一種基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法
【專利說明】一種基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)的構(gòu)建方法，具體涉及一種基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線 傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法，屬于無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSNs)是一個無線自組織網(wǎng)絡(luò)，它 由大量資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成?；赪SNs的特性，可用較低的成本靈活地解決大量監(jiān) 測問題，尤其是一些危險區(qū)域的監(jiān)測問題。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理等方面需要消耗大量 能量，且節(jié)點(diǎn)能量不易得到及時補(bǔ)充。因此如何降低能耗，盡可能延長網(wǎng)絡(luò)生存時間是WSNs 急需解決的問題。而拓?fù)淇刂剖墙鉀Q此類問題的有效手段之一，其中拓?fù)錁?gòu)建則是拓?fù)淇?制的首要過程，包括分簇拓?fù)錁?gòu)建和樹拓?fù)錁?gòu)建。
[0003] 分簇技術(shù)早已被證明在傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能及擴(kuò)展性上具備一定的優(yōu)勢，如經(jīng)典 LEACH(Low-energyadaptiveclusteringhierarchy)協(xié)議及其改進(jìn)協(xié)議。但不少已公開 的分簇協(xié)議面向同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型或者針對二級、三級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，且在節(jié)能上的性能不盡 人意。因此，對于異構(gòu)無線傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)能耗問題，急需一種更優(yōu)方法來解決。
[0004] 因此，為解決上述技術(shù)問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線 傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于一種基于能量預(yù)測的適用于異構(gòu)無線傳 感網(wǎng)的分簇樹型拓?fù)錁?gòu)建方法，其能在復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有效利用節(jié)點(diǎn)能量，從而延 長網(wǎng)絡(luò)生命周期的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感 網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法，其包括以下步驟：
[0007] 1)依據(jù)整體網(wǎng)絡(luò)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(wǎng) 絡(luò)平均剩余能量值，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的平均能量計算公式為：
[0008]
(T)
[0009] 其中，e(r)為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)平均能量與理想狀態(tài)下能量之間的差值，e(r)的子樣均值 y'服從正態(tài)分布，即~/Vdf) 為理想情況下的網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量值；
[0010] 2)結(jié)合節(jié)點(diǎn)自身能量、鏈路可靠性以及丟包率，以成本代價值選取節(jié)點(diǎn)為簇頭； 成本代價的計算公式為：
(2)[0012] 其中，％為權(quán)重系數(shù)，￡_表示節(jié)點(diǎn)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(dāng)鏈路可靠性plink越高， 節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)越有 可能被當(dāng)選為簇頭；
[0013] 3)簇頭被選擇后，簇頭節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)廣播自身當(dāng)選的消息，以邀請非簇頭 節(jié)點(diǎn)的加入，則每個簇可看做是以簇頭為中心的區(qū)域；
[0014] 4)簇內(nèi)成樹過程：以簇頭為圓心，以L2為半徑，將簇區(qū)域劃分為兩個區(qū)域；以簇頭 為原點(diǎn)，利用十字坐標(biāo)將簇分為I、II、III和IV四個區(qū)域，最后在各區(qū)域的內(nèi)圓和圓環(huán)中分 別尋找適宜節(jié)點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，以接收其余節(jié)點(diǎn)傳遞的消息并將消息傳遞至簇頭；根據(jù)下 式選取權(quán)值最小的節(jié)點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)：
[0015] (3)
[0016] 其中，《2為權(quán)值系數(shù)，為各自區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，du為節(jié)點(diǎn)間距離，duCH為 節(jié)點(diǎn)與簇頭間的距離。
[0017] 本發(fā)明的基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法進(jìn)一步為：所述步驟 1)中，e(r)的子樣均值y'服從正態(tài)分布# _~#(/^.@.):，:1其4
[0018]
[0019] 在前兩輪中，通過已知實(shí)際網(wǎng)絡(luò)平均能量計算差值e(l)和e(2)，通過假設(shè)其服從 正態(tài)分布，求得置信區(qū)間；再在區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇八個數(shù)據(jù)，與已有的差值e(l)和e(2)構(gòu)成 數(shù)據(jù)樣本；然后抽取三個子樣值，最后求得樣本值V;根據(jù)該正態(tài)分布函數(shù)求下一輪的差 值e(r);當(dāng)r>10時，由于差值數(shù)據(jù)已足夠，可直接在已有數(shù)據(jù)中抽樣，求子樣平均值，并根 據(jù)y'的正態(tài)分布，預(yù)測第r輪的差值，從而計算網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量。
[0020] 本發(fā)明的基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法還可為：在所述步驟 3)中，當(dāng)非簇頭節(jié)點(diǎn)接收到多個簇頭發(fā)送的邀請信息時，根據(jù)簇頭剩余能量、簇頭與節(jié)點(diǎn)間 的鏈路穩(wěn)定性以及簇頭與節(jié)點(diǎn)間的距離，確定非簇頭節(jié)點(diǎn)加入哪一個簇；計算公式為：
[0021] (4>
[0022] 其中，F(xiàn)(u,V，r)表示在第r輪時簇頭節(jié)點(diǎn)v和非簇頭節(jié)點(diǎn)u之間的函數(shù)值，盡U表 示在第r輪簇頭節(jié)點(diǎn)v的剩余能量，d(u,v)為節(jié)點(diǎn)u與v之間的距離。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明的基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線 傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法基于分簇樹型原理提出，依據(jù)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(wǎng)絡(luò)平均剩余能量值；結(jié)合節(jié)點(diǎn)的能量、鏈路可靠性及丟包率，以成 本代價值選取節(jié)點(diǎn)為簇頭，并考慮簇頭間距離，調(diào)整被選簇頭；通過節(jié)點(diǎn)能量等參數(shù)引導(dǎo)簇 形成；最后在簇成員中尋找中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)通過中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)傳至簇頭，以降低網(wǎng)絡(luò)能量消 耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。 【【附圖說明】】
[0024]圖1是本發(fā)明的基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法的流程圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0026] 參照圖1，本發(fā)明為一種基于能量預(yù)測的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)建方法，其包括 如下步驟：
[0027] 1)網(wǎng)絡(luò)平均能量估計階段
[0028] 在分簇方法中，通過估計預(yù)測下一輪網(wǎng)絡(luò)的平均能量值將有利于簇頭的選舉，亦 可減少節(jié)點(diǎn)消息的傳遞量，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。
[0029] 依據(jù)整體網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò) 平均剩余能量值，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的平均能量計算公式為：
[0030]
⑴
[0031] 其中，e(r)為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)平均能量與理想狀態(tài)下能量之間的差值，e(r)的子樣均值 y'服從正態(tài)分布，即~八/斤^),l.,，）為理想情況下的網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量值。
[0032] e(r)的子樣均值y，服從正態(tài)分布眾~八~斤'，cr2)，其中
[0033]
[0034]
[0035]在前兩輪中，通過已知實(shí)際網(wǎng)絡(luò)平均能量計算差值e(l)和e(2)，通過假設(shè)其服從 正態(tài)分布，求得置信區(qū)間；再在區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇八個數(shù)據(jù)，與已有的差值e(l)和e(2)構(gòu)成 數(shù)據(jù)樣本；然后抽取三個子樣值，最后求得樣本值y'。根據(jù)該正態(tài)分布函數(shù)求下一輪的差 值e(r)。當(dāng)r>10時，由于差值數(shù)據(jù)已足夠，可直接在已有數(shù)據(jù)中抽樣，求子樣平均值，并根 據(jù)y'的正態(tài)分布，預(yù)測第r輪的差值，從而計算網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量。
[0036] 2)選擇簇頭形成簇階段
[0037] 結(jié)合節(jié)點(diǎn)自身能量