一种基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法
【专利说明】一种基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传感网的构建方法，具体涉及一种基于能量预测的异构无线 传感网的拓扑构建方法，属于无线传感网技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSNs)是一个无线自组织网络，它 由大量资源受限的传感器节点组成。基于WSNs的特性，可用较低的成本灵活地解决大量监 测问题，尤其是一些危险区域的监测问题。节点在网络通信、数据处理等方面需要消耗大量 能量，且节点能量不易得到及时补充。因此如何降低能耗，尽可能延长网络生存时间是WSNs 急需解决的问题。而拓扑控制是解决此类问题的有效手段之一，其中拓扑构建则是拓扑控 制的首要过程，包括分簇拓扑构建和树拓扑构建。
[0003] 分簇技术早已被证明在传感器网络的节能及扩展性上具备一定的优势，如经典 LEACH(Low-energyadaptiveclusteringhierarchy)协议及其改进协议。但不少已公开 的分簇协议面向同构网络模型或者针对二级、三级异构网络模型，且在节能上的性能不尽 人意。因此，对于异构无线传感网中节点能耗问题，急需一种更优方法来解决。
[0004] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于能量预测的异构无线 传感网的拓扑构建方法，以克服现有技术中的所述缺陷。 【
【发明内容】
】
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种基于能量预测的适用于异构无线传 感网的分簇树型拓扑构建方法，其能在复杂的异构网络环境下有效利用节点能量，从而延 长网络生命周期的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于能量预测的异构无线传感 网的拓扑构建方法，其包括以下步骤：
[0007] 1)依据整体网络在理想情况下的平均剩余能量和能量差值，分析估计下一轮的网 络平均剩余能量值，实际网络的平均能量计算公式为：
[0008]
(T)
[0009] 其中，e(r)为实际网络平均能量与理想状态下能量之间的差值，e(r)的子样均值 y'服从正态分布，即~/Vdf) 为理想情况下的网络平均剩余能量值；
[0010] 2)结合节点自身能量、链路可靠性以及丢包率，以成本代价值选取节点为簇头； 成本代价的计算公式为：
(2)[0012] 其中，％为权重系数，￡_表示节点的剩余能量，plink为链路可靠性，plc]SS表示链
[0011] 路丢包率，Plink,PlcissG(〇, 1]，且p^与plciss成一定比例反比，g卩当链路可靠性plink越高， 节点丢包率Plciss越低；该式表示剩余能量越高，链路可靠性越高，且丢包率越低的节点越有 可能被当选为簇头；
[0013] 3)簇头被选择后，簇头节点在其通信范围内广播自身当选的消息，以邀请非簇头 节点的加入，则每个簇可看做是以簇头为中心的区域；
[0014] 4)簇内成树过程：以簇头为圆心，以L2为半径，将簇区域划分为两个区域；以簇头 为原点，利用十字坐标将簇分为I、II、III和IV四个区域，最后在各区域的内圆和圆环中分 别寻找适宜节点作为中转节点，以接收其余节点传递的消息并将消息传递至簇头；根据下 式选取权值最小的节点作为中转节点：
[0015] (3)
[0016] 其中，《2为权值系数，为各自区域内的节点个数，du为节点间距离，duCH为 节点与簇头间的距离。
[0017] 本发明的基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法进一步为：所述步骤 1)中，e(r)的子样均值y'服从正态分布# _~#(/^.@.):，:1其4
[0018]
[0019] 在前两轮中，通过已知实际网络平均能量计算差值e(l)和e(2)，通过假设其服从 正态分布，求得置信区间；再在区间内随机选择八个数据，与已有的差值e(l)和e(2)构成 数据样本；然后抽取三个子样值，最后求得样本值V;根据该正态分布函数求下一轮的差 值e(r);当r>10时，由于差值数据已足够，可直接在已有数据中抽样，求子样平均值，并根 据y'的正态分布，预测第r轮的差值，从而计算网络平均剩余能量。
[0020] 本发明的基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法还可为：在所述步骤 3)中，当非簇头节点接收到多个簇头发送的邀请信息时，根据簇头剩余能量、簇头与节点间 的链路稳定性以及簇头与节点间的距离，确定非簇头节点加入哪一个簇；计算公式为：
[0021] (4>
[0022] 其中，F(u,V，r)表示在第r轮时簇头节点v和非簇头节点u之间的函数值，尽U表 示在第r轮簇头节点v的剩余能量，d(u,v)为节点u与v之间的距离。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的基于能量预测的异构无线 传感网的拓扑构建方法基于分簇树型原理提出，依据理想情况下的平均剩余能量和能量差 值，分析估计下一轮的网络平均剩余能量值；结合节点的能量、链路可靠性及丢包率，以成 本代价值选取节点为簇头，并考虑簇头间距离，调整被选簇头；通过节点能量等参数引导簇 形成；最后在簇成员中寻找中转节点，将数据通过中转节点传至簇头，以降低网络能量消 耗，延长网络生命周期。 【【附图说明】】
[0024]图1是本发明的基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法的流程图。 【【具体实施方式】】
[0025] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0026] 参照图1，本发明为一种基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法，其包括 如下步骤：
[0027] 1)网络平均能量估计阶段
[0028] 在分簇方法中，通过估计预测下一轮网络的平均能量值将有利于簇头的选举，亦 可减少节点消息的传递量，降低网络能耗。
[0029] 依据整体网络在理想情况下的平均剩余能量和能量差值，分析估计下一轮的网络 平均剩余能量值，实际网络的平均能量计算公式为：
[0030]
⑴
[0031] 其中，e(r)为实际网络平均能量与理想状态下能量之间的差值，e(r)的子样均值 y'服从正态分布，即~八/斤^),l.,，）为理想情况下的网络平均剩余能量值。
[0032] e(r)的子样均值y，服从正态分布众~八~斤'，cr2)，其中
[0033]
[0034]
[0035]在前两轮中，通过已知实际网络平均能量计算差值e(l)和e(2)，通过假设其服从 正态分布，求得置信区间；再在区间内随机选择八个数据，与已有的差值e(l)和e(2)构成 数据样本；然后抽取三个子样值，最后求得样本值y'。根据该正态分布函数求下一轮的差 值e(r)。当r>10时，由于差值数据已足够，可直接在已有数据中抽样，求子样平均值，并根 据y'的正态分布，预测第r轮的差值，从而计算网络平均剩余能量。
[0036] 2)选择簇头形成簇阶段
[0037] 结合节点自身能量