[发明专利]一种基于能量预测的异构无线传感网的拓扑构建方法

摘要

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。

主权项

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，d_u为节点间距离，d_uCH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。