一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种三维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，属于无线传感器网络技术领域。本发明首先对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获取各自当前的定位坐标信息；然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个三维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志；接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息；再接着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。本发明运用空间分簇、簇内休眠和状态转换机制有效地节省了能耗。
【专利说明】
-种H维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，属于无线传感器网 络技术领域。
【背景技术】
[0002] 在无线传感器网络中的传感器节点，都假定分布在二维平面上。运对于部署在地 面或是网络高度小于节点传输半径的网络来说是非常好的近似方法。在运些网络中，网络 的高度相比其长度和宽度可W被忽略。然而运种二维平面假设对于水下、空中、地下、建筑 物等网络高度大，节点在=维空间分布的场景就不适用了。尽管运些网络目前的应用比较 少，但是=维无线传感器网络在很多领域中的运用越来越普遍。例如，水下自组织传感器网 络已经引起了大量的关注。在水下传感器网络中，节点部署在水下不同的深度构成=维网 络;高空自组织传感器网络也引起了广泛关注，现有很多利用四旋翼无人机作为传感器节 点，W自组织形式、或人为编排形成一种高空传感器网络，而在高空部署无线传感器网络可 W更好地帮助我们进行天气预测和气候监测等高空作业、监测、检测等活动。
[0003] 当前有许多基于分簇的网络协议，其中一些协议基于节点的定位信息划分虚拟网 格实现对节点的分簇，再通过簇内的算法进行实现拓扑控制。但是=维空间的通信环境更 加复杂，有着更严格的能量约束，尤其是在高空中W四旋翼无人机作为网络节点，W自组织 或者认为编排形成的无线传感器网络。在=维应用场景中，现有的网络分簇方法并不理想。 本发明提出的方法基于节点定位信息进行空间网格分簇，同时改进簇内算法，实现面向能 耗优化的=维无线传感器网络拓扑控制，尤其适用于W四旋翼无人机作为网络节点，W自 组织或者认为编排形成的无线传感器网络。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，W用于实现面向 能耗优化的=维无线传感器网络拓扑控制。
[0005] 本发明的技术方案是:一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对 仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根 据位算法获取各自当前的定位坐标信息;然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节 点的通信半径，将整个=维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记 录自己所在的单元格标志;接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息;再接 着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最 后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。
[0006] 所述方法具体步骤如下：
[0007] StepU对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一 的标志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息;其中，所有节点 由汇聚节点、普通节点组成;仿真环境采用六棱柱作为=维空间的分割构型；
[0008] Step2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个=维空 间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志 cell_id；
[0009] Step3、每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息M;其中，节点交换信息 M的结构为<110(16_1(1,。611_1(1,31：曰16,61〉，31：曰16为当前节点状态，Ei为节点剩余能量，节点 状态分为发现状态和休眠状态；
[0010] step4、每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的 簇头节点：
[0011] 每个单元格内的普通节点向单元格内的其他节点发送广播消息，当普通节点发送 的广播消息最先被其他普通节点接收到，则该普通节点作为簇头节点，并进入激活状态;除 作为簇头节点之外的其他普通节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信；
[0012] steps、簇头轮换阶段：
[0013] a)如果单元格在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tf时间，非簇 头节点强制休眠Tf时间，经过Tf时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的 全部节点共同进入簇头轮换；
[0014] b)如果单元格不在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tp时间，非 簇头节点强制休眠Tp时间，经过Tp时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内 的全部节点共同进入簇头轮换；
[001 引其中，TKTp;
[0016] 簇头轮换具体为:分别计算单元格内每个节点的剩余能量因子fe，如果fe<0,则该 节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信;如果fe>0，则对单元格内所有fe>0的节 点采用步骤Step4的方式竞争簇头，选举出的簇头节点进入激活状态，非簇头节点进入休眠 状态。
[0017] 所述剩余能量因子
其中，Ei表示当前节点剩余能量， 玄表示单元格内全部节点的平均能耗;当
[001引本发明的工作原理是：
[0019] 采用六棱柱作为=维空间的分割构型，同时采用不规则的堆搁方案W减少需要的 节点数，其空间划分结构如图1所示。从图1中可W看出，W两层为例，上下两层单元格，下层 =个相邻单元顶面的中屯、是上层一个单元的=个顶点，上层单元底面的中屯、是下层=个相 邻单元顶面邻边的交点，如此摆放就得所需要的虚拟单元空间划分模型。对于一个六角棱 柱单元来说，它一共有12个相邻单元，其中6个是同层单元，另外6个在上下两层各有3个。对 划分模型进行计算，假设六棱柱单元六边形面的边长为a,棱柱的高为b，节点的通信和传感 半径为r，两种类型的相邻单元如图2、3所示，图2表示的是同层邻接单元，图3表示的是隔层 邻接单元，线段AB和A'B'就分别代表两种类型相邻空间单元内节点所能相距最远的距离。 从图2、3中可W看出，如果要保证邻接单元之内的通信，必须满足
和
，令AB=A^ =r，解方程可^得3
此时，所有 的相邻两个苗元化而W规I好端巧诵倍半径的约束。
[0020]
其中，当
E康示当前节点剩余能量， 复表示单元格内全部节点的平均能耗，运两个参数的比值衡量出节点相对簇内，可W使剩 余能量不低于簇内节点平均值的节点成为簇头的机率更大
^节点能量 小于平均值时为负值，此时剩余能量因子也为负值，表示节点不成为簇头，运样可W更好地 在簇内平衡能耗，使簇内节点能量更平均。
[0021] 本发明的有益效果是:本发明运用空间分簇、簇内休眠和状态转换机制有效地节 省了能耗，特别当节点数较多时，能耗优化的效果更为明显，能够大大减少参与中转的节点 数，虚拟单元划分W及相应调度机制能够很好地均衡网络负载，节点剩余能量分布趋于均 匀，延长网络的生存周期。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的空间单元格划分结构示意图；
[0023] 图2为本发明的邻接空间单元结构示意图一；
[0024] 图3为本发明的邻接空间单元结构示意图二；
[0025] 图4为本发明的执行流程示意图；
[0026] 图5为本发明实施例4中50%节点死亡时间比较图；
[0027] 图6为本发明实施例4中50%节点死亡时节点剩余能量对比图。
【具体实施方式】
[0028] 实施例1:如图1-6所示，一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对 仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根 据位算法获取各自当前的定位坐标信息;然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节 点的通信半径，将整个=维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记 录自己所在的单元格标志;接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息;再接 着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最 后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。
[0029] 所述方法具体步骤如下：
[0030] StepU对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一 的标志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息;其中，所有节点 由汇聚节点、普通节点组成;仿真环境采用六棱柱作为=维空间的分割构型；
[0031] Step2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个=维空 间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志 cell_id;
[0032] Step3、每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息M;其中，节点交换信息 M的结构为<11〇(16_1(1, cell_id, s1:ate ,Ei>，s1:ate为当前节点状态，Ei为节点剩余能量，节点 状态分为发现状态和休眠状态；
[0033] Step4、每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的 簇头节点：
[0034] 每个单元格内的普通节点向单元格内的其他节点发送广播消息，当普通节点发送 的广播消息最先被其他普通节点接收到，则该普通节点作为簇头节点，并进入激活状态;除 作为簇头节点之外的其他普通节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信；
[00巧]steps、簇头轮换阶段：
[0036] a)如果单元格在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tf时间，非簇 头节点强制休眠Tf时间，经过Tf时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的 全部节点共同进入簇头轮换；
[0037] b)如果单元格不在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tp时间，非 簇头节点强制休眠Tp时间，经过Tp时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内 的全部节点共同进入簇头轮换；
[003 引其中，TKTp;
[0039] 簇头轮换具体为:分别计算单元格内每个节点的剩余能量因子fe，如果fe<0,则该 节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信;如果fe>0，则对单元格内所有fe>0的节 点采用步骤Step4的方式竞争簇头，选举出的簇头节点进入激活状态，非簇头节点进入休眠 状态。
[0040] 所述剩余能量因子.
其中，Ei表示当前节点剩余能量， 左表示单元格内全部节点的平均能耗;当
[0041] 实施例2:如图1-6所示，一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对 仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根 据位算法获取各自当前的定位坐标信息;然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节 点的通信半径，将整个=维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记 录自己所在的单元格标志;接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息;再接 着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最 后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。
[0042] 所述方法具体步骤如下：
[0043] StepU对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一 的标志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息;其中，所有节点 由汇聚节点、普通节点组成;仿真环境采用六棱柱作为=维空间的分割构型；
[0044] Step2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个=维空 间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志 cell_id;
[0045] Step3、每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息M;其中，节点交换信息 M的结构为<11〇(16_1(1, cell_id, s1:ate ,Ei>，s1:ate为当前节点状态，Ei为节点剩余能量，节点 状态分为发现状态和休眠状态；
[0046] Step4、每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的 簇头节点：
[0047] 每个单元格内的普通节点向单元格内的其他节点发送广播消息，当普通节点发送 的广播消息最先被其他普通节点接收到，则该普通节点作为簇头节点，并进入激活状态;除 作为簇头节点之外的其他普通节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信；
[004引steps、簇头轮换阶段：
[0049] a)如果单元格在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tf时间，非簇 头节点强制休眠Tf时间，经过Tf时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的 全部节点共同进入簇头轮换；
[0050] b)如果单元格不在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tp时间，非 簇头节点强制休眠Tp时间，经过Tp时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内 的全部节点共同进入簇头轮换；
[0化^ 其中，TKTp;
[0052] 簇头轮换具体为:分别计算单元格内每个节点的剩余能量因子fe，如果fe<0,则该 节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信;如果fe>0，则对单元格内所有fe>0的节 点采用步骤Step4的方式竞争簇头，选举出的簇头节点进入激活状态，非簇头节点进入休眠 状态。
[0053] 实施例3:如图1-6所示，一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对 仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根 据位算法获取各自当前的定位坐标信息;然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节 点的通信半径，将整个=维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记 录自己所在的单元格标志;接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息;再接 着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最 后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。
[0054] 实施例4:如图1-6所示，一种=维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，首先对 仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根 据位算法获取各自当前的定位坐标信息;然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节 点的通信半径，将整个=维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记 录自己所在的单元格标志;接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息;再接 着每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最 后每个单元格内的普通节点进入簇头轮换阶段。
[0化日]所述方法具体步骤如下：
[0056] 现给出拓扑控制实例分析:本实例通过仿真软件OMNeT++进行，本方法对于S维空 间采用正六棱柱的划分方式，在空间的边界上无法形成完整的单元格，所W将汇聚节点放 在整个空间的中屯、，其他节点撒布在整个空间区域中，参数如表1所示：
[0057] 表1参数设置
[0化引
[0059] 1、对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标 志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息;其中，所有节点由汇 聚节点、普通节点组成;仿真环境采用六棱柱作为=维空间的分割构型；
[0060] 由表1可知，不妨令所有节点个数为N，且231<N<531;
[0061 ] a. N个节点随机部署在200m X 200m X 200m的S维立方体空间内；
[0062] b.=维立方体空间内所有节点所需传输的数据包长度为4000bits，控制包长度为 IOObits;
[0063] C.其中，一个靠近=维立方体空间内中屯、位置的节点被随机选做汇聚节点，不妨 取普通节点个数为300个；
[0064] d.由于本实验主要是判断其他节点的节点死亡时间和节点剩余能耗，则不妨设汇 聚节点的能量为无穷，当选的簇头节点的能量为无穷（即成为簇头节点期间不考虑该节点 本身的能量消耗）；
[0065] e.其他节点的移动性和消息传输的延迟都不做考虑，接收消息（区别于数据)和计 算的能耗忽略；
[0066] f.其他节点初始能量为2J，发送时能耗、接听时能耗、监听时能耗、休眠时能耗为 别为 50nJ/b i t、40nJ/b i t、InJ、0 J;
[0067] g.路由协议采用A0DV(Ad hoc On-demand Distance Vector Routing)和GCC-3D (Geographic Cell Clustering for 3D WSN)结合；
[0068] h.信号强度和距离相对于节点而言成反比。
[0069] 由于随机选取两个单元格ul、u2,并且每个单元格内选取两个普通节点:就能描述 本实验过程，不妨设单元格Ul是汇聚节点附近的单元格，单元格u2不是汇聚节点附近的单 元格;根据GAF定位算法可知，存在普通节点1112、]123、]169、]147、]1231和]171的当前环境场景 的定位坐标信息分别为（106,98,101)，（105,103,99)，（103,102,98)，（54,23,77)，（55,19， 80)，（55,20,75)，且不妨令普通节点1112、1123、1169、1147、11231和1171为实例节点进行说明实 验过程；
[0070] 2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个=维空间依 据六棱柱分割构型划分为30个单元格，根据普通节点1112、1123、1169、1147、11231和1171所在的 当前环境场景的定位坐标信息得知:普通节点nl2、n23和n69在单元格Ul内，记录各自的单 元格标志为nl2_ul，n23_ul，n69_ul;普通节点n47、n231和n71在单元格u2内，记录各自的单 元格标志为 n47_u2，n231_u2，n47_u2;
[0071] 3、1112、1123、1169生成自身的节点交换信息，分别为<1112，1112_111，发现，2於，<1123， n23_ul，发现，2J>，<n69，n69_ul，发现，2J>;n47、n231、n71生成自身的节点交换信息，分别 为<1147，n47_u2，发现，2J〉，<n231，n231_u2，发现，2J〉，<n71，n71_u2，发现，2J〉；
[0072] 4、单元格ul内的普通节点nl2、n23、n69和单元格u2内的普通节点n47、n231、n71共 同进入簇头选举阶段，选举出单元格内的簇头节点：
[0073] 单元格Ul内的普通节点nl2、n23、n69分别向单元格内除自身之外的其他普通节点 发送广播消息（如nl2向n23、n69发送广播消息），当普通节点nl2发送的广播消息最先被其 他普通节点n23、n69接收到，则普通节点nl2作为簇头节点，并进入激活状态;其他普通节点 n23、n69作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信；
[0074] 单元格u2内的普通节点1147、]1231、]171分别向单元格内除自身之外的其他普通节 点发送广播消息，当普通节点n47发送的广播消息最先被其他普通节点n231、n71接收到，贝U 普通节点n47作为簇头节点，并进入激活状态;其他普通节点n231、n71作为非簇头节点，并 进入休眠状态，关闭通f目；
[00巧]5、簇头轮换阶段：
[0076] a)单元格Ul在汇聚节点附近（W汇聚节点为中屯、，W节点通信半径r为半径的球体 内，若单元格存在部分或全部位于该球体内，则认为该单元格在汇聚节点附近），则单元格 Ul内的簇头节点ul2强制工作600s时间，非簇头节点n23、n69强制休眠600s时间，经过600s 时间后单元格U1内的全部普通节点n 12、n23、n69进入发现状态，接着共同进入簇头轮换；
[0077] b)单元格u2不在汇聚节点附近，则单元格u2内的簇头节点n47强制工作1200s时 间，非簇头节点n231、n71强制休眠1200s时间，经过1200s时间后单元格u2内的全部普通节 点1147、11231、1171进入发现状态，接着共同进入簇头轮换；
[0078] 簇头轮换具体为:单元格Ul内的普通节点nl2、n23、n69更新自身的节点交换信息 为<1112，nl2_ul，发现，1.2J〉，<n23，n23_ul，发现，1.5J〉，<n69，n69_ul，发现，1.8J〉；单元格 u2内的普通节点n47、n231、n71更新自身的节点交换信息为<n47，n47_u2，发现，1.1J〉，< n231，n231_u2，发现，1.4J〉，<n71，n71_u2，发现，1.7J〉；
[0079] 分别计算单元格ul内全部普通节点nl2、n23、n69的剩余能量因子fe:其中，fe_nl2 =1.2/((1.8+1.5+1.2)/3)*(1.2-((1.8+1.5+1.2)/3))/11.2-((1.8+1.5+1.2)/3)|=-4/5 <0，
[0080] fe_n23 = 0,
[0081 ] fe_nl2 = 1.8/((1.8+1.5+1.2)/3)*(1.8-((1.8+1.5+1.2)/3))/11.8-((1.8+1.5+ 1.2)/3) I =6/5〉0，
[0082] 分别计算单元格u2内全部普通节点n47、n231、n71的剩余能量因子fe:其中，
[0083] fe_n47=1.1/((1.7+1.4+1.1)/3)*(1.1-((1.7+1.4+1.1)/3))/11.1-((1.7+1.4+ 1.1)/3) I =-11/14<0，
[0084] fe_n231 = 0,
[0085] fe_n71 = 1.7/((1.7+1.4+1.1)/3)*(1.7-((1.7+1.4+1.1)/3))/11.7-((1.7+1.4+ 1.1)/3) I =17/14)0,
[0086] fe_n71、fe_nl2<0,贝憎通节点nl2、n47作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通 信；fe_n23、fe_nl2、fe_n231、fe_n71>0，则对单元格ul内的普通节点n23、nl2和单元格u2内 的n231、n71采用步骤4的方式竞争簇头，选举出的簇头节点进入激活状态，非簇头节点进入 休眠状态；
[0087] 如图5所示是在相同仿真环境下从网络初始化到网络中一半节点死亡时网络的运 行时间。从图中的曲线走势可W看出：当单独使用AODV路由协议时，随着节点数的不断增 加，节点的死亡时间极小幅度的增加，基本保持稳点不变的趋势当AODV和GCC-3D路由协议 (即本发明的控制方法)结合使用时，随着节点数的不断增加，节点的死亡时间基本成稳定 增长的趋势。结果说明本发明采用的空间分簇(即六棱柱分割构型划分为多个单元格)和簇 内休眠和状态转换机制有效地节省了能耗，使得运用GCC-3D后网络生命周期延长;在节点 密集分布的情况下，能耗优化更加有效，中转节点的数量减少，平衡了网络中的负载和能 耗，网络生存周期得到延长，使得在W四旋翼无人机为网络节点的=维无线传感器网络中 的拓扑控制到达更好的能耗优化效果。
[0088] 如图6所示是比较当一半节点死亡时其余节点能量分布。从图中可W看出：当单独 使用AODV协议时，节点的剩余能量分布很不均匀，而且有些节点的能耗比较大；当AODV和 GCC-3D结合使用时后，节点剩余能量分布趋于均匀。运是因为AODV没有良好的能耗均衡和 优化机制，但是GCC-3D的虚拟单元划分W及相应调度机制能够很好地平衡负载，延长网络 生命期。
[0089] 上面结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可W在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种Ξ维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，其特征在于：首先对仿真环境进 行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标志，所有节点根据位算法获 取各自当前的定位坐标信息;然后根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半 径，将整个Ξ维空间依据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在 的单元格标志;接着每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息;再接着每个单元 格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头节点；最后每个单元 格内的普通节点进入簇头轮换阶段。2. 根据权利要求1所述的Ξ维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，其特征在于:所 述方法具体步骤如下： Stepl、对仿真环境进行初始化，所有节点都处于发现状态，每个节点有一个唯一的标 志node_id，所有节点根据GAF定位算法获取各自当前的定位坐标信息;其中，所有节点由汇 聚节点、普通节点组成;仿真环境采用六棱柱作为Ξ维空间的分割构型； Step2、根据所有节点当前的定位坐标信息和所有节点的通信半径，将整个Ξ维空间依 据六棱柱分割构型划分为多个单元格，并且每个节点记录自己所在的单元格标志cell_id; Step3、每个单元格内的普通节点生成自身的节点交换信息Μ;其中，节点交换信息Μ的 结构为<110(16_1(1,。611_1(1,31曰16,61〉，31：曰16为当前节点状态，61为节点剩余能量，节点状态 分为发现状态和休眠状态； Step4、每个单元格内的普通节点共同进入簇头选举阶段，选举出每个单元格内的簇头 节点： 每个单元格内的普通节点向单元格内的其他节点发送广播消息，当普通节点发送的广 播消息最先被其他普通节点接收到，则该普通节点作为簇头节点，并进入激活状态;除作为 簇头节点之外的其他普通节点作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信； steps、簇头轮换阶段： a) 如果单元格在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Tf时间，非簇头节点 强制休眠 Tf时间，经过Tf时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的全部节 点共同进入簇头轮换； b) 如果单元格不在汇聚节点附近，则该单元格内的簇头节点强制工作Τρ时间，非簇头节 点强制休眠 Τρ时间，经过Τρ时间后单元格内的全部节点进入发现状态，接着单元格内的全部 节点共同进入簇头轮换； 其中，Tf<Tp; 簇头轮换具体为：分别计算单元格内每个节点的剩余能量因子fe，如果fe<0,则该节点 作为非簇头节点，并进入休眠状态，关闭通信;如果fe>0,则对单元格内所有fe>0的节点采 用步骤Step4的方式竞争簇头，选举出的簇头节点进入激活状态，非簇头节点进入休眠状 态。3. 根据权利要求2所述的Ξ维无线传感器网络实时定位拓扑控制方法，其特征在于:所 述剩余能量因子/产曲丘*((岛-忘）/侣-巧）;其中，E康示当前节点剩余能量，玄表示单元 格内全部节点的平均能耗;当玄=0时，fe=0。
【文档编号】H04W24/06GK105979540SQ201610415192
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】张晶, 马晨, 肖智斌, 李英娜, 江虹, 范洪博, 郭立, 王斯韬
【申请人】昆明理工大学