用于收集无线传感器网络自身健康状态的融合树构建方法

1.一种用于收集无线传感器网络自身健康状态的融合树构建方法，其特征是方法为首先由sink节点发起建树消息，建树消息包中包含sink及源节点的地理位置信息、网格坐标及网格宽度；接收到消息的节点根据消息内容及自身地理位置信息确定自身所在网格坐标并根据自身位置信息及剩余能量参与簇头竞选；所有的簇头节点构成网络的主干，簇头节点对接收到的数据进行融合处理之后再沿着主干网传输直至到达sink；当簇头的剩余能量下降到当选时的一半时进行局部替换。
2.根据权利要求1所述的一种收集无线传感器网络自身健康状态的融合树构建方法，其特征是，设所有节点随机分布于二维区域，节点已知自身地理位置信息，节点可根据需要通过调整发射功率而改变通信半径，融合树的构建包括如下步骤：
(1)建树命令的发起：sink节点广播建树命令消息，建树命令包含了sink节点的地理位置信息，源节点的地理位置信息、源节点的父节点、网格宽度。通信半径应保证竞选区域的所有节点均能接收到该命令；
(2)计算自身所在网格：接收到建树消息的节点首先根据自身位置信息(XN，YN)与接收到的建树消息按下式计算节点自身所在的网格(XNr，YNr)：

其中，Xs与Ys为sink的地理位置信息；XSr与YSr为sink所在网格坐标；为向下取整操作；ε为一个无穷小的正数，用于解决网格边界节点问题；
(3)簇头竞选：当节点与源节点处于同一个网格，则将源节点作为自己的簇头节点加入融合树，将加入融合树标记设为1并记录簇头信息；若节点所处网格与源节点所在网格为邻居网格，则首先检查其是否已加入融合树：
若节点已加入融合树，则首先检查接收到消息的父节点字段是否为自己，若是，则把源节点作为自己的孩子节点并记录孩子节点的相关信息；否则，不做任何处理；若节点并未加入融合树，则参与簇头节点的竞选；
竞选主要是通过定时机制完成的，竞选过程描述如下：
参与竞选的节点根据自身地理位置信息、接收到的建树消息建立定时器进行延时发送簇头竞选消息，发送的竞选消息的通信半径应保证被同一网格中的所有节点接收到，竞选消息中包含定时器的时延，延时T＝T1+T2+T3，其中：
$T_1=\left\{\begin{array}{cc}\frac{E_{\mathrm{elec}}+{ϵ}_{\mathrm{fs}}{d}_c^2}{E_{\mathrm{ini}}}& \mathrm{if}{d}_c<d_0\\ \frac{E_{\mathrm{elec}}+{ϵ}_{\mathrm{amp}}{d}_c^4}{E_{\mathrm{ini}}}& \mathrm{if}{d}_c\ge d_0\end{array}\right.$ $T_2=\left\{\begin{array}{cc}\frac{E_{\mathrm{elec}}+{ϵ}_{\mathrm{fs}}{d}_{\mathrm{nc}}^2}{E_{\mathrm{ini}}}& \mathrm{if}{d}_{\mathrm{nc}}<d_0\\ \frac{E_{\mathrm{elec}}+{ϵ}_{\mathrm{amp}}{d}_{\mathrm{nc}}^4}{E_{\mathrm{ini}}}& \mathrm{if}{d}_{\mathrm{nc}}\ge d_0\end{array}\right.$ $T_3=\left\{\begin{array}{cc}\frac{E_{\mathrm{elec}}+{ϵ}_{\mathrm{fs}}{d}_f^2}{E_{\mathrm{res}}}& \mathrm{if}{d}_f<d_0\\ \frac{E_{\mathrm{elec}}+{ϵ}_{\mathrm{amp}}{d}_f^4}{E_{\mathrm{res}}}& \mathrm{if}{d}_f\ge d_0\end{array}\right.$
式中，dc为节点与网格中最远点的距离，df为与父节点之间的距离，dnc为节点与邻居网格中心点的最大距离，Eres为节点的剩余能量值，Eini为节点的初始能量值。在能量消耗模型中，当通信距离大于d0时，采用多路衰减模型，当通信距离小于d0时采用自由空间模型，Eelec是发送或接收1比特数据发送电路所消耗的能量，εfsandεamp则分别表示在自由空间模型与多路衰减模型中功率放大所消耗的能量；
若节点在定时器超时之前收到来自其他邻居节点的建树消息则先取消延时，根据自身剩余能量、地理位置信息及所有接收到的邻居网格节点发出的建树消息重新选择一个更优的候选父节点重新建立延时来参与簇头节点的竞选；
定时器超时时发出簇头竞选消息，若在定时器超时之前接收到同网格中其他节点的簇头竞选消息，且自己的延时更大则说明其他节点更适合成为簇头节点而放弃簇头的竞选；若自己的延时更小，则说明自己更适合成为簇头节点而广播簇头竞选消息；
等待一段时间后，最后广播簇头竞选消息的节点转发建树消息，这个过程一直持续，直到整个融合树建立完成；
(4)数据传输：在所有簇头都选举产生之后，所有簇头节点形成网络的主干，簇成员节点将数据发送给簇头节点，簇头节点将其簇成员节点及下级簇头节点的数据进行融合处理后发送给上级簇头节点，直到数据到达sink节点，在数据传输过程中，所有节点根据与下一跳的实际距离调整发射功率；
(5)簇头替换：若簇头节点检测到自身剩余能量不足其成为簇头时能量的一半时，发送簇头替换消息，发送的消息应被消息发送者所在网格中所有的节点、其父节点及其下级簇头节点收到；收到簇头轮换消息的节点处理如下：
若与源节点处于同一网格，则首先将状态改变为未加入融合树状态，之后根据接收到的消息及自身剩余能量等信息参与簇头节点的竞选；若与源节点所在网格互为邻居网格，则删除与源节点相关的路由信息，待新的簇头节点竞选成功之后更新相关信息。

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