一种无线传感器网络环境的基于节点向心性路由协议方法
【专利摘要】一种无线传感器网络环境的基于节点向心性路由协议方法，涉及一种无线传感器网络技术方法，该方法在网络层应用了基于节点向心性路由协议簇首的选举协议。在无线传感器网络中，每个传感器节点运行过程中都有4种状态。分别是发送状态、接收状态、侦听状态和休眠状态。研究表明无线传感器网络中的节点主要能量损耗是在节点数据信息发送状态上，其次是接收状态和空闲侦听的能量损耗，休眠状态的能量损耗最少。综合考虑以上因素，我们在设计网络层路由协议时，发明出基于节点向心性路由协议簇首的选举协议，来提高节点的能量利用效率。通过该发明可以实现延长网络生命周期，在无线传感器网络在理论指导和实际发展中有着重大的意义。
【专利说明】
一种无线传感器网络环境的基于节点向心性路由协议方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无线传感器网络技术方法，特别是涉及一种无线传感器网络环境 的基于节点向心性路由协议方法。
【背景技术】
[0002] 作为一种新的信息获取方式和处理模式，无线传感器网络(WSN)目前已成为国内 外备受关注的研究热点。其在军事监控、环境监测、地震与气候预测、抢险救灾、地下、深水 以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。在无线传感器网络中，如何节省能 量和延长网络生命周期都是必须考虑的核心问题。如果不能很好解决无线传感器节点的能 量问题，将直接影响网络长期稳定的通信，使其在各个领域的应用受到限制。网络层的路由 协议执行效率的高低对传感器节点收发信息有直接的影响，进而影响到传感器节点的能量 消耗，最终影响到整个WSN的性能。然而，现有的路由协议方法并没能够很好地满足无线传 感器网络的应用需求， 目前的传感器网络中，网络层的路由协议没有能够很好地解决无线传感器网络中节点 能量受限造成的网络生命周期短的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种无线传感器网络环境的基于节点向心性路由协议方 法，该发明针对无线传感器网络特点，设计出一种基于节点向心性路由协议簇首的选举协 议。使簇内的边缘节点传递的数据更加可靠，避免簇内少数节点出现过早死亡的现象，该方 法可以有效的增强无线传感器网络节点数据传递的全面性和真实性，延长网络的生命周 期，解决实际环境中无线传感器网络存在的问题。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 一种无线传感器网络环境的基于节点向心性路由协议方法，所述方法包括XX_LEACH协 议具体算法，其算法包括计算节点的剩余能量、计算节点的向心性、计算节点的温度、计算 节点的剩余能量节点向心性和解读温度的综合值； 计算节点的剩余能量公式为减 1_=_私._ CO.; 其中：d)表示节点剩余的能量，k表示报文的长度，d表示传输的距离，示节 点初始能量，％表示节点发送单位数据时消耗的能量，^表示节点接收单位数据时消耗的 能量； 计算节点的向心性公式为:琴} = (? 一·+_ - (62); 其中，D.a(S, 表示簇内节点到簇内中心的距离，&表示节点的横坐标，知表示节 点的纵坐标，名&表示簇内中心的横坐标，.?.表示簇内中心的纵坐标；
其中：K￡)表示节点的温度值，t表示运行时间，?表示节点的消耗能量，馬：表示 节点的初始能量，/匕表示节点的初始温度； 计算节点的剩余能量节点向心性和解读温度的综合值公式为： ^ = + &，2^n%S/Z) (4)； 其中，8?.、％分别表示节点剩余能量、节点的向心性和节点温度的权重值，具 体权重值在应用中根据实际情况选取。
[0005] 本发明的优点与效果是： 1.本发明解决有效的利用无线传感器网络中节点的能量和延长网络的生命周期。基于 节点向心性的路由协议簇首选举，设计了 XX_LEACH路由协议。综合考虑节点的向心性和节 点的剩余能量以及节点温度作为簇首选举的标准，有效的解决了无线传感器网络中节点能 量消耗不均匀、边缘节点数据传输不可靠的问题。利用该发明能更好的减缓无线传感器网 络中节点的能量消耗，提高数据传输的真实性、实时性，延长网络的生命周期。XX_ LEACH协 议，在无线传感器网络在理论指导和实际发展中有着重大的意义。
[0006] 2.网络层的路由协议是当今WSN研究的重要方向，这类协议主要负责使监测区域 节点和目的节点（sink)之间的数据得到最优化路径传输。为了实现无线传感器网络的节点 更节能，网络生命周期更长的目的，本发明主要在网络层应用了基于节点向心性路由协议 簇首的选举协议。在无线传感器网络中，每个传感器节点运行过程中都有4种状态。分别是 发送状态、接收状态、侦听状态和休眠状态。研究表明无线传感器网络中的节点主要能量损 耗是在节点数据信息发送状态上，其次是接收状态和空闲侦听的能量损耗，休眠状态的能 量损耗最少。综合考虑以上因素，我们在设计网络层路由协议时，发明出基于节点向心性路 由协议簇首的选举协议，来提高节点的能量利用效率。通过该发明可以实现延长网络生命 周期。
[0007] 3.基于节点向心性路由协议簇首的选举协议基本原理设计出XX_LEACH路由协议， 本发明的协议是通过评估簇内各节点与簇内中心的距离和节点能量剩余以及节点温度的 综合值来作为选取簇头的参考，进而使簇内的边缘节点传递的数据更加可靠，避免簇内少 数节点出现过早死亡的现象，有效的增强了无线传感器网络节点数据传递的全面性和真实 性，使簇内节点的能量消耗更均匀且缓慢。
【附图说明】
[0008] 图1为XX_LEACH协议算法的流程图。
【具体实施方式】
[0009]下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0010] XX_LEACH协议具体算法描述:节点的向心性指的是簇建成之后簇内各个节点距簇 中心的距离，通常在簇头选举时用来衡量是否可以作为簇头的标准。
[0011]算法的基本思想由LEACH路由协议，在第一轮结束时计算出簇内各节点位置的向 心性、能量剩余和节点温度的综合值，将综合值和其他数据发送给簇头节点，由簇头经过 数据融合之后传送给基站，再由基站计算出当前各簇内节点的位置向心程度、能量剩余和 节点温度的综合值与第一轮的综合值比较，如果差值大于阈值τ〇?.)时，就在网络模型中删 除该节点，再把剩余的节点依据LEACH路由协议中规定的Τ (；?〇选举下一轮的簇头，实验结 果表明该过程可以提高网络数据传输的可靠性，延长网络生命周期。
[0012] 计算方法包括： (1)计算节点的剩余能量 当节点η将k位的数据传送的距离为d时，剩余的能量公式为： d) = E€- (Erkd + Ejk') (6.1) 其中：d)表示节点剩余的能量，k表示报文的长度，d表示传输的距离，示节 点初始能量，％表示节点发送单位数据时消耗的能量，^表示节点接收单位数据时消耗的 能量。通过计算簇内节点的剩余能量，来作为评估节点可以作为簇头的条件之一，从而可以 延长网络的生命周期。
[0013] (2)计算节点的向心性 通过节点η的位置坐标(??)与簇内中心坐标的距离，来解决节点边缘化 带来的数据传输不准确、不及时的问题。其计算公式为： Z} = (S, - + CS, - ?)2 (2) 其中，表示簇内节点到簇内中心的距离，馬表示节点的横坐标，表示节 点的纵坐标，之^表示簇内中心的横坐标，為.表示簇内中心的纵坐标。在无线传感器网络 中，计算节点的向心性，作为评估节点可以成为簇首的另一个条件，有效的提高了节点数据 传输的可靠性，避免了不良位置节点传输数据的片面性和单一性。
[0014] (3)计算节点的温度 无线传感器网络在运行的过程中，节点η随着时间t的变化，节点温度的计算公式为： 14(￡) = φΗεω 其中表示节点的温度值，t表示运行时间，表示节点的消耗能量，表示 节点的初始能量，表示节点的初始温度。通过计算无线传感器网络中节点的温度作为簇 首选择时的一个条件，可以更好的解决簇内节点负载过大时，能耗多的节点过早死亡的问 题，有效的使簇内节点的能量均匀消耗，使网络的生命周期也得到了延长。
[0015] ⑷计算节点的剩余能量、节点向心性和解读温度的综合值 综合评估节点的能量剩余、节点的向心性和节点温度，作为最终节点可以选为簇头的 条件。其计算公式为： 其中，c%、《3分别表示节点剩余能量、节点的向心性和节点温度的权重值，具 体权重值在应用中根据实际情况选取。
[0016]算法的伪代码 设计出算法的伪代码，可以更直观的看出该算法的执行过程，具体编写如下： Begin 输入j 输入T(s) IF/ 则当选为簇头 do向节点广播当选簇头的消息，等待节点的回应 否则作为簇内节点 do等待簇头广播消息，根据信号强弱选择簇头 输出簇的形成 输出4 if在:>=则删除该节点，执行簇的循环 否则直接执行簇的循环 End 如图1所示，在真实环境里的无线传感器网络中，簇首选举往往不能保证能量的均匀消 耗以及簇内节点过渡的边缘化造成的节点过早死亡、传输的数据不可靠等问题。XX_LEACH 路由协议是簇首选举的评估机制，通过计算簇形成后各节点到簇内中心的距离和节点的剩 余能量以及节点温度的综合值来作为选择簇头的条件。该算法可以很大程度的提升数据传 输的真实性，延长网络的生命周期，可以解决实际环境中无线传感器网络存在的问题。由 XX_LEACH路由协议的伪代码，设计其具体的算法流程。
[0017]性能分析 XX_LEACH协议的性能从路由策略、以数据为中心、最优路径、稳定性和可靠性五个方面 分析， 得出的结论如表1所示XX_LEACH路由协议性能
【主权项】
1. 一种无线传感器网络环境的基于节点向心性路由协议方法，其特征在于，所述方法 包括XX_LEACH协议具体算法，其算法包括计算节点的剩余能量、计算节点的向心性、计算节 点的温度、计算节点的剩余能量节点向心性和解读温度的综合值； 计算节点的剩余能量公式关其中：dj表示节点剩余的能量，k表示报文的长度，d表示传输的距离，Ecr示节 点初始能量，％表示节点发送单位数据时消耗的能量，％表示节点接收单位数据时消耗的 能量； 计算节点的向心性公式为：其中，2)表示簇内节点到簇内中心的距离，Si表示节点的横坐标，.Sif.表示节点 的纵坐标，笔I.、表示簇内中心的横坐标，馬.表示簇内中心的纵坐标； 计算节点的温度公式为: (6 ::⑶； 其中：表示节点的温度值，t表示运行时间，Ex表示节点的消耗能量，表示节 点的初始能量，表示节点的初始温度； 计算节点的剩余能量节点向心性和解读温度的综合值公式为：其中，％分别表示节点剩余能量、节点的向心性和节点温度的权重值，具体 权重值在应用中根据实际情况选取。
【文档编号】H04W40/32GK106028420SQ201610490187
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】王军, 马德朋, 张亚君, 徐万, 徐万一, 李玉喜
【申请人】沈阳化工大学