组网拓扑控制策略 J,它通过分布式分 簇算法把网络划分为各个独立的子网(也称为簇),每 个子网由一个簇头负责簇内成员的维护;子网之间通 过分布式网关选取策略,选取尽可能少的节点作为网 关,连接不同的子网,从而构造出具有分层结构的虚拟 主干网,实现网络全局连通。为了实现网络性能的优 网随机动态部署,节点可移动,无中心,不需要任何的 基础设施,使得其在战地通信、抗震救灾、交通管理和 环境监测等领域具有广阔的应用前景。 在自组网环境中,网络拓扑扮演着重要的角色,拓 化,通常要求分簇算法的开销尽可能小,即通过尽可能 少的节点消息交换,在较小的时间复杂度保证下,分布 扑信息的准确性直接影响到网络中为进行传输、寻路 和广播所使用的算法的性能,并进而影响网络的连通 收稿日期:2006一l1—14 基金项目:国家自然科学基金(60502047);福建省教育厅项目 式地求解出尽可能少的主干节点形成虚拟主干网。 文中在文献[3]的基础上,使用Delphi对4种典型 的分簇算法进行仿真设计,采集相关数据进行仿真性 能的分析,并在此基础上进行理论分析。 (JAO5208);福建工程学院科研发展基金(GY—Z0661) 作者简介:郭晓莲(1978一),女,甘肃嘉峪关人,助教,研究方向为计 算机网络。 1模型假设和算法描述 自组网中的无线节点等同于图论中的顶点,分簇 维普资讯 http://www.cqvip.com 第9期 郭晓莲等:自组网分簇算法仿真设计 ・93・ 所形成的虚拟主干网实质上就是图论中的极小连通支 配集。为了更好地对算法加以数学描述和方便仿真设 计,因此,首先给出相关的数学模型: 定义1图G=(V,E, )为单位圆图(UnitDisk 应,调整出最佳通讯状态。与上述三个分簇算法仅考 虑单一的网络特性相比,文献[4]提出了自适应分簇算 法,它把节点能量、移动速度等因素加以考虑,通过自 适应机制,提高分簇的性能。 Graph),其中v和E分别代表顶点集和边集,d表示以 顶点集v中顶点为圆心的圆的半径甘V 1, 2∈V, 若边( 1, 2)∈E,则 1, 2两顶点间的距离l 1一 2 2算法仿真设计和性能分析 2.1移动模型 l d。为了方便,以下将单位圆图G=(V,E, )简 称为图G:(V,E)。 自组网仿真中,节点的移动策略有多种方案。文 中选取通用的Random Waypoint模型 ]。其思想是在 定义2(连通支配集)对于给定的图G=(V,E), 一个给定的二维移动区域内,节点在到达一个目标位 集合S是一个支配集当且仅当G—S中的节点同S中 置后,随机选择下一个移动目标D,并在预先设定的最 至少一个节点相连接。而当删掉S中的任意一个节点 大速率(Max Speed)和最小速率(Min Speed)中随机选 时,S不再是一个支配集,则此时称S为极小连通支配 取一个速率,以此速率匀速前进,到达该目标D后随 集。在S中添加有限个节点,使得S中的节点构成连通 机等待T时间,丁是0与最大停留时间PauseTime之 子图,此时S称为连通支配集。 间的随机数。利用设定不同的最大、最小速率和最大 基于上述定义,下面给出4种典型算法的描述: 停留时间这三个参数,可以调整出不同的移动模型来 (1)最小ID算法:最小ID算法是一种简单的分簇 模拟自组网。 算法。每个节点分配唯一的ID,相邻节点中具有最小 2.2参数设置和评价参数 ID的节点作为簇头。这种分簇算法计算量小,实现方 在对上述4个算法进行仿真测试中,设置的节点 便,算法收敛较快。最小ID算法的簇头更新的频率较 个数为30个,节点的最小移动速度为1(单位距离/单 慢,维护簇所需花费的开销较小。该算法的缺点是较 位时间),节点的最大移动速度为30(单位距离/单位 小ID的节点频繁作为簇头,将使这些节点能量很快耗 时间),最大停留时间为5(单位时间),而节点的传输 尽,从而构成网络出现分割,该算法不具有扩展能力。 范围从5到80(单位距离)变化,程序运行100个单位 (2)最大连通度算法:该算法可以尽可能地减少簇 时间后把采集到的簇头数C、单位时间内节点重人簇 的数目。节点之间通过交互信息掌握邻居节点的数 的次数 、单位时间内簇头构成的支配集更新的次数 目,即节点的度。再以最小ID式算法为基础,把具有 U记人数据库中。图1为仿真程序运行的界面。 最大度的节点备选为簇头,当度数相同时则选择ID最 2.3性能分析 小的节点作为簇头。该算法的优点在于簇 的数目较少,有利于减少分组时延。但是 对于部分簇内成员密度较大,由于共享信 道,就会造成每个用户可用的带宽非常有 限,从而使整体的网络性能并不理想。 (3)基于节点权重分簇算法:每个节点 按照约定计算自己的权重,并通告给其邻 居,节点之间按照权重最大原则选取节点 作为簇头。典型的计算权重方法是根据节 点的移动速率,移动速度越快,分配的权重 越低。基于移动速率的算法可以明显减少 簇头更新频率。但此类算法的缺点是为了 节点权重的更新,需要频繁地计算和更新 权重,从而增加开销。 (4)自适应分簇算法:影响网络性能的 因素是多方面的,比如带宽、能量等,因此, 需要一种自适应的机制来实现联合的优 化,使得节点能对网络状态的变化及时响 图1仿真界面 维普资讯 http://www.cqvip.com ・94・ 计算机技术与发展 第l7卷 参考文献[3]中采用的仿真性能评价参数,我们在 仿真中同样考虑了分簇的簇头数C、单位时间内节点 运行,将最终结果进行平均,得到了几个算法的性能仿 真结果,并进行了分析。研究也表明,分簇算法在自组 网的性能优化、节能策略、密钥分配和管理等多个领域 重入簇的次数J和单位时间内簇头构成的支配集更新 的次数U。 有重要的应用,我们将根据这些仿真数据开展下一阶 通过设置随机种子,对程序进行了50次的仿真实 段新的研究。 验,并取平均值。从图2看出,簇头数随节点 30.00 传输范围的增加而减少,并且当传输范围大 , 。。 于80后,簇头数的变化速度变慢,最终会收 敛到1。因为节点的传输范围越大,簇的覆乞 盖范围也越大,最终一个簇头将覆盖所有节蒙坫・oo 点。此外,MAXDEGREE算法的簇头数明显 10.00 低于其他算法。 5.oo 再观测节点的传输范围对节点重入簇 0.00 次数J的影响,如图3所示。从图中看出,J 0 5 10 I5 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 随传输范围的增加先变大后变小。因为当节 传输范围(米) 点传输范围较低时,簇数目较多,簇内节点 图2簇头数随传输范围的变化 很少,甚至只有一个簇头,此时节点离开原 。・4。 簇的概率较小。当传输范围增加并在传输范 。・35 围为15~25之间时达到最大值。此时簇内 0_30 节点的关联度较低,随后J开始下降。这是 0.25 因为簇的覆盖范围逐渐增大,节点移出原簇 鬓 。 o.-s 的概率减少,该仿真结果同文献[3]在数值 。・l。 上有所不同,但其基本趋势是一致的。 。・05 从图4可以看出,在所有算法下单位时 0.00 间内支配集更新次数U的变化规律相同: 5 10 I5 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 当节点传输范围很小时,U很小,随着传输 传输范围(米) 范围增加,U也逐渐增大,当传输范围达到 图3重入簇次数随传输范围的变化 5~15之间时,U达到最大值;当传输范围 I_00 0.9O 继续增加时,U开始减小并逐渐趋向于0。 n 80 ,, I\I 一 曲 造成U这种变化的原因如下:当节点传输 n 70 f \、. +。 范围很小时,很大比例的节点成为簇头,并 n 6o f 且簇内的节点数很少(很多簇只有一个簇头 n 50 f \一刖w 节点)。在这种情况下,节点移出原簇构成的 毒0.40 /t 统治集的覆盖范围(统治域)的概率很小, 0.30 X . — 支配集更新频率很低。当传输范围增加时, 0.20 I:: 0.10 一 簇头数减少,簇头能够覆盖所有节点的能力 一.............. 圣 也随之降低,较容易移出支配集。但是随着 n 00 l 5 l0 l5 20 25 30 35 40 45 50 55 6o 65 70 75 80 传输范围的持续增加,尽管簇头数减少了, 传输范 米) 簇头的覆盖范围增加的更为明显,节点移出 图4 支配集更新次数随传输范围的变化 支配集的概率开始减小,并最终趋向于0。 参考文献: 3 总 结 [1】 Abolhasan M,Wysocki T,Dutkiewicz E,et a1.A review of routing protocols for mobile ad hoc networks[C]//Ad Hoc 文中通过Delphi设计了自组网的一个典型分簇算 Networsk.【s.1.]:Elsevier Pre. ̄,2004:l一22. 法,即基于最小ID、最大连接度、节点权值和自适应按 12 J Rubin I,Behzad A,Ju H,el a1.Ad Hoc Wireless Networks 需加权分簇算法。通过算法的设计,经过多次的仿真 (下转第98页) 维普资讯 http://www.cqvip.com ・98・ 计算机技术与发展 第l7卷 表3基于GA算法的SVM参数选择结果 数据集 banana splice 4 总 结 采用蚁群算法来进行SVM模型的参数选择。从 实验的结果可以看出,蚁群算法较之遗传算法具有更 好的效果,不论是分类准确率还是效率上都有一定的 最优c,y 最优分类 准确率 87 14% 6l 93% 平均运 行时问 836.5S 46Is (496 000,l O633) (138.609.0,1001) n wavetoml m眯 (277 382,0.2485) (117.500,0.1) (154.500,0.1198) 86.95% 88 91% 97.82% 1056.1S lo3.5s 1423 3s 提高。下一步的工作是尝试采用其他的性能估计方法 如:GACV,Radius~Margin bound等作为目标函数,进 行进一步的比较研究。 参考文献: [1]ChenPeng—Wei,Wang Jung—Ying,LeeHalm—Ming.Mod. el Selcteion of S Ms Using GA Approach[C]//Proceedings of the International Joint Conference on Neural Networks 2004. Hungary:IEEE,2004:2035—2040. 群算法进行SVM模型选择取得了较好的效果,它能 在较短的时间寻找到最优参数,而且最终所得的分类 准确率与采用GA算法所得到的最优分类准确率相 当,在大部分情况下还有所提高。 图2是在tree数据集上,利用遗传算法和蚁群算 法10次寻参后,所得分类器分类准确率的比较图。 OO. [2]Xu P,Chan A K.Suppon vector machine for multi—dass sig. 分 类 准 hal classiifcation with unbalanced samples[C]//Proceedigsn of the International Joint Conference on Neural Networks 2003. Portland:IEEE,2003:1116—1119. 8O. 60. 40. 确 室 2O.O. [3] Xu P,Chan A K.An efficient algorithm on multi—class sup. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O port vector machine model selcteion[C]//Proceedigsn of the International Joint Corderence on Neural Networks 2003. Portlnd:IaEEE,2003:3229—3232. ■GA算法 ■蚁群算法 运行次数 图2遗传算法和蚁群算法寻参比较图 从图中可以看出,10次运行中利用蚁群算法所得 [4]黄景涛,马龙华,钱积新.一种用于多分类问题的改进支持 向量机[J].浙江大学学报:工学版,2004,38(12):1633— 1636. 的SVM分类器,最优分类准确率和平均分类准确率 都要优于用遗传算法所得的结果。 除此之外,在实验当中还发现使用Joachims方法 的E 作为目标函数估算错误率时较为准确,仍然 以tree数据集为例,图3是在其上用蚁群算法寻找参 数时的估算错误率与测试错误率(实际错误率)的曲线 图。从图中可以看出两者的变化趋势基本一致。 100.00% ,、, [5]董春曦,饶鲜,杨绍全,等.支持向量机参数选择方法研 究[J].系统工程与电子技术,2004,26(8):1117—1120. 【6 J Joaehims T.Estiatimg the generalnization performance of an SVM eicfiently[C]//Proceedings of the 17th International onCference on Machine Learnig.San Franncisco:Morgan, 2000:431—438. [7] 贺益君,俞欢军,陈德钊.基于募集机制的连续蚁群系统及 其应用[J].浙江大学学报:工学版,2006,40(5):748~752. [8]孙学勤,刘丽,付萍,等.一种连续空间优化问题的蚁 80.00% 60.00% 群算法及应用[J].计算机工程与应用,2005,41(34):217 茹40.00% 20.00% 0.00% 220. [9]Keertih S S.Benchmark datasets[EB/OL].2001—09—12. http://guppy.mpe.ntis.edu.sg/mpessk/comparison.shtm1. 二:= 基霆耋1 。4 —8¨0 ” 。姒 ■一测试错误率 [10]Jacoihrns T.SVMlight Support Vector Machine[EB/OL]. 2004~02—09.http://svrnlight.jachoima.org. 图3 tr&数据集上预测误差与测试误差的曲线图 —- 一+—+-+ -+一+一—‘ 一+一+ +-+—+一+-+-+-+-+-+-+-+—+ +一+-+-+ -—‘ —‘ +一+一+-+-+-+ (上接第94页) with Mobile Backbones[C]//proceedigsn of IEEE Intema tional Symposium on Personal,Indoor and Radio Communia.c rithm(wCA)for Ad hoe networks[C]//proceedigsn of IEEE GU)BE( lM 2000.San Francisco:IEEE Press,2000: 1697—1701. tions(PIMRC) Barcelona,Spain:IEEE Press,2004:566— 573. 【5】 Bettstetter C,Resta G,Santi P. Fhe Node Distribution of the Random Waypoint Mobility Model for Wireless Ad Hoe Net. [3]王海涛.移动Ad hoe网络的分簇算法及性能比较[J].北京 邮电大学学报,2004,27(1):93—97. 【4 J Chatterjee M,Das S K,Turgut D.A weighted clustering algo. works[J].IEEE Transactions on Mobile Compptig。n2003.2 (3):257—269.