狄元博 陶 凱 葉永安

（1.海軍裝備研究院 北京 100161）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430079）（3.73141部隊(duì) 南安 362301）

1 引言

現(xiàn)實(shí)的分層結(jié)構(gòu)為有線和計(jì)算機(jī)通信中的網(wǎng)管、資源利用等方面帶來了極大的便利，因此人們期望在Ad Hoc網(wǎng)中也能構(gòu)建這樣一種骨干網(wǎng)，稱為虛擬骨干網(wǎng)，緩解Ad Hoc自組網(wǎng)因其動(dòng)態(tài)特性造成的網(wǎng)管和資源利用不便的情況。研究表明，虛擬骨干網(wǎng)在無線自組網(wǎng)的路由、廣播以及連通控制中起著至關(guān)重要的作用［1～4］。

單位原模型［5］和圖論中的連通支配集（CDS）模型常被用于Ad Hoc自組網(wǎng)的虛擬骨干網(wǎng)。為了簡(jiǎn)化連通控制，總希望找到一個(gè)規(guī)模最小的CDS，然而圖論中已經(jīng)證明，求解最小連通支配集是一個(gè)NP完全難題，所以只能用近似的算法求解最小連通支配集［6～9］。

近似算法分為集中式構(gòu)建算法和分布式構(gòu)建算法。集中式構(gòu)建算法需要獲得整個(gè)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這對(duì)成員規(guī)模較大時(shí)是一筆不小的開銷。分布式構(gòu)建算法無線獲得整個(gè)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有較好的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)適應(yīng)性。

WAN算法是分布式構(gòu)造最小連通支配集的典型近似算法之一，本文基于WAN算法［10］提出了一種基于拓?fù)浞謱拥臉O小連通支配集的構(gòu)造算法LMCDS算法，結(jié)果顯示LMCDS算法不但可以生成節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的連通支配集，而且在消息復(fù)雜度方面有明顯改善。

2 LMCDS算法描述

LMCDS算法的流程如圖1所示。在LMCDS算法開始之前，所有節(jié)點(diǎn)需要探索外部的拓?fù)?，其過程如下：所有節(jié)點(diǎn)廣播VISIT訪問消息，消息中附帶其節(jié)點(diǎn)編號(hào)。通過接收鄰居節(jié)點(diǎn)的VISIT消息節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)造出鄰居節(jié)點(diǎn)表。而后每個(gè)節(jié)點(diǎn)將鄰居節(jié)點(diǎn)表附入VISIT消息中再次廣播，通過接收相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的VISIT消息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以計(jì)算出鄰居節(jié)點(diǎn)的度（deg）以及鄰居節(jié)點(diǎn)表等信息。所謂節(jié)點(diǎn)的度是指節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，假設(shè)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的最大度為△。

圖1 LMCDS算法流程

2.1 生成樹的構(gòu)建

構(gòu)建極大獨(dú)立集之前首先要建立一棵生成樹，這樣做的目的是將一個(gè)網(wǎng)分為若干層，并確立節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系。生成樹的構(gòu)建是通過廣播HELLO消息來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)有一個(gè)變量Level，Level初始值均為0。節(jié)點(diǎn)的Level值代表該節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)內(nèi)的第幾層，即節(jié)點(diǎn)所處層的層號(hào)。規(guī)定層號(hào)為奇數(shù)的為支配層，其余的層為被支配層。廣播HELLO消息的規(guī)則如下

規(guī)則1：選擇節(jié)點(diǎn)號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，并將根節(jié)點(diǎn)的Level值設(shè)置為1。由根節(jié)點(diǎn)開始廣播HELLO消息，HELLO消息中包含自己的ID和Level值。

規(guī)則2：每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能接收一次HELLO消息。任意收到HELLO消息的節(jié)點(diǎn)將發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為自己的父節(jié)點(diǎn)，并將自己的Level值設(shè)置為發(fā)送節(jié)點(diǎn)Level值加1，然后將自己的ID和Level值添加到HELLO消息中，并轉(zhuǎn)發(fā)HELLO消息。

規(guī)則3：同時(shí)收到HELLO消息的節(jié)點(diǎn)，按時(shí)隙轉(zhuǎn)發(fā)HELLO消息，節(jié)點(diǎn)度大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。按時(shí)隙轉(zhuǎn)發(fā)保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有唯一的父節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)的Level值均不為零時(shí)，生成樹構(gòu)建完成。此時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)的Level值和父節(jié)點(diǎn)都已確定。

2.2 極小支配集的構(gòu)建

生成樹構(gòu)建完畢之后，該網(wǎng)隨之分層完畢。接下來開始構(gòu)建該網(wǎng)的極小支配集。根據(jù)圖論的知識(shí)，一個(gè)圖的極大獨(dú)立集（MIS）都是它的極小支配集（MDS），所以可以通過構(gòu)建MIS的方法實(shí)現(xiàn)MDS的構(gòu)建。

構(gòu)建MIS開始之前，首先給出一個(gè)鍵值（Key）的概念，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)u，定義其鍵值為 K（u）＝（deg（u），ID（u）），即一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鍵值是其節(jié)點(diǎn)度與節(jié)點(diǎn)號(hào)的有序組合。給定任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)u和v，只要deg（u）＞deg（v），則 K（u）＞K（v）；deg（u）＜deg（v），則 K（u）＜K（v）；若 deg（u）＝deg（v），ID（u）＞ID（v），則 K（u）＞K（v）。

LMCDS算法采用染色法構(gòu)建MIS。初始時(shí)所有節(jié)點(diǎn)均為白色，然后按照如下操作逐步對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行染色，直至所有的節(jié)點(diǎn)都被染成黑色或灰色，則停止染色。

規(guī)則1：每個(gè)支配層首先選擇該層Key值最大的白色節(jié)點(diǎn)并將其染黑。黑色節(jié)點(diǎn)廣播BLACK消息，白色節(jié)點(diǎn)收到BLACK消息就將自己染灰。

規(guī)則2：若支配層中還存在白色節(jié)點(diǎn)就按照規(guī)則1繼續(xù)染色。

規(guī)則3：若支配層無白色節(jié)點(diǎn)，被支配層仍有白色節(jié)點(diǎn)，則從被支配層選擇Key值最大的白色節(jié)點(diǎn)并將其染黑，然后廣播BLACK消息。

染色完成之后，所有的黑色節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了極大獨(dú)立集，證明如下。

命題1：LMCDS算法生成的所有黑色節(jié)點(diǎn)構(gòu)成極大獨(dú)立集。

證明：由染色規(guī)則易知，若黑色節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)內(nèi)同一層，則它們必不相鄰；若黑色節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)內(nèi)的不同層，則它們至少相隔兩跳的距離，故黑色節(jié)點(diǎn)構(gòu)成獨(dú)立集。又因?yàn)槿旧瓿芍?，所有的灰色?jié)點(diǎn)均被黑色節(jié)點(diǎn)覆蓋，即所有的灰色節(jié)點(diǎn)至少和一個(gè)黑色節(jié)點(diǎn)相鄰，若任選一個(gè)灰色節(jié)點(diǎn)染黑，所有的黑色節(jié)點(diǎn)將不再構(gòu)成獨(dú)立集，所以該獨(dú)立集為極大獨(dú)立集。

2.3 連通極小支配集

極小支配集構(gòu)建完畢之后，要將其連通以實(shí)現(xiàn)極小連通支配集的構(gòu)建。在LMCDS算法中，所有的支配節(jié)點(diǎn)之間是相互獨(dú)立的，所以只能從被支配節(jié)點(diǎn)中選擇若干節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)MDS的連通。而生成樹和MIS的構(gòu)建完成之后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的連通及父子關(guān)系，只需將支配節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)加入極小支配集即可實(shí)現(xiàn)極小支配集的連通。極小支配集及其支配節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)一起構(gòu)成了極小連通支配集，證明如下。

以圖2（a）的拓?fù)錇槔?，圖2（b）～2（g）演示了 MIS的構(gòu)建過程。圖2（g）中所有的黑色節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了MIS，圖2（h）中所有的黑色節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了CDS。

圖2 LMCDS算法構(gòu)建CDS的應(yīng)用舉例

3 LMCDS算法性能分析

假設(shè)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n，在探索階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)探索鄰居信息，只需發(fā)送一次VISIT消息，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)周圍最多有△個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，因此消息復(fù)雜度為O（n）。第一階段構(gòu)建生成樹的過程中最壞情況下的時(shí)間復(fù)雜度為O（n），消息復(fù)雜度為O（n）。構(gòu)造MIS過程和連通MCDS過程的時(shí)間復(fù)雜度和消息復(fù)雜度都是線性的，所以最壞情況下LMCDS算法的時(shí)間復(fù)雜度為O（n），消息復(fù)雜度為O（n）。

設(shè)M為一個(gè)拓?fù)涞淖钚∵B通支配集，S為該網(wǎng)任意一個(gè)連通支配集，并假設(shè)網(wǎng)內(nèi)所有的黑色節(jié)點(diǎn)集合為S1，黑色節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)集合為S2，所以LMCDS算法中構(gòu)建的連通支配集S的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為｜S｜＝｜S1｜＋｜S2｜。由于幾個(gè)黑色節(jié)點(diǎn)可能有共同的父節(jié)點(diǎn)，且根節(jié)點(diǎn)無父節(jié)點(diǎn)，所以有｜S2｜≤｜S1｜－1，根據(jù)最大獨(dú)立集的性質(zhì)［10］，｜S1｜≤4｜M｜＋1，故｜S｜≤2｜S1｜－1≤8｜M｜＋1。即LMCDS構(gòu)建的極小連通支配集的數(shù)目最多為8｜M｜＋1。

LMCDS算法和WAN算法的性能比較見表1。

表1 兩種算法的性能比較

4 結(jié)語

本文基于WAN算法提出了一種分布式極小連通支配集構(gòu)建方法LMCDS，該算法不但可以生成規(guī)模較小的連通支配集，而且與WAN算法相比，本算法具有較小的消息復(fù)雜度，因此在動(dòng)態(tài)性高、開銷要求小的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方面具有一定應(yīng)用價(jià)值。

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