一種基于能量預測的異構無線傳感網的拓撲構建方法
【專利說明】一種基于能量預測的異構無線傳感網的拓撲構建方法 【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無線傳感網的構建方法，具體涉及一種基于能量預測的異構無線 傳感網的拓撲構建方法，屬于無線傳感網技術領域。 【【背景技術】】
[0002] 無線傳感器網絡（WirelessSensorNetworks,WSNs)是一個無線自組織網絡，它 由大量資源受限的傳感器節點組成。基于WSNs的特性，可用較低的成本靈活地解決大量監 測問題，尤其是一些危險區域的監測問題。節點在網絡通信、數據處理等方面需要消耗大量 能量，且節點能量不易得到及時補充。因此如何降低能耗，盡可能延長網絡生存時間是WSNs 急需解決的問題。而拓撲控制是解決此類問題的有效手段之一，其中拓撲構建則是拓撲控 制的首要過程，包括分簇拓撲構建和樹拓撲構建。
[0003] 分簇技術早已被證明在傳感器網絡的節能及擴展性上具備一定的優勢，如經典 LEACH(Low-energyadaptiveclusteringhierarchy)協議及其改進協議。但不少已公開 的分簇協議面向同構網絡模型或者針對二級、三級異構網絡模型，且在節能上的性能不盡 人意。因此，對于異構無線傳感網中節點能耗問題，急需一種更優方法來解決。
[0004] 因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創新的基于能量預測的異構無線 傳感網的拓撲構建方法，以克服現有技術中的所述缺陷。 【
【發明內容】
】
[0005] 為解決上述技術問題，本發明的目的在于一種基于能量預測的適用于異構無線傳 感網的分簇樹型拓撲構建方法，其能在復雜的異構網絡環境下有效利用節點能量，從而延 長網絡生命周期的問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：一種基于能量預測的異構無線傳感 網的拓撲構建方法，其包括以下步驟：
[0007] 1)依據整體網絡在理想情況下的平均剩余能量和能量差值，分析估計下一輪的網 絡平均剩余能量值，實際網絡的平均能量計算公式為：
[0008]
(T)
[0009] 其中，e(r)為實際網絡平均能量與理想狀態下能量之間的差值，e(r)的子樣均值 y'服從正態分布，即~/Vdf) 為理想情況下的網絡平均剩余能量值；
[0010] 2)結合節點自身能量、鏈路可靠性以及丟包率，以成本代價值選取節點為簇頭； 成本代價的計算公式為：
(2)[0012] 其中，％為權重系數，￡_表示節點的剩余能量，plink為鏈路可靠性，plc]SS表示鏈
[0011] 路丟包率，Plink,PlcissG(〇, 1]，且p^與plciss成一定比例反比，g卩當鏈路可靠性plink越高， 節點丟包率Plciss越低；該式表示剩余能量越高，鏈路可靠性越高，且丟包率越低的節點越有 可能被當選為簇頭；
[0013] 3)簇頭被選擇后，簇頭節點在其通信范圍內廣播自身當選的消息，以邀請非簇頭 節點的加入，則每個簇可看做是以簇頭為中心的區域；
[0014] 4)簇內成樹過程：以簇頭為圓心，以L2為半徑，將簇區域劃分為兩個區域；以簇頭 為原點，利用十字坐標將簇分為I、II、III和IV四個區域，最后在各區域的內圓和圓環中分 別尋找適宜節點作為中轉節點，以接收其余節點傳遞的消息并將消息傳遞至簇頭；根據下 式選取權值最小的節點作為中轉節點：
[0015] (3)
[0016] 其中，《2為權值系數，為各自區域內的節點個數，du為節點間距離，duCH為 節點與簇頭間的距離。
[0017] 本發明的基于能量預測的異構無線傳感網的拓撲構建方法進一步為：所述步驟 1)中，e(r)的子樣均值y'服從正態分布# _~#(/^.@.):，:1其4
[0018]
[0019] 在前兩輪中，通過已知實際網絡平均能量計算差值e(l)和e(2)，通過假設其服從 正態分布，求得置信區間；再在區間內隨機選擇八個數據，與已有的差值e(l)和e(2)構成 數據樣本；然后抽取三個子樣值，最后求得樣本值V;根據該正態分布函數求下一輪的差 值e(r);當r>10時，由于差值數據已足夠，可直接在已有數據中抽樣，求子樣平均值，并根 據y'的正態分布，預測第r輪的差值，從而計算網絡平均剩余能量。
[0020] 本發明的基于能量預測的異構無線傳感網的拓撲構建方法還可為：在所述步驟 3)中，當非簇頭節點接收到多個簇頭發送的邀請信息時，根據簇頭剩余能量、簇頭與節點間 的鏈路穩定性以及簇頭與節點間的距離，確定非簇頭節點加入哪一個簇；計算公式為：
[0021] (4>
[0022] 其中，F(u,V，r)表示在第r輪時簇頭節點v和非簇頭節點u之間的函數值，盡U表 示在第r輪簇頭節點v的剩余能量，d(u,v)為節點u與v之間的距離。
[0023] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：本發明的基于能量預測的異構無線 傳感網的拓撲構建方法基于分簇樹型原理提出，依據理想情況下的平均剩余能量和能量差 值，分析估計下一輪的網絡平均剩余能量值；結合節點的能量、鏈路可靠性及丟包率，以成 本代價值選取節點為簇頭，并考慮簇頭間距離，調整被選簇頭；通過節點能量等參數引導簇 形成；最后在簇成員中尋找中轉節點，將數據通過中轉節點傳至簇頭，以降低網絡能量消 耗，延長網絡生命周期。 【【附圖說明】】
[0024]圖1是本發明的基于能量預測的異構無線傳感網的拓撲構建方法的流程圖。 【【具體實施方式】】
[0025] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0026] 參照圖1，本發明為一種基于能量預測的異構無線傳感網的拓撲構建方法，其包括 如下步驟：
[0027] 1)網絡平均能量估計階段
[0028] 在分簇方法中，通過估計預測下一輪網絡的平均能量值將有利于簇頭的選舉，亦 可減少節點消息的傳遞量，降低網絡能耗。
[0029] 依據整體網絡在理想情況下的平均剩余能量和能量差值，分析估計下一輪的網絡 平均剩余能量值，實際網絡的平均能量計算公式為：
[0030]
⑴
[0031] 其中，e(r)為實際網絡平均能量與理想狀態下能量之間的差值，e(r)的子樣均值 y'服從正態分布，即~八/斤^),l.,，）為理想情況下的網絡平均剩余能量值。
[0032] e(r)的子樣均值y，服從正態分布眾~八~斤'，cr2)，其中
[0033]
[0034]
[0035]在前兩輪中，通過已知實際網絡平均能量計算差值e(l)和e(2)，通過假設其服從 正態分布，求得置信區間；再在區間內隨機選擇八個數據，與已有的差值e(l)和e(2)構成 數據樣本；然后抽取三個子樣值，最后求得樣本值y'。根據該正態分布函數求下一輪的差 值e(r)。當r>10時，由于差值數據已足夠，可直接在已有數據中抽樣，求子樣平均值，并根 據y'的正態分布，預測第r輪的差值，從而計算網絡平均剩余能量。
[0036] 2)選擇簇頭形成簇階段
[0037] 結合節點自身能量