CN105050095B - 一种基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于能量预测的异构无线传感网(HWSNs)的分簇树型拓扑构建方法，包括以下步骤：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；2)基于通信成本代价选举簇头，同时结合节点能量、链路可靠性和节点间距，引导簇形成的过程；3)簇形成之后在簇内节点中选择适宜节点作为中转节点，将数据传递至簇头。本发明在异构无线传感网处于初始状态下，基于消耗较少能量的前提，获得较优的分簇树型拓扑网络，在节省能耗的同时尽可能地延长了网络的生命周期。

Description

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】
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】
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,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。
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-energy adaptive clustering hierarchy)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。
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】
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。
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：
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：
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μ'服从正态分布，即为理想情况下的网络平均剩余能量值；
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：
其中，ω1为权重系数，Eres表示节点的剩余能量，plink为链路可靠性，ploss表示链路丢包率，plink,ploss∈(0,1]，且plink与ploss成一定比例反比，即当链路可靠性plink越高，节点丢包率ploss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；
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；
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：
其中，ω2为权值系数，Ncluster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。
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μ'服从正态分布其中
在前两轮中，通过已知实际网络平均能量计算差值e(1)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(1)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μ'；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μ′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。
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：
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，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。
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】
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】
下面结合附图对本发明作进一步描述。
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：
1)网络平均能量估计阶段
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。
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：
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μ'服从正态分布，即为理想情况下的网络平均剩余能量值。
e(r)的子样均值μ'服从正态分布其中
在前两轮中，通过已知实际网络平均能量计算差值e(1)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(1)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μ'。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μ′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。
2)选择簇头形成簇阶段
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：
其中，ω1为权重系数，Eres表示节点的剩余能量，plink为链路可靠性，ploss表示链路丢包率，plink,ploss∈(0,1]，且plink与ploss成一定比例反比，即当链路可靠性plink越高，节点丢包率ploss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。与其它节点相比，簇头节点将拥有更多可利用能量，数据包传输率将会更高，网络性能将会更优。而其它节点作为簇成员节点收集数据。
由于网络节点的随机分布，所选簇头亦有可能相距很近，在簇形成过程中将会有较多节点被判断加入哪一个簇。因此，在簇头节点被选择之后，还需计算簇头节点间的距离Lch-ch。若Lch-ch≥L1，则保持选出的节点为簇头；反之，将相距近的节点中代价值较小的簇头节点被重新选择的簇头替代。其中L1为参数变量。
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，则每个簇可看作是以簇头为中心的区域。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：
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，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。
通过上式的计算，可知簇头节点的剩余能量和簇头与非簇头节点间的链路稳定值越大，非簇头更有可能加入该簇，并且簇头和非簇头间的间距同样是决定节点加入哪一个簇的重要因素。当簇头与非簇头节点间距离越大，该函数值越小，表示此非簇头节点加入该簇的可能性越小。
4)簇内成树阶段
在整个网络中，含有较多簇成员簇的簇头负载更多，其所需消耗的能量亦相对较多。因此在一定情况下，多跳通信的能耗将低于单跳通信能耗。通过在簇成员中寻找中转节点，使每个簇形成多跳通信模式，可降低网络能量消耗，延长网络生命周期。
簇形成之后，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：
其中，ω2为权值系数，Ncluster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；从式中可以看出，能量越大且与周边节点和簇头的距离方差越小的节点，被选择作为中转节点的概率越高。
本实施例利用分簇树型原理提出一种新的基于能量预测的异构无线传感网拓扑构建方法，该方法基于节点理想平均能量估计节点实际平均能量，计算最优簇数并判断簇头间距是否大于设定阈值来选择簇头节点，以减少拓扑网络构造中的通信及能量消耗，延长了网络生命周期。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
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：
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μ'服从正态分布，即 为理想情况下的网络平均剩余能量值；
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：
其中，ω1为权重系数，Eres表示节点的剩余能量，plink为链路可靠性，ploss表示链路丢包率，plink，ploss∈(0，1]，且plink与ploss成一定比例反比，即当链路可靠性plink越高，节点丢包率ploss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；
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；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：
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，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；
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：
其中，ω2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；
所述步骤1)中，e(r)的子样均值μ'服从正态分布其中
在前两轮中，通过已知实际网络平均能量计算差值e(1)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(1)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μ'；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，直接在已有数据中抽样，求子样平均值，并根据μ'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。
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