CN101094131A - 一种基于博弈论的无线传感器网络分层式路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于博弈论的无线传感器网络分层式路由选择方法，本发明通过在无线传感器网络中选择较合理的簇首节点，形成相对优秀的路由算法，从而既在一定程度上保证单个节点尽量节省能量，又保证了整个网络能量消耗相均衡，最终达到延长网络寿命的目的。

Description

一种基于博弈论的无线传感器网络分层式路由选择方法

技术领域

本发明涉及一种适用于大型无线传感器网络的基于博弈论的分层式路由方法。

背景技术

随着移动通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、嵌入式计算能力、分布式信息处理和无线通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，而由这些功率低、体积小、价格便宜的微型传感器构成的无线传感器网络(Wireless SensorNetwork，WSN)的兴起也逐渐引起了人们的关注。

由于无线传感器网络是自组织的、能量受制的网络，网络中所有节点的配置都是一次性的，因此无法对于节点能量等配置做出补充，每个节点只具有有限的电源供应，因此如何延长整个网络的寿命成为了无线传感器网络至关重要的问题。

在现有无线传感器网络分层式路由协议中，有的引入了随机概率机制控制簇首选择，从而形成路由，但是需要预先确定簇首选择概率并且假设节点传输范围可以动态变化；有的引入链式路由，使得网络中所有节点形成一条链式结构，然后再由簇首将数据整个转发；有的则是引入了定位功能，如GPS等，每一个节点通过对于自身位置信息及其它节点位置信息的了解形成簇的结构。显然这些方法并不能完全解决无线传感器网络的能量问题。它们或者假设不恰当，或者路由形成复杂，或者增加节点复杂度，均无法解决无线传感器网络在分布式决策的条件下，尽可能延长网络寿命的要求。因此，本发明基于博弈论中的均衡机制，提出了能够较好解决这一问题的方法。

发明内容

本发明针对无线传感器网络寿命问题，从均衡节点剩余能量与本地平均路径损耗的角度入手，结合博弈理论思想，提出了一种分层式路由选择机制，使网络寿命得到延长。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

A.利用博弈理论思想建立网络模型，包括：参与人集合S＝{s₁，s₂，…，s_n}；所有节点在某个时刻的策略所构成的策略集L＝{l₁，l₂，…，l_n}；以及如果节点i采用成为簇首策略时的支付方程

π_i＝εE_i/E_init-(1-ε)∑P_pathloss/n_i*P_Gen(0≤ε≤1)；

B.每一个节点建立邻节点集合，计算并广播π值；

C.接收到邻节点π值的节点，将邻节点π值与自身π值进行比较，记录下大于自身π值的邻节点，建立邻节点信息集；

D.如果该节点所建立的邻节点信息集为空，则选择自己为簇首节点，并广播簇首选择信息；其它在该节点范围内的邻节点收到一个或多个簇首信息之后，清除邻节点信息，并加入π值最大的簇首节点；

E.如果邻节点信息集非空的无线传感器节点收到了邻节点信息集中邻节点发往其簇首节点的加入信息，却没有收到簇首选择信息，则表明该节点不在任何簇首声明节点的传输范围之内，因此该节点将从邻节点信息集中删去已有归属簇的邻节点，并回到D；

F.当所有参与人均最终决定策略后，分层式路由建立，并开始数据传输；

G.在数据传输一段时间后，重启该路径选择过程，并重新选择簇首节点，形成分层路由。

根据本发明的想法，在网络模型构建中引入了博弈理论原理，在簇首选择过程中，每一个节点的选择都通过邻节点信息集，及对于信息集不断的更新，选择了节点范围内π值最大的节点作为簇首节点，从而达到了整个网络的博弈均衡。同时，对于支付方程的定义，兼顾了网络中单一节点的剩余能量和节点与周围节点路径损耗的考量，从而从多方面考虑提高网络性能。

在本发明中，通过支付方程的作用，以及整个网络序贯达到博弈均衡的簇首选择过程，使得网络中簇首的选择分布平均，位置合理，提高了网络的性能，延长了网络的整体寿命。

附图说明

下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中：

图1表示了所提出的分层式路由选择方法的工作流程图；

图2表示了分层式路由选择方法中ε的选择图；

图3表示了分层式路由选择方法中的簇首节点分布状况图；

图4a表示了分层式路由选择方法在40％节点死亡时的网络性能(100节点)图；

图4b表示了分层式路由选择方法在40％节点死亡时的网络性能(300节点)图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明主要是联合考虑单个节点剩余能量和节点与邻节点之间的路径损耗，得出支付方程，通过博弈理论的思想基础，最终得出均衡，从而提高网络性能，延长网络寿命。

图1是本发明所提出的分层式路由选择方法的工作过程。对于本发明中的无线传感器节点有以下假设：

(1)网络中所有的节点都是静止不动的，但是路由设计可以支持移动节点以及节点数量的变化；

(2)节点没有位置感知功能；

(3)除基站外，所有节点都是同等的，没有特殊节点的存在；

(4)节点一旦部署，进入自组织、自控制模式，没有任何中心控制信息；

(5)每一个节点都具有两个电平范围，分别应对节点之间的小范围传输(传输最大距离25m)以及节点至基站的大范围传输(传输距离200m左右)；

(6)不需要预先确定簇首数量或者概率。

在图1中，第一步网络节点集合的产生，是随机的在50*50的范围内随机的产生大量(本处取100与300两个值)具有上述假设的节点；

在第二步中，节点对于在其范围内的节点计算π值，并将结果在小范围内广播；该步骤旨在通过计算和广播π值，为下一步每一个节点建立邻节点信息集打下基础；

在第三步中，每一个节点通过比较所接收到的π值，以及自身的π值，建立邻节点信息集。邻节点信息集是簇首决定和簇首选择的基础；

在第四步中，存在一个判断。该判断为：如果节点所建立的邻节点信息集为空，也就是说，其本身所具有的π值最大，因此它会自动成为簇首节点，并广播簇首节点信息；如果节点所建立的邻节点信息集不为空，则无法做出决策，需要等待别的节点决策，从而进一步更新邻节点信息集；

在第五步，当节点等待别的节点决策后，又存在一个判断，但这个判断并非逻辑上的，而是状态上的。具体说来：当节点接收到一个或者多个已经成为簇首节点的节点所发送的簇首信息的时候，则节点选择其中π值最大的一个加入；如果节点没有收到任何簇首信息，同时却收到了邻节点加入其它簇的加入信息时，则该节点由邻节点信息集中删除已经有归属簇的节点，更新邻节点信息集。

此时节点状态回到第四步，进行循环决策，直到网络中所有节点都有归属簇，则路由选择过程结束。

接下来，进入数据传输阶段，网络中所有节点的数据按照所建立的分层式路由，将收集的数据发送到簇首节点，在簇首节点进行数据融合，最终发给基站。

为了减小网络路由建立开销对网络性能的影响，每经过五轮数据传递，再重新进行一次分层路由选择过程。

在本发明中，充分体现了对于无线传感器网络中簇首选择路由建立的各种要求，即：

(1)簇首选择是分布式的，每一个节点仅通过少量的本地信息，独立的选择是否成为簇首，以及加入哪个簇中；

(2)在选簇过程结束后，每一个节点或者成为簇首或者加入某一个簇中；

(3)簇首应该尽量均匀的分布在整个网络以及节点中。

图2是支付方程

π_i＝εE_i/E_init-(1-ε)∑P_pathloss/n_i*P_Gen(0≤ε≤1)；

中ε的选择过程，由于ε反映了支付方程前后两个方面对于网络性能的影响，因此其选择很重要，当ε值接近于0时，网络末节点寿命大大延长，但首节点消亡较早；当ε值接近于1时，网络首节点寿命有一定改善，但末节点寿命下降。

本处通过对于100节点与300节点网络中不同ε值，首节点消亡时间与末节点消亡时间相乘的结果来综合体现ε对于网络性能的影响。该乘积结果的最大值表现了要求网络中首节点与末节点消亡时间都尽量延长的主旨。由图2可以看到，当ε值约为0.3-0.4时，该综合值达到最大值。

图3是网络中簇首节点分布图，此处取了网络仿真过程中的一个瞬间来观察，其它瞬间与该图相似。由该图可以看到，簇首节点在网络中基本上均匀分布，且簇首节点尽量选择在网络中节点密集地区的中央，从而减小了簇内其它节点到簇首节点的能量损耗。

图4a与图4b是网络中具有100和300个节点时的40％节点消亡图。与其对比的是对于LEACH协议做出改进的gen-LEACH协议。具体说，主要是在gen-LEACH协议中，由于网络并不假设其中节点一定相同，即具有相同的初始能量资源，因此簇首选择采用基于剩余能量选择的方法，其簇首选择概率为 $P_i\left(t\right)=\min \{\frac{E_i\left(t\right)}{E_{\mathrm{total}}\left(t\right)}k,1\},$ 其中，E_i(t)为节点i的剩余功率，而 $E_{\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i\left(t\right).$ 同时根据之前所作出的假设中所规定的，节点不受基站的中心控制，所有节点信息通过节点在网络内部通过自组织的方式进行交流。因此，gen-LEACH协议中每一个节点的剩余能量E_i(t)就需要通过自组织的方式进行传递。此外，在gen-LEACH协议中，也引入了与所提的DEER相同的范围机制，即有两个传输范围，一个用于长距离范围通信，另一个用于短距离范围通信，由于gen-LEACH协议按照固定比例产生簇首节点，因此在gen-LEACH协议中必须存在多跳传输，以中继不在簇首范围内的节点。

通过图4a与图4b可以看出，本发明对于整体网络寿命有很大的改善。可以看出，使用本发明的分层式网络路由选择方法，网络整体寿命大大提高，并且随着网络中节点数量的增加，本发明对于网络寿命的改善作用增强。这是因为，由于簇首节点的分布相对均匀，且簇首节点总是尽可能的处在节点密集区域的中心位置，从而减少了节点到簇首节点的传输损耗，延长了网络寿命。当网络节点数目增多时，受益于该发明路由选择方法的节点也增多，因此网络性能较好。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种基于博弈论的无线传感器网络分层式路由选择方法，其特征在于，所述方法具体包括以下处理步骤：

A.利用博弈理论思想建立网络模型，包括：参与人集合S＝{s₁，s₂，…，s_n}；所有节点在某个时刻的策略所构成的策略集L＝{l₁，l₂，…，l_n}；以及如果节点i采用成为簇首策略时的支付方程：π_i＝εE_i/E_init-(1-ε)∑P_pathloss/n_i*P_Gen(0≤ε≤1)；

其中E_i为现有能量，E_init为节点初始能量；n_i为在节点i范围内的邻节点数目，∑P_pathloss表示邻节点到节点i的路径损耗之和，而P_Gen是节点最大范围传输路径损耗，ε为调节参数。

B.每一个节点建立邻节点集合，计算并广播π值；

C.接收到邻节点π值的节点，将邻节点π值与自身π值进行比较，记录下大于自身π值的邻节点，建立邻节点信息集；

D.如果该节点所建立的邻节点信息集为空，则选择自己为簇首节点，并广播簇首选择信息；其它在该节点范围内的邻节点收到一个或多个簇首信息之后，清除邻节点信息，并加入π值最大的簇首节点；

E.如果邻节点信息集非空的无线传感器节点收到了邻节点信息集中邻节点发往其簇首节点的加入信息，却没有收到任何簇首选择信息，则表明该节点不在簇首声明节点的传输范围之内，因此该节点将从邻节点信息集中删去已有归属簇的邻节点，并回到步骤D；

F.当所有参与人均决定最终策略后，分层式路由建立，并开始数据传输；

G.在数据传输一段时间后，重启该路径选择过程，并重新选择簇首节点，形成分层路由。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A中，策略集L＝{l₁，l₂，…，l_n}为纯策略集，参与人集合S＝{s₁，s₂，…，s_n}中的节点为簇首节点或普通节点。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当节点本身采用了成为簇首的策略时，该节点范围内的其它节点采用成为普通节点的策略。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节参数ε的选择是根据网络中首节点与末节点的综合性能得出的。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤B中，每一个节点必须建立自己的简单的标识信息。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤D中，由节点本身通过所具有的邻节点信息集合的信息进行判断，是否成为簇首节点或者作为普通节点加入某一个簇首，或者无法做出判断，需要进一步更新邻节点信息集；具体判断为，如果节点所具有的邻节点信息集为空，则选择自身作为簇首节点，并广播簇首信息；如果邻节点信息集不为空，同时收到来自邻节点的簇首广播信息，则决策选择加入该簇，并清除邻节点信息集；否则继续等待邻节点信息集的更新。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤E中，通过邻节点的加入簇的信息，将决策结果通知其邻节点；邻节点通过该决策结果更新邻节点信息集，并尝试能否做出决策。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤F中，当参与人节点集S＝{s₁，s₂，…，s_n}，对应于唯一确定的策略集L＝{l₁，l₂，…，l_n}时，分层式路由建立。

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