一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法

1.本发明涉及复杂网络建模领域，尤其涉及一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法。


背景技术：

2.很多实际复杂网络中的节点都受到空间位置的制约，我们称之为空间网络。我们考虑一种广泛存在于现实世界的一种空间网络——无线自组织网络，传统的无线自组织网络大多采用空间随机几何网络模型，在这个网络模型中，每个节点(主机或传感器)均具有相同且较小的连通半径，这就导致了整个网络的平均最少跳数很大，这对应于无线自组织网络中的传输延迟时间很长。加入连通半径较大的节点，意味着该节点的能量消耗较大，而对于无线自组织网络，主机或传感器由电池供电，在执行任务期间可能无法充电或更换电池。因此，有限的电池寿命限制了网络中大连通半径的节点的数量不能很多。因此，为了使无线自组织网络正常工作，传输延时和能量消耗是两个关键的性能指标。但这两个指标存在一定的矛盾，即减小传输延时会带来能量消耗的增加，反之亦然。
3.现有技术中均是有向网络，因此，此类网络中连通半径不同的节点有可能出现单向链路，并且大多存在多个不同连通半径的节点，这意味着在无线自组织网络中有多种类型的主机或传感器，这不仅会增加主机或传感器维护的时间和难度，还会使网络出现大量的单向链路。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，能够将两种通信半径混合，使得生成的无线自组织网络同时具有较小的传输延时和较低的能量消耗。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.作为优选的，
7.一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，包括如下步骤：
8.s1、建立混合半径空间网络模型；
9.s2、参数设置。
10.作为优选的，s1包括对欧氏距离小于设定半径的节点之间设为小半径连边。使得不同节点具有不同的连接半径。
11.作为优选的，s1还包括对部分节点删除小半径连边并在设定的大半径范围内重新建立大半径连边。使得连边总数不变。
12.作为优选的，只有当两个节点间的距离同时小于这两个节点连通半径时才能建立新的连边。避免出现单向连边。
13.作为优选的，s2包括统计数据、根据需要调整参数调整模型。从而建立平均最少跳数和平均能耗都相对较小的混合半径空间网络。
14.作为优选的，数据包括：网络平均最少跳数，用于反映网络传输延时；平均能耗，用于反映传输消耗的能耗。能够平衡降低延时和降低能耗这一对矛盾的指标的需求。
15.作为优选的，参数包括大半径节点数量占比，用于反映混合半径空间网络类型；大半径与小半径的比值，用于反映能耗的变化幅度。能够反映平均最少跳数和平均能耗的变化。
16.本发明的实施方式具有如下优点：
17.(1)添加少量长距离连边，从而降低了网络的平均最少跳数，即降低了信息的传输延迟；(2)当p取较小的值而β取较大的值时，混合半径空间网络不仅能有效的降低网络的平均最少跳数，还能保证较低的平均能耗；(3)在实际应用中，通过调节p和β的值，可以得到满足不同实际需求的混合半径空间网络。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
19.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达到的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
20.图1是本发明中参数p和β对网络的平均最少跳数的影响曲线图。
21.图2是本发明中参数p和β对网络的平均能耗的影响曲线图。
22.图3是本发明的方法步骤示意图。
具体实施方式
23.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的认识可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1所示，在一个较佳的实施例中，本发明公开了一种有两种通信半径混合存在的无向空间网络，我们称之为混合半径空间网络。小半径节点用来维持网络较低的能量消耗，大半径节点用来降低网络的平均最少跳数，即降低网络中信息的传输延迟。本发明通过在网络中替换少量具有较大连通半径的节点，实际是在网络中添加少量长距离连边，从而降低了网络的平均最少跳数，即降低了信息的传输延迟，并通过研究混合半径空间网络的平均最少跳数和平均能耗，来确定合理的大小半径的比值以及大半径节点的占比，使得生成的无线自组织网络同时具有较小的传输延时和较低的能量消耗。
25.本发明具体步骤如下：
26.步骤一、建立混合半径空间网络模型
27.本发明建立的网络模型中共有两种连通半径r1和r2(r1《r2)，分别称r1为小半径，r2为大半径。其中，连通半径为大半径r2的节点数量占比为p(0《p《1),连通半径为小半径r1的节点数量占比为1-p,为了保证网络不出现孤立节点和子团，每个节点的半径应不小于临界半径rc。，临界半径rc使用已有文献中计算的结果。基于以上考虑，混合半径模型设计如下：
28.(1)使n个节点随机分布在[0,1]
×
[0,1]的正方形区域内，则每个节点被随机分配坐标(xi，yi)(i＝1,2,...,n)。首先给每个节点分配一个统一的小半径r1，为了简单而不失一般性，我们使小半径r1＝rc，如果节点i和节点j之间的欧氏距离小于r1，节点i和节点j之间将会产生一条无向连边。这里i,j＝1,2,...,n。
[0029]
(2)从n个节点中随机选取p*n个节点,删除这些节点的所有连边，然后在大半径r2范围内重新为这些节点建立连接。这里，取r2＝β*r1，β为大半径r2与小半径r1的比值。在重新连边过程中，我们保证每个节点断边重连后的边数等于其原来的边数，即网络的总边数在断边重连前后保持不变。在重新建立连边的时候还要注意，只有当两个节点间的距离同时小于这两个节点连通半径时才能建立新的连边。
[0030]
基于以上步骤，混合半径空间网络就生成了。不难发现，当p＝0时，网络中只存在小半径r1，我们称之为小半径空间网络。而当p＝1时，网络中只存在大半径r2，我们称之为大半径空间网络。所以，我们可以根据不同的需求在小半径空间网络与大半径空间网络之间通过调节参数p和β的值得到不同的混合半径空间网络。
[0031]
步骤二、参数设置
[0032]
混合半径空间网络的生成机制允许我们在小半径空间网络(p＝0)和大半径空间网络(p＝1)之间进行“调优”，从而创建满足不同实际需求的网络模型。例如，在无线自组织网络中，不考虑主机移动性，每个主机都可以充当路由器。如果接收方在源节点的传输范围内，则通过单跳传输实现通信会话；否则通过中间节点中继实现通信会话，即通过多跳传输实现通信会话。因此，中继节点越多，接收方的信息延时就越长。为了缩短平均延时，我们可以通过长距离连边来减少中继节点，即减小跳数。要做到这一点，就需要有大量的大半径节点，即需要大的p值。另一方面，主机由电池供电，在执行任务期间可能无法充电或更换电池。因此，有限的电池寿命限制了网络性能。在负载相同的情况下，为了延长网络寿命，我们应该降低每次传输的能耗，这对应着一个小的p值。从上述分析来看，降低延时和降低能耗是一对矛盾的指标。为了确定合适的参数值，我们考察网络的平均延时和平均能耗，使得在最终确定的参数值下，平均延时和平均能耗都可以接受。
[0033]
在很多传输过程中，延时主要是由节点处理负载的时间造成的。基于这种假设，从节点i到节点j的传输延时，与节点i到节点j的路径上经过的节点数成正比。而后者正好等于节点i到节点j的最少跳数，用d
ij
表示。网络中的平均传输延时与网络平均最少跳数成正比。因此，我们考虑的第一个统计量是平均最少跳数，定义如下
[0034][0035]
第二个统计量是平均能耗。在无线自组织网络中，大部分能耗用于无线传输，能耗与传输距离之间的关系为：e＝kln，l为传输距离(即通信双方的欧氏距离)，k为常数，指数n为2≤n≤4。我们定义平均能耗为网络中所有能耗的平均值：
[0036][0037]
式中b为网络的连边数，ei为第i条边的能耗。为了简单而不失一般性，我们取k＝1,n＝2。在此基础上，我们寻求在固定网络总边数情况下，改变p和β的值，从而建立平均最少跳数和平均能耗都相对较小的混合半径空间网络。
[0038]
图1中参数p和β对网络的平均最少跳数的影响。n＝500,r1＝rc＝0.082,r2＝β*r1(β＝1,2,3,4,5),所示的结果是10次实现的平均值。
[0039]
图2中参数p和β对网络的平均能耗的影响。n＝500,r1＝rc＝0.082,r2＝β*r1(β＝1,2,3,4,5)，所示的结果是10次实现的平均值。
[0040]
从图1可以看出，当保持β不变时，随着参数p逐渐增大时，平均最少跳数逐渐减少。当保持p不变时，随着β逐渐增大，平均最少跳数逐渐减少。从图2可以看出，当保持β不变时，随着参数p逐渐增大时，平均能耗在逐渐增加。当保持p不变时，随着β逐渐增大，平均能耗也在逐渐增加。不难理解，p逐渐增大意味着大半径节点的比例在逐渐增加，也就导致网络中出现更多的长距离连边，正是因为长距离连边数量的增加，导致平均最少跳数的减少和平均能耗的增加。另一方面，β增大意味着大半径变得更大，因此长距离连边的长度会随之增加，导致平均最少跳数的减少和平均能耗的增加。
[0041]
综上，当p和β取不同的值时，混合半径空间网络的平均最少跳数和平均能耗也不同，尤其当p取较小值而β取较大值时，网络的平均最少跳数和平均能耗都相对较小。因此，在实际应用中，应充分考虑具体网络的实际需求来确定合理的p值和β值。
[0042]
本文中β的取值有很多可能，我们为了便于比较和理解，在仿真画图中取了{1，2，3，4，5}，要大半径比小半径大就可以，而在图1图2中出现的β＝1只是一种极端情况，是为了与其他取值做对比，因此，并不对β的具体取值做限定。
[0043]
从图1和图2所示的结果可以看出，当p＝0，β＝1，2，3，4，5时，该网络为小半径空间网络，此时网络的平均最少跳数最大但平均能耗最小；随着p和β的逐渐增加，即当0《p《1，β＝1，2，3，4，5时，该网络为混合半径空间网络，此时网络的平均最少跳数显著降低但平均能耗逐渐增加；而当p＝1，β＝5时，该网络为大半径空间网络，此时网络的平均最短跳数最小但平均能耗最高。综上，混合半径空间网络可以有效的降低网络的平均最少跳数，但同时也会增加网络的平均能耗。但是，当p取较小的值而β取较大的值时，混合半径空间网络不仅能有效的降低网络的平均最少跳数，还能保证较低的平均能耗。所以，在实际应用中，通过调节p和β的值，可以得到满足不同实际需求的混合半径空间网络。
[0044]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、建立混合半径空间网络模型；s2、参数设置。2.根据权利要求1所述的一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，所述s1包括对欧氏距离小于设定半径的节点之间设为小半径连边。3.根据权利要求2所述的一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，还包括对部分节点删除小半径连边并在设定的大半径范围内重新建立大半径连边。4.根据权利要求2或3所述的一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，只有当两个节点间的距离同时小于这两个节点连通半径时才能建立新的连边。5.根据权利要求1或2所述的一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，所述s2包括统计数据、根据需要调整参数调整模型。6.根据权利要求5所述的一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，所述数据包括：网络平均最少跳数，用于反映网络传输延时；平均能耗，用于反映传输消耗的能耗。7.根据权利要求6所述的一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，其特征在于，所述参数包括大半径节点数量占比，用于反映混合半径空间网络类型；大半径与小半径的比值，用于反映能耗的变化幅度。

技术总结
本发明公开了一种基于节点空间位置的混合半径空间网络生成方法，包括如下步骤：S1、建立混合半径空间网络模型；S2、参数设置；添加少量长距离连边，从而降低了网络的平均最少跳数，即降低了信息的传输延迟；当p取较小的值而β取较大的值时，混合半径空间网络不仅能有效的降低网络的平均最少跳数，还能保证较低的平均能耗；在实际应用中，通过调节p和β的值，可以得到满足不同实际需求的混合半径空间网络。以得到满足不同实际需求的混合半径空间网络。以得到满足不同实际需求的混合半径空间网络。


技术研发人员：夏永祥 梁圆圆
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/5/25