1、2009 年 2 月 Journal on Communications February 2009第 30 卷第 2 期 通 信 学 报 Vol.30 No.2MANET 基于客观信任度建模的分簇算法与分析张强，胡光明，陈海涛，龚正虎（国防科技大学 计算机学院，湖南 长沙 410073）摘 要：设计了一个客观信任度评估数学模型，然后基于能量和相对运动观点，以最大稳定链路数为测度，提出了一种最大客观信任的移动自组网分簇算法(MOTBCS)。此分簇算法仅有效扩展原 HELLO 消息，额外代价小；并且更好考虑到了自组网中的实际约束条件，更适用于真实环境。模拟试验表明，MOTBCS 与同类算法相比，
2、能形成更稳定的簇结构，同时具有更低的通信开销和更好的运行效率。关键词：移动自组网；信任；稳定链路；分簇；变化率 中图分类号：TP311.134.3 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2009)02-0012-10Clustering algorithm and analysis based onobjective trust modeling in MANETZHANG Qiang, HU Guang-ming, CHEN Hai-tao, GONG Zheng-hu(School of Computer, National University of Defense Techno
3、logy, Changsha 410073, China )Abstract: In mobile-adhoc networks (MANET), an objective trust estimation model was presented, and then a maximum-objective-trust-based clustering solution (MOTBCS) was raised, which aimed at the opinion of maximum stable links and energy viewpoints and gave nodes their
4、 objective trust estimation. This solution only extended the original HELLO message for the benefit of small costs and it could be better suitable for the realistic working environments in MANETs. Simulation results show that MOTBCS generate more stable clustering groups. It also has less communicat
5、ion costs and better efficiency than other clustering algorithms.Key words: MANET; trust; stable links; clustering; changing rate1 引言MANET 网络是一种无基础设施、多跳、自组织的网络。网络中的节点既是主机又充当路由器，通过无线信道进行通信。移动自组网络中的节点可自由移动，并通过相邻节点转发数据包的方式实现通信，在某些领域尤其是军事应用中有着重要用途。这种网络的通信方式具有灵活、无需基础设施等优点，但同时也使得网络的路由、QoS保障以及可扩展性等面临新的困难。为
6、了解决这些问题，研究人员提出了分簇方法。将网络划分成簇，可以方便 MANET 网络的资源管理。在每个簇内，簇头可以控制节点的业务请求接入并且合理地分配带宽，因此分簇网络结构可以在很大程度上提高移动自组网络的性能和实用性 1。到目前为止，研究人员已经提出了多种分簇收稿日期：2007-08-09；修回日期：2008-12-08基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）基金资助项目（2003CB314802） ；国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划（ “863”计 划 ） 基 金 资 助 项 目 （ 2006AA01Z401）Foundation Items: The Nationa
7、l Basic Research Program of China (973 Program) (2003CB314802); The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2006AA01Z401)第 2 期 张强等：MANET 基于客观信任度建模的分簇算法与分析 13算法，有几种受到了广泛的认可：如节点最小标识算法( the lowest-ID algorithm )2, 3 、节点最大连接度算法( the highest connectivity degree a
8、lgorithm )4以及分布式生成簇算法 DCA (distributed clustering algorithm)5、加权的生成簇算法 WCA (weighted clustering algorithm )6, 7和 k 阶簇 8, 9生成簇算法等。这些算法应用的环境不同，选举簇首的侧重点不同，产生的簇结构也不尽相同。然而，它们都有着很明显的缺陷。其中 DCA、WCA 和 k阶簇算法在配置和计算上过于复杂，而其他的几种算法对 MANET 的实时动态性反应比较迟钝。从信号强度的角度，Basu 等人提出了基于运动度量值（mobility based metric）的 ad hoc 网络分簇
9、模 型 10， 运 动 度 量 值 是 通 过 连 续 测 量 从 邻 节 点 接收 到 的 无 线 信 号 强 度 值 得 到 的 ， 但 这 种 方 法 未 区 分相 向 运 动 和 逆 向 运 动 的 区 别 ， 并 且 没 有 综 合 考 虑 能量 、 计 算 速 度 等 客 观 因 子 的 综 合 影 响 。 同 时 ， 节 点的 底 层 物 理 信 号 传 输 较 频 繁 ， 节 点 的 计 算 量 比 较 大 。本文引入了客观信任评估模型，基于能量和相对运动观点，以最大稳定链路数为测度，通过原 HELLO 消息的较小扩展，实现了一个更具稳定性并且高效率的移动自组网分簇方法(MOT
10、BCS)。2 分簇相关问题2.1 基本定义移 动 自 组 网 络 节 点 和 链 路 可 以 由 一 个 无 向 图G(V,E)来 表 示 。 V 表 示 节 点 的 集 合 ， E 表 示 边 的 集合 。 节 点 u 和 v 间 存 在 边 (u, v) E， 意 味 着 u 和 v 是 可 互 相 通 信 的 1 跳 邻 居 节 点 。 运 动 节 点 与 其 1 跳邻 居 节 点 构 成 簇 结 构 , 并 覆 盖 整 个 网 络 ， 如 图 1 所示 。图 1 移动自组网络定义 1 设 G(V,E)是一个无向图,对任意一个顶点子集 , ，则S|(,)NjkSjEN(S)称为顶点子集
11、S 的邻居集。定义 2 无向图 G(V,E)的独立集 满足: 如IV果子集 I 中任意 2 个顶点均不相邻 , 即满足，则 为独立集。|,jkjI定义 3 设 G(V,E)是一个无向图, 所有可能的独立集中不为其他任何独立集真包含的独立集称为极大独立集，即满足：若 M 是独立集,且对任意的 ，当 时, S 不是独立集,则称 M 为极S大独立集。定义 4 节点状态：节点有 3 种状态，分别是未决（pending ）状态、成员状态和簇首状态。2.2 分簇稳定性在无线网络中，节点接收到的信号强度（功率）与节点之间的距离是紧密相关的。在理想的Friis 自由空间传播模型中，接收功率与发送功率的比率与二
12、者之间物理距离的平方成反比。但在真实场景中，由于天气、建筑物等的影响，具体采用更接近真实场景的功率损耗式 P = Ps（其lc中，P s 为发送信号功率，P 为接收到的平均信号功率，l 为节点间的距离，c 为常数， 为衰减指数，其数值是与通信环境相关） ，然而参数值 难以具体确定。虽然通过接收功率的大小确定节点之间的距离比较 困 难 ， 但 如 果 通 过 接 收 到 的 邻 居 节 点 连 续 发送 的 消 息 包 强 度 （ 如 周 期 性 HELLO 报 文 ） ， 却 可 获取 当 前 节 点 与 邻 居 节 点 间 的 相 对 移 动 性 (relative mobility)。 以
13、 节 点 u 与 v 为 例 ， 假 定 节 点 u 连 续 接 收到 节 点 v 的 3 次 HELLO 消 息 ， 3 次 的 接 收 功 率 分 别为 ： 、 以 及()xvuRP， 参 考 文 献 10中(1)xuRP(2)xvu的 方 法 ， 可 以 定 义 节 点 v 对 于 节 点 u 的 相 对 移 动 性为=10lg +10lg (1)rel()uM(2)1xvuRP(3)2xvu其中，10lg 和 10lg 都表示节点 u 根(2)1xvu(3)2xvu据连 续 收 到 的 节 点 v 的 消 息 得 出 的 彼 此 相 对 移 动 值 。式 子 的 正 负 刚 好 与 节
14、 点 v 靠 近 和 远 离 节 点 u 相 对 应 。14 通 信 学 报 第 30 卷链路稳定性判定方法 LSR(link stability rule)。如果节点 u 与节点 v 同时满足以下 2 个条件，则认为节点 u 与节点 v 之间的链路是稳定的 11。1) 节点 u 与 v 彼此之间交换 HELLO 消息的次数大于或等于 3 次。2) 若 0，则 0 (2)0t定 义 7 表示客观信任缺失的“怀疑度” ，用以表征信任随时间减损的程度，具体参见文献12。所采用的信任缺失密度函数为(3)e,0()0tft其随时间衍化情况如图 2 所示。图 2 f(t)函数由于时间原因所致的信任缺失函
15、数表示为(4)1e,0()()d0ttDft那么显然有 即 ， (5)()et随时间变化情况如图 3 所示。图 3 函数 ()1()tDt前面设定起始时刻(t 0=0)客观信任值为 T0，t时刻的客观信任值为 Tt，推而广之，则有，0()et0t自组节点 u 的稳定信任度和节点电池剩余能量、计算速度、存储器大小等都有关系，用 Capu表示节点的性能，它是综合性能的量化值。借鉴上面的模型，就可定义节点 u 的客观信任怀疑度 了。根据前面的 LSR 判定方法，记满u足稳定性的链路数为 ，当 =0 时，设定slinkuNslinku一个相对较大的怀疑度 ，从而有per第 2 期 张强等：MANET
16、基于客观信任度建模的分簇算法与分析 15(6)slinkslinksliuper1,0,uuNCa3.2 客观信任平稳性除了客观信任怀疑度 ，还需要进一步比较u客观信任平稳性即综合相对移动性参数 。uM假设节点 u 有 k 个邻居，这些邻居节点与节点 u 的相对移动性分别为 ，rel1()un， ，则 u 的综合相对移动性值rel2()Mnrel()uk定义为u= (7)urel1()kuii这里如果 2Th） ，如果 Tw 时间内未收到节点的消息，根据图 3 衰减模型的渐变趋势，可以认为链路从此失效。加入了客观稳定度信任的 HELLO 消息格式如下所示。HELLOi = (IDi | Sta
17、tus| ntable | | | | reliMiiCaptimestamp | ski(hash)，其中各项所表示的意义如下所示。IDi ：节点 i 的 ID 号。Status：节点 i 的状态，可有 2 个值，即ClusterID 或 NULL。如果值为 NULL，表示节点状态为“未决” ，即不属于任何簇；如果值为某个节点的 ID，则表示节点 i 属于该簇；若该节点 ID 为节点自身，则表示节点 i 为簇首。ntable ：1-hop 邻居表。节点通过交换 1-hop邻居表信息，建立起 2-hop 拓扑数据库。：节点 i 的相对移动性向量。可以通过修reliM改 ntable 数据结构，
18、将向量 的各个分量置于reliM其中，在算法中，通过 来进一步计算 。li u：节点 i 的综合相对移动性。 通过向i i量 计算得到。relCapi：综合性能量化值，包括节点电池剩余能量，计算速度，存储容量等，这里主要考虑了能量。timestamp：为当前时钟。ski(hash)：表示用节点 i 的私钥 ski 签署本消息的摘要信息。根据节点 ID 和 Status 域的不同，可以将HELLO 消息分为 3 类 11。1) 邻居发现消息：Status = NULL。2) 簇首消息：Status = ID i NULL。3) 加入分簇消息：Status= IDj NULL and i 16 通
19、 信 学 报 第 30 卷j。上述 3 类 HELLO 消息分别对应于普通分簇算法中的 HELLO、CH() 与 JOIN()消息。在竞争中失败簇首放弃其簇首位置，将自己的 Status 域设为NULL。簇首竞争失败会立即触发失败簇首向其邻居节点发送 HELLO 消息，其所在簇的成员节点在接到其 HELLO 消息后就会知道其失去簇首状态，从而各自改变自己的状态。5 MOTBCS 算法与过程5.1 MOTBCS 算法每个节点通过周期性地交换 HELLO 消息而建立本地邻居表以及 2-hop 拓扑数据库。通过 2-hop拓扑数据库，任一节点 u 就可以根据接收到的各个 HELLO 消息，以及全网设
20、定的相对移动性门限值 及 ，计算各个邻居节点的相对移ThresoldminMhresoldax动性 及综合移动性 ，从而确定各个邻居节ii点所拥有的稳定链路的个数 ，再根据综合性slinkN能量化值 ，进而计算出客观稳定性信任值 ，iCpi并与自己本身的 相比较，如果 最小，则将uuHELLO 消息中 status 域设为自己的 ID；如果邻居节点中 IDj 的 最小，则将 HELLO 消息中 Statusj域设为节点 j 的 ID，在下一个 HELLO 周期到来时发出；如果有多个节点的 较小且相同，则再比较其综合相对移动性 (iN (u) u)，综合相对M移动性小的节点成为簇首；如果综合相对
21、移动性仍然相同（这种可能性非常小） ，则以 ID 大小确定，ID 小的节点成为簇首。根据这样的思想，假定节点 u 的状态为未决（即 Status 域为 NULL） ，则节点 u 判断自己能否成为簇首节点的算法描述 CH_Select(u)表示如下。CH_Select(u)相关初始化操作；如果 u.Status NULL，返回 ERROR；N (u)= N(u) u / u 和 u 的 邻 居 属 于 备 选 集 ；对 N(u)中的每一节点 i，计算 、 、reliMj和 / 表示 i 节点的稳定链路数 ；slinkislink对 N(u)中的节点，选出 最小的节点；j如果此最小 的对应节点惟一
22、，jj 成为簇首，u.Status= j，算法结束；否则选择这些 对应节点中 最小的；jjM如果此最小 对应的节点惟一，j 成为簇首，u.Status= j，算法结束；否则选出这些最小 中具有最小 ID 者jk；u.Status= k；算法结束，返回。5.2 分簇过程描述分簇过程分为以下 3 个阶段：初始化、分簇建立和簇的维护。1) 初始化阶段初始时所有节点处于 pending 状态，各节点每隔时间 Th 周期性地广播 HELLO 消息，并接收来自邻居节点的 HELLO 消息。经过若干周期，每个节点均建立起较完整的 2-hop 邻居信息表后，此时可以利用 CH_Select(i)判断自己是否可
23、以成为簇首节点。如果自己是簇首节点，则设置自己的 Status域并在下一个 HELLO 周期到来时向所有邻居节点广播 HELLO 消息；如果邻居节点 j 具有更好的稳定信任值，则选举节点 j 为簇首，然后将自己的Status 域设置为 j 并广播 HELLO 消息。2) 分簇建立阶段此过程可以用下面伪代码表示。当节点 u 收到 HELLO 消息时，更新邻居信息列表。if (HELLOi. Status =NULL);/邻居发现消息U=Ui; /将邻居加入到未决邻居集合中else if (HELLOi. Status = IDi )/表示簇首消息 if (u. Status =NULL) /若
24、u 为 pending 状态Join is Cluster; /加入以 i 为簇首的簇Broadcast HELLOu ; /广播入簇消息else if(u.Status = IDj / 标记为网关节点第 2 期 张强等：MANET 基于客观信任度建模的分簇算法与分析 17else if(u.Status = IDu) /如果 u 也是簇首CH_Select(u); /引发竞争，重选簇首else if(HELLOi. Status = IDu )/申请入簇消息if(u.Status = IDu) /如果 u 是簇首Add i to us Member List /接纳加入else CH_Sel
25、ect(u); /引发竞争，重选簇首经过上述过程，每个节点都会加入某个簇或者成为簇首节点。3) 簇的维护阶段簇的维护工作主要就是处理节点加入、节点退出、非簇首节点移动和簇首节点移动等几种情况。节点加 入 ： 一 个 新 节 点 加 入 网 络 ， 它 首 先 要广 播 HELLO 消 息 给 邻 居 节 点 ， 加 入 已 有 的 簇 并在 一 定 时 间 周 期后按照分簇算法判断是否成为簇首节点。节点退出：如果退出的是非簇首节点，则对分簇没 有 任 何 影 响 ， 只 需 要 将 其 从 邻 居 节 点 列 表 中删 除 即 可 ； 如 果 退 出 的 是 簇 首 节 点 ， 则 属 于 该
26、 簇 的节 点 经 过 Tw 时 间 后 （ Tw 为 链 路 有 效 等 待 时 间 ， 通常 情 况 下 Tw2Th） ， 重 新 按 分 簇 算 法 选 择 新 的 簇 首节 点 。非簇首节 点 移 动 ： 非 簇 首 节 点 移 动 会 导 致 2种 结 果 ： 该 节 点 进 入 一 个 新 簇 ， 并 收 到 该 新 簇发 出 的 簇 首 消 息 ， 此 时 若 失 去 原 簇 首 消 息 ， 则 直接 加 入 该 新 簇 ； 若 仍 有 原 簇 首 消 息 ， 则 节 点 成 为网 关 节 点 。 移 动 到 一 个 没 有 簇 首 节 点 的 位 置 ，此 时 的 处 理 与
27、簇 首 节 点 退 出 的 情 况 相 同 。簇首节点移动：簇首节点的移动可能会使一部分节点无法收到簇首消息而超时，此时这部分节点即按照簇首退出的情况处理。如果簇首节点移动到一个相邻簇中，则触发簇首竞争，在等待一个簇竞争间隔 Tc 后，若 2 个簇首节点仍在彼此通信范围之内，则重新选举新簇的簇首，并广播簇首 HELLO 消息。5.3 MOTBCS 簇首极大独立性在无向图 G(V,E)中，求解簇首作为最小支配集(MCDS, minimum connected dominating set)是 NP完全问题 16。然而，能够证明分簇是一个形成极大独立集（参见定义 3）的问题，便能够保证簇首在整个网
28、络中的分散性 17,18。定理 1 设 是一个无向图, 对任意一()VE个顶点子集 ，若 且 S(NS()S，则 S 是极大独立集。V证明 先证独立性。 ,由于,jk,故 , 所以 S 是一个独立集，()N()jk独立性得证。再证极大性，使用反证法：若 S 不为极大独立集,则 , 为独立集, 由 N(S)定义, ()jSj, 这与 为独立集矛盾,命题得uE证。结论 1 设集合 H 为 MOTBCS 算法所形成的标志为簇首的节点集，则 H 为极大独立集。证明 由定理 1，只需证明 ，()并且 即可。()NVStep1 证 。()假设 ，则 j 。()N因为 j ，所以 j 是簇首节点，同时，因为
29、 j ，所以 j 必然同时是另一簇首节点（设为()Hk）的邻居。而根据 MOTBCS 算法以及分簇过程，2 个簇首节点（j 和 k）相遇必然产生竞争，以保持一个簇首的状态。故 必然不是稳()H定态，从而 得证。()NStep2 证 V1) 因为 ， ，所以 ()；()HV2) ，根据分簇方法，若 ，u.uStasID则 为簇首，从而 H；若 ，.ku则 为节点 k 的邻居节点，从而 。所以()N， ，所以()。VN综合 1)和 2)可知， 。再根据(VStep1 中 ，故结论 1 得证。()6 模拟实现与性能评估采用网络模拟器 ns-219来对算法进行模拟并18 通 信 学 报 第 30 卷分
30、析其性能。ns-2 采用模块化的设计思想具有较好的可扩展性。此外，不同的节点移动模型对模拟结果的影响较大。模拟选取了比较经典的 2 个移动模型：随机路点模型(RWMM)和参考点组移动模型(RPGM) 。在 RWMM 中，节点在移动前先暂停一段时间，然后在模拟区域内选择一个随机目的地和速度（在最大许可速度范围内）向新目的地运动。RPGM 也是较为常用的组移动模型，在该模型中，每个组有一个逻辑中心，中心的移动方式决定了整个组位置、速度以及方向等移动方式。6.1 性能评估标准算法采用的性能度量标准主要有以下几个。簇首节点变化频率：单位时间内簇首节点变化次数，其值表示为一段模拟时间内簇首节点变化次数除
31、以该段时间。簇生成算法的簇首节点变化频率越小，说明生成的簇结构越稳定。节点状态变化频率：单位时间内成员节点状态变化次数，利用模拟时间内成员节点状态变化总数除以该段时间来表示。节点状态变化次数越少，簇结构越稳定。簇首节点的数量：在模拟过程中，某时刻网络中簇首节点的个数，会随着节点移动而不断变化。在网络中，簇首数量越少，节点间的跳步数就越小。因此，算法的簇首数量越少，网络性能越好。通信开销：单位时间内控制报文的个数，利用模拟时间内控制报文的总数除以模拟时间来表示。通信开销越小，表明算法的性能就越好。6.2 模拟参数设置网络参数包括节点数 node-number、2 次连续移动之间的停留时间 pau
32、se-time、节点最大移动速度 max-speed、无线传输距离 tx-range、能耗、实验区域范围 range 以及各算法所需的其他必要参数。分别采用了随机路点移动模型 RWMM 和组移动模型 RPGM 进行模拟。模拟参数的设置情况如表 1 所示。表 1 算法模拟参数设置参数 描述 预设值range 区域(长度宽度) 200m200mnode number 移动节点数目（网络规模） 80sim-time 模拟持续时间 300sTh HELLO 消息周期 2.0sTw 链路有效最大时间 4.2sTc 簇首竞争等待时间 5.0spau-time RWMM 运动间隔 4.0sH-E-waste
33、 簇首能量损耗 0.03%/sM-E-waste 普通节点能量损耗 0.01%/smax-speed 最大移动速率 20m/stx-range 无线传输距离 30180m同时，模拟实现了最小 ID 算法、 WCA、以及Max-Degree 算法，并比较了它们与 MOTBCS 在节点通信能力、移动速度等变化时的性能。6.3 模拟测试与分析在测试 1、测试 2 和测试 5 中，RWMM 下节点的最大速率为 20m/s，RPGM 的平均速率为10m/s。测试 1 节点状态变化率与通信范围分析 从结果看，当无线传输距离较小时，网络中簇成员数量较少；当传输距离增大时，簇成员变化频率逐渐增加。对于 RWM
34、M 模式，当传输距离为 130170m 时，簇成员变化频率达到最大值，而后逐渐下降（如图 4 所示） 。对于 RPGM 模式，在通信范围为 110m 之前，节点变化率基本上是随通信范围增加而加大的。这主要是由于随着通信范围的增加，簇首覆盖范围增加，簇节点数目增多，图 4 RWMM 下的节点状态变化率(节点数=80)因而变化频率逐渐增加。而当通信能力达到一定值后，使得节点多在簇首覆盖范围移动，不会导致状态变化，因而变化频率逐渐下降（如图 5 所示） 。第 2 期 张强等：MANET 基于客观信任度建模的分簇算法与分析 19图 5 RPGM 下的节点状态变化率(节点数=80)从模拟中可看出，MOT
35、BCS 方法的簇结构稳定性最好，并且随着节点传输距离的增加，当发送距离 r 90m 时，其性能提升的较快。主要原因在于 MOTBCS 方法采用了具有最优信任稳定链路的节点作为簇首，WCA 算法采用了节点速度和节点间相对距离作为分簇的参数；前者使得簇首节点能够落在移动速度较小的节点上，后者使得节点能够加入到距离自己最近的分簇，这些都有利于提高分簇的稳定性，但是 WCA 算法的性能依赖于加权系数的选取，通常很难确定其最优取值。测试 2 簇首变化率与通信范围分析 当无线传输距离较小时，簇首数量较多，而簇成员数量较少，因而簇首节点的变化频率与簇成员变化频率相当。簇首节点变化频率在5070m 时达到最大
36、值，而后随着传输距离的增加逐渐下降，这是由于传输距离为 5070m 时，簇首的数量较多，同时节点的移动易于发生簇首竞争。随着传输距离的增加，簇首数量减少，簇首间的距离增加，簇首竞争发生的频率降低，因此簇首变化频率逐渐下降（如图 6 和图 7 所示） 。图 6 RWMM 下的簇首状态变化率(节点数=80)图 7 RPGM 下的簇首状态变化率(节点数=80)从 图 6 和 图 7 中 可 以 看 出 ， MOTBCS 方 法 的 簇结 构 稳 定 性 最 好 ， 簇 首 节 点 变 化 频 率 总 体 上 低 于 其他 算 法 ， 并 且 随 着 节 点 传 输 距 离 的 增 加 ， 比 如 当
37、 发送 距 离 r 100m 时 ， MOTBCS 算 法 的 性 能 提 升 较快 。测试 3 节点状态变化率与节点速率在本实验中，设定节点通信范围为100m。 （注：由于运动模式的不同，在下面以及后面的实验中，对 RWMM 而言，速率指的是最大速率，而对 RPGM，速率指平均速率）图 8 和 图 9 显 示 了 节 点 移 动 速 度 变 化 时 各 簇 生成 算 法 的 性 能 。 当 节 点 的 移 动 速 度 很 小 时 ， 簇 结 构保 持 稳 定 ， 因 此 簇 成 员 节 点 变 化 频 率 近 似 为 0。 随着 节 点 移 动 速 度 的 增 加 ， 单 位 时 间 内 节
38、 点 移 出 /移 入簇 结 构 的 次 数 增 加 ， 因 而 簇 成 员 节 点 变 化 频 率 也 随之 增 加 。节点的移动速度越大，簇结构的稳定性越低，簇成员节点变化频率均随着节点平均移动速度的图 8 RWMM 下节点状态变化率(节点数=80)20 通 信 学 报 第 30 卷图 9 RPGM 下节点状态变化率(节点数=80)增加而提高。但从图中可以看出，随着速率的增加，MOTBCS 算法受速率变化的影响较小，其性能表现要 明 显 优 于 Max-Degree 算 法 、 Lowest-ID 算法 及 WCA 算 法 。 其 主 要 原 因 在 于 MOTBCS 算 法以 最 优 信
39、 任 稳 定 链 路 标 准 选 择 簇 首 ， 充 分 考 虑 了 节点 之 间 的 相 对 移 动 性 ， 所 以 簇 的 结 构 相 对 稳 定 。WCA 算 法 尽 管 也 考 虑 了 节 点 的 移 动 速 度 、 相 对 距离 等 多 种 特 征 ， 但 其 倾 向 于 选 择 移 动 速 率 低 的 节 点为 簇 首 ， 而 由 于 相 对 移 动 速 率 的 原 因 ， 簇 首 节 点 移动 速 率 较 低 并 不 能 保 证 簇 首 与 成 员 节 点 之 间 的 链 路也 同 样 稳 定 。测试 4 簇首变化率与节点速率在本实验中，设定节点通信范围为 100m。图 10 和
40、 图 11 显 示 了 节 点 移 动 速 度 变 化 时 各 簇生 成 算 法 中 簇 首 变 化 的 性 能 。 随 着 节 点 速 率 的 提 高 ，簇 首 由 于 相 邻 接 而 引 发 竞 争 的 概 率 也 相 应 增 大 ， 因此 簇 首 变 化 频 率 也 随 节 点 移 动 速 度 增 加 而 提 高 。 节点 的 移 动 速 度 越 大 ， 簇 结 构 的 稳 定 性 越 低 ， 簇 首 节点 变 化 频 率 随 着 节 点 平 均 移 动 速 度 的 增 加 而 提 高 。但 从 图 10 和 图 11 中 明 显 可 以 看 出 ， 随 着 速 率 的 增加 ， MOT
41、BCS 算 法 受 速 率 变 化 的 影 响 较 小 ， 其 性 能表 现 要 明 显 优 于 Max-Degree 算 法 、 Lowest-ID 算 法及 WCA 算 法 。 而 其 中 主 要 原 因 类 同 于 测 试 3 中 所分 析 。图 10 RWMM 下的簇首状态变化率(节点数=80)图 11 RPGM 下的簇首状态变化率(节点数=80)测试 5 控制开销与节点通信范围图 12 和 图 13 显 示 了 节 点 无 线 传 输 距 离 变 化 时各 簇 生 成 算 法 的 控 制 开 销 。 可 以 看 出 ， WCA 算 法 的控 制 开 销 最 少 ， 而 Max-Deg
42、ree 算 法 的 开 销 最 大 ， 这主 要 是 因 为 Max-Degree 算 法 的 簇 结 构 稳 定 性 较 差 ，簇 首 及 成 员 节 点 的 状 态 变 化 较 为 频 繁 ， 而 WCA 算 法则 综 合 考 虑 了 更 多 的 因 素 ， 生 成 的 簇 结 构 相 对 稳 定 。由 于 加 解 密 的 影 响 ， MOTBCS 算 法 控 制 开 销 要 稍 多于 WCA， 与 Lowest-ID 算 法 相 当 ， 但 仍 明 显 优 于Max-Degree 算 法 。 随 着 通 信 范 围 的 增 加 ， 节 点 状 态变 化 率 逐 渐 下 降 ， 因 此 簇
43、 结 构 维 护 的 开 销 也 逐 步 减少 。图 12 RWMM 下的控制开销(节点数=80)图 13 RPGM 下的控制开销(节点数=80)第 2 期 张强等：MANET 基于客观信任度建模的分簇算法与分析 21测试 6 控制开销与节点速率在本实验中，设定节点通信范围为 100m。图 14 和 图 15 显 示 了 节 点 移 动 速 度 变 化 时 各 簇生 成 算 法 的 控 制 开 销 。 随 着 节 点 移 动 速 度 的 增 加 ，控 制 开 销 也 随 之 增 加 。 MOTBCS 算 法 的 通 信 开 销 均优 于 Max-Degree 算 法 、 Lowest-ID 算
44、 法 及 WCA 算法 。 其 原 因 在 于 MOTBCS 算 法 没 有 定 义 专 门 的 用于 分 簇 相 关 的 消 息 ， 而 是 通 过 扩 展 HELLO 报 文 的方 式 来 满 足 分 簇 算 法 的 协 议 要 求 ， 从 而 减 少 了 控 制报 文 开 销 。 另 外 一 个 重 要 的 原 因 在 于 MOTBCS 算 法的 簇 首 选 择 标 准 有 利 于 生 成 更 稳 定 的 簇 结 构 ， 从 而簇 首 及 成 员 节 点 的 状 态 变 化 减 少 ， 这 也 在 一 定 程 度上 降 低 了 由 于 节 点 加 入 或 退 出 以 及 簇 的 重 构
45、所 带 来的 通 信 开 销 。图 14 RWMM 下的控制开销(节点数=80)图 15 RPGM 下的控制开销(节点数=80)测试 7 簇首数动态统计在 此 实 验 中 ， 节 点 通 信 范 围 设 定 为 100m， 为 了简化模拟和显示，仅呈现了 RWMM 下 WCA 算法和 MOTBCS 方法簇首数量随模拟时间变化的情况，如图 16 所示。由于节点的能耗都比较小，所以测试中其对结果没有太直接的影响；然而由于MOTBCS 应用了最大客观信任机制，故从模拟结果可以看出，其簇首数量在大多数情况下均小于WCA 算法，平均值也明显小于后者，MOTBCS簇首数动态统计均值比 WCA 大约少了 1
46、4%左右。图 16 簇首数统计(节点数=80)6.4 模拟测试结论从模拟结果可以看出，WCA 算法和MOTBCS 算法的成员节点变化频率以及簇首变化频率优于其他簇生成算法。同时，当节点移动速度增加或无线传输距离增加时，MOTBCS 算法的性能略优于 WCA 算法，原因在于 MOTBCS 的客观信任评估机制能使其簇首竞争原则有条件地触发簇首的竞争，从而降低了簇首变化的频率，而簇首变化将引起成员变化，因此尤其在拓扑变化频繁时，MOTBCS 算法的性能优势更明显。此外，MOTBCS 方法的工作开销较小，簇首数量也少于WCA 算法。7 结束语本文从客观信任衍变建模的角度，基于能量和相对运动观点，以节点
47、稳定链路数为测度，提出了一种基于最大客观信任的移动自组网分簇算法（MOTBCS） ，并分析了该成簇方法的极大独立性。通过模拟实验可以表明：MOTBCS 算法在节点通信能力、移动速度等条件变化的情况下，簇结构的稳定性以及通信开销均优于 Max-Degree 算法、L owest-ID 算法以及 WCA 算法，证明了其适合为移动自组网络建立可靠的、基于簇的层次结构。对 于 这 里 所 提 出 的 基 于 客 观 信 任 稳 定 度 的 分 簇模 型 与 算 法 ， 本 文 针 对 由 于 移 动 所 造 成 的 稳 定 度 变化 进 行 了 较 为 详 细 的 分 析 ， 但 在 模 拟 中 ，
48、所 设 定 的能 量 消 耗 比 都 比 较 小 ， 对 于 由 于 能 量 消 耗 等 原 因 造成 客 观 信 任 变 化 的 影 响 还 未 能 充 分 体 现 ， 今 后 将 有必 要 结 合 实 际 更 好 地 对 MOTBCS 进 行 改 进 与 完 善 。参考文献：22 通 信 学 报 第 30 卷张强（1981-），男，安徽绩溪人，国防科技大学计算机学院博士生，主要研究方向为移动自组网、网络与信息安全等。1 VARADHARAJAN V, SHANKARAN R, HITCHENS M. Security for cluster based ad hoc networksJ.
49、Computer Communications, 2004, 27(5): 488-501.2 EPHREMIDES A, WIESELTHIER J E, BAKER D J. A design concept for reliable mobile radio networks with frequency hopping signalingA. Proceedings of IEEEC. 1987.56-73.3 GERLA M , TSAI J. TC. Multicluster, mobile, multimedia radio networkJ. Wireless Networks, 1995,1(3): 255-265.4 P
