CN104320825A - 一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择方法，所述方法综合考虑了节点的能量有限性与链路可靠性，运用博弈论方法将路由选择问题建模为节点之间的博弈问题，每个节点通过计算与其相邻中继节点的亲密度函数值来合理选择下一跳节点。路由选择方法考虑了节点的剩余能量，能够均衡网络能量消耗，提高分组投递率，有效地延长网络的生存时间。

Description

一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择技术。 
背景技术
移动自组织网络MANET(Mobile Ad hoc Networks)是由一组具有路由功能的移动节点组成的分布式多跳网络。在这种网络中，没有节点中心控制节点，每个节点地位平等，并且可以以任何方式动态地与其他节点保持联系。与需要基础设施支持的无线网络相比，Ad hoc网络不需要依靠任何预设的网络基础设施就能实现快速组网，这样就比传统的无线网络更加灵活、抗毁性更强、建网更加廉价，所以广泛地应用在军事、家庭、大型会议等商用领域中，前景广阔。 
传统的Ad hoc网络路由协议大致分为两类：一类为按表驱动路由协议，如目的序列距离矢量路由(Destination Sequenced Distance Vector Routing,DSDV)协议；另一类为按需驱动路由协议，如按需距离矢量路由(Ad hoc On-demand Distance Vector,AODV)协议等，这些协议都是采用最小跳数策略，并未考虑节点能量受限、链路可靠性等因素。采用基于最小跳数原则设计的路由协议大多数情况下并不能提供最大的网络吞吐量，并且路由跳数的最小化会导致每一跳传输距离的最大化，从而会使接收端信号强度的最小化以及无线链路丢包率的最大化，给网络带来不必要的拥塞和重传。另外，Ad hoc网络 是一个能量受限的系统，移动节点大多以电池能量作为动力，其网络特性与能量消耗密切相关。如果忽略网络中节点的能量有限，很容易导致网络中存在部分节点过多地被选为中继节点来频繁发送数据包，造成这些节点能量过快消耗。由于节点能量迅速耗竭，网络容易出现分割，分割之后的网络使得很多节点需要发送数据包时无法找到目的节点的有效路径，从而寻找路由和数据传输失败，网络整体性能也随之下降。在目前的技术水平下，电池容量难以在短期内大幅度提高，因此如何使节点在正常工作的情况下尽量减缓自身能量消耗速度已成为Ad hoc网络的研究热点之一。 
由于Ad hoc网络拓扑结构和信道不断变化，现有以最小跳数为路由度量的传统路由协议考虑因素较为单一，未能综合网络节点能量、中继节点转发业务的收益等，往往不能找到理想的路径，最终导致网络通信无法保障以及网络整体性能下降。 
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，为克服上述现有技术的不足，提供一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择的实现方法，通过在发送数据节点和潜在中继节点间建立博弈模型，综合考虑节点剩余能量以及博弈收益，实现最优路由选择。所述方法包括以下步骤： 
一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择方法，包括步骤，源节点检查目的节点是否为其下一跳邻居节点，若是，发送数据包至目的节点；否则，向周围候选的中继节点发送路由请求，源节点计算与所有潜在中继节点的亲密度函数值，比较亲密度值评估与所有潜在中 继节点之间的亲密度，选择亲密度值最大的节点j作为中继节点为其转发数据；如果节点j决定为其转发数据，回复路由确定消息，源节点收到确定消息后，将数据发送给中继节点；若节点j拒绝为其转发数据，源节点根据亲密度值从大到小依次向其余的潜在中继节点发送路由请求，直到有一个中继节点决定为其转发数据；通过重复路由选择，逐一确定通信链路上的各个中继节点，确定数据转发路由，源节点通过数据转发路由将数据包发送至目的节点。 
本路由选择方法进一步包括，根据公式计算节点j的能耗Ej，根据中继节点j的能耗Ej、节点j的博弈收益Uj，调用公式：Fi(t)＝Ej×Uj建立数据发送方节点i(源节点)与潜在中继节点j的亲密度函数Fi(t)，计算节点间的亲密度值，根据公式：Ej remain＝Ej initial-Ej cost(m,d)确定节点j的剩余能量，Ej initial表示节点j的初始能量，其中，Ej cost(m,d)表示节点j转发m个数据包所需消耗的能量。根据公式：Ej cost(m,d)＝2mEelec+md2Emin计算节点j转发m个数据包所需消耗的能量，其中，d为节点i与节点j间的距离，Eelec为节点j在发送与接收数据过程中内部电路所消耗的能量，Emin为节点j发送一个数据包需要消耗的能量。根据不同节点在路由博弈中采取转发数据或拒绝转发数据的行为建立博弈收益矩阵确定博弈收益，当节点i和节点j都转发了对方的数据，节点i和节点j的博弈收益Ui＝Uj＝R；节点i转发节点j的数据，而节点j拒绝转发节点i的数据，节点i的博弈收益Ui＝S,节点j的博弈收益Uj＝T；节点i拒绝转发节点j的数据，而节点j转发对方数据，那么节点i的 博弈收益Ui＝T,节点j的博弈收益Uj＝S；节点i和节点j都丢弃了对方的数据，双方得到的博弈收益Ui＝Uj＝P，上述博弈收益满足关系：T>R>P>S,2R>T+S。 
其中，数据接收节点j在本轮博弈中的收益取决于上一轮的历史博弈收益。根据博弈收益矩阵，假设节点i本轮博弈选择节点j作为中继节点为其转发数据，根据历史博弈，如果上一轮节点j向节点i发起路由请求，节点i选择转发数据包，那本轮博弈中，节点j的博弈收益就是R；如果节点i拒绝转发数据包，节点j的博弈收益就是S。 
本发明综合考虑节点的能量有限性与链路可靠性，提出了一种基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择方法。将路由问题建模为节点之间的博弈问题，由每个节点根据与相邻节点的亲密度来选择合适的下一跳，逐跳之后形成一条通向目的节点的路径。本发明方法能够均衡网络能量消耗，提高分组投递率，以及延长网络的生存时间，综合提高了网络的整体性能。 
附图说明
图1本发明建立的Ad hoc网络节点单次博弈模型； 
图2基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择流程图。 
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步说明本发明的技术方案。 
图1为Ad hoc网络节点单次博弈模型。如图1所示，网络中的任何一对节点都可以隔离来看，在博弈过程中，两个相邻的节点互相 给彼此发送一个数据包，然后各自决定是转发或者拒绝对方的数据包，接着重复该博弈策略。 
图2为本发明公开的基于重复博弈的Ad hoc网络路由选择流程图。 
201:源节点S发起路由发现； 
202:判断目的节点D是否为源节点S的邻居节点；判断源节点与目的节点之间的距离d是否满足：d≤R，其中，R为网络中节点的最大通信距离。若满足，说明目的节点D是源节点S的邻居节点，转步骤208，将数据包交付给目的节点。否则，转步骤203； 
203：源节点S向相邻的中继节点发起路由请求； 
204：建立路由博弈模型，确定路由选择方案； 
网络中节点的最大通信距离为R；作为发送数据方节点的潜在中继节点必须满足：d≤R，其中d为发送数据节点与相邻中继节点之间的距离。根据节点亲密度函数Fi(t)评估发送数据方节点与所有潜在中继节点间的亲密度，假设数据发送方节点i选择节点j为其转发数据，那么根据节点j的能耗Ej、博弈收益Uj，建立节点间的亲密度函数Fi(t)＝Ej×Uj，计算节点间的亲密度值；根据节点的亲密度函数来选择数据转发的最佳路径。 
建立博弈模型确定源节点与目的节点之间中继节点的路由选择： 
①网络中的所有节点为博弈的参与者； 
②根据网络中的节点决定是转发或拒绝对方节点的数据，建立选择策略集：{F,D}；其中，F为节点转发数据状态,D为节点拒绝转发 数据状态； 
③博弈收益：在路由博弈中，当节点采取不同的策略(转发或拒绝转发)，会获得不同的博弈收益U。根据网络中不同节点在路由博弈中的策略建立博弈收益矩阵如表1所示。 
表1：博弈收益矩阵 
从表1可以看出，如果节点i和节点j都选择转发对方的数据，双方得到的博弈收益将为Ui＝Uj＝R；如果节点i选择转发节点j的数据，而节点j拒绝转发对方数据，那么节点i的博弈收益将为Ui＝S,节点j的博弈收益为Uj＝T；如果节点i拒绝转发节点j的数据，节点j转发对方数据，那么节点i的博弈收益为Ui＝T,节点j的博弈收益为Uj＝S；如果节点i和节点j都选择丢弃对方的数据，那么节点i,j得到的博弈收益为Ui＝Uj＝P；当节点i与节点j都选择转发对方数据时，双方博弈收益达到最佳均衡，倘若节点i和节点j中任一节点选择拒绝对方数据，都至少会使其中一节点的收益情况变差。因此该博弈收益矩阵类似囚徒困境模型，节点双方都选择转发对方数据时的策略为帕累托最优策略，因此其博弈收益矩阵要求满足：T>R>P>S,2R>T+S。 
其中，各种情况的博弈收益S,T,P,R等博弈收益参数定义遵循囚徒困境博弈模型定义，要求使得节点双方都选择转发对方数据时的策略为帕累托最优策略，双方收益达到最佳，要求满足T>R>P>S,2R>T+S。 
分别计算节点的能耗Ej。假设节点i选择节点j为其转发数据，根据公式计算节点j的能耗Ej，其中，Ej initial表示网络中节点j的初始能量，Ej remain为网络中节点j的剩余能量，可表示为：Ej remain＝Ej initial-Ej cost(m,d)，其中Ej cost(m,d)表示转发m个数据包所需消耗的能量，即Ej cost(m,d)＝Etx(m,d)+Erx(m,d)＝2mEelec+md2Emin。其中，d为节点i与节点j间的距离，Etx(m,d)为节点发送m个数据包消耗的能量，Erx(m,d)为节点接收m个数据包消耗的能量，Eelec为节点在发送与接收数据过程中内部电路所消耗的能量，Emin为发送一个数据包需要消耗的能量。 
确定博弈收益Uj。假设节点i在本轮博弈中选择节点j作为中继节点为其转发数据，从表1可知，上一轮博弈中节点i的不同决策，将会导致这一轮节点j的不同收益。根据博弈收益矩阵，如果上一轮博弈中节点j曾向节点i发起路由请求(相邻节点可以相互发送数据)，节点i选择为节点j转发数据包，则此轮博弈中，节点j的收益就为Uj＝R；如果节点i拒绝为其转发数据包，那么节点j的收益就是Uj＝S。 
即：相邻节点之间可以互相转发数据，假如本轮博弈，节点i选择节点j作为中继节点，而在上轮博弈中，节点j曾向节点i也发送过路由请求，根据博弈收益矩阵(表1)，节点i的在上轮博弈中的 不同决策行为会导致这一轮节点j的不同收益。 
根据中继节点j的能耗Ej、节点j的博弈收益Uj，调用公式：Fi(t)＝Ej×Uj，计算节点i与中继节点j的亲密度Fi(t)；重复上述计算，计算所有源节点i与所有潜在中继节点的亲密度值，对亲密度值进行排序，比较亲密度值，选择亲密度值最大的节点j作为中继节点发起路由请求。 
205：判断该中继节点是否为其转发数据，若转发，回复确定路由消息，并转至步骤207；若拒绝转发，转入步骤206。 
206：根据亲密度值，选择次优的节点(亲密度值次大的节点)作为中继节点，向次优的中继节点发送路由请求，并转回步骤205； 
207：判断该中继节点是否是目的节点D，若是，转入步骤208；否则，重复步骤204～207对其余潜在中继节点执行上述步骤，实现重复路由选择。 
208：将数据包交付目的节点D； 
本发明综合考虑了节点的能量有限性与链路可靠性，运用博弈方法将路由选择问题建模为节点之间的博弈问题，每个节点通过计算与其相邻中继节点的亲密度函数值来合理选择下一跳节点。在路由通信过程中，该路由选择方法考虑了节点的剩余能量，能够均衡网络能量消耗，提高分组投递率，有效地延长网络的生存时间。 

Claims (5)

1.一种基于重复博弈的Adhoc网络路由选择方法，其特征在于：包括步骤，源节点检查目的节点是否为其下一跳邻居节点，若是，发送数据包至目的节点；否则，向周围候选的中继节点发送路由请求，源节点计算与所有潜在中继节点的亲密度函数值，比较亲密度值评估与所有潜在中继节点之间的亲密度，选择亲密度值最大的节点j作为中继节点为其转发数据；如果节点j决定为其转发数据，回复路由确定消息，源节点收到确定消息后，将数据发送给中继节点；若节点j拒绝为其转发数据，源节点根据亲密度值从大到小依次向其余的潜在中继节点发送路由请求，直到有一个中继节点决定为其转发数据；通过重复路由选择，逐一确定通信链路上的各个中继节点，确定数据转发路由，源节点通过数据转发路由将数据包发送至目的节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述计算亲密度函数值具体为：根据公式计算节点j的能耗Ej，根据中继节点j的能耗Ej，节点j的博弈收益Uj，调用公式：Fi(t)＝Ej×Uj建立源节点i与潜在中继节点j的亲密度函数Fi(t)计算节点间的亲密度值，根据公式：Ej remain＝Ej initial-Ej cost(m,d)确定节点j的剩余能量，Ej initial表示节点j的初始能量，其中，Ej cost(m,d)表示节点j转发m个数据包所需消耗的能量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：根据不同节点在路由博弈中采取转发数据或拒绝转发数据的行为建立博弈收益矩阵确定博弈收益，博弈收益矩阵具体为：当节点i和节点j都转发了对方的数据，节点i和节点j的博弈收益Ui＝Uj＝R；节点i转发节点j的数据，而节点j拒绝转发节点i的数据，节点i的博弈收益Ui＝S,节点j的博弈收益Uj＝T；节点i拒绝转发节点j的数据，而节点j转发对方数据，节点i的博弈收益Ui＝T,节点j的博弈收益Uj＝S；节点i和节点j都丢弃了对方的数据，双方得到的博弈收益Ui＝Uj＝P，上述博弈收益满足关系：T>R>P>S,2R>T+S。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，根据公式：Ej cost(m,d)＝2mEelec+md2Emin计算节点j转发m个数据包所需消耗的能量，其中，d为节点i与节点j间的距离，Eelec为节点j在发送与接收数据过程中内部电路所消耗的能量，Emin为节点j发送一个数据包需要消耗的能量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，节点j在本轮博弈中的收益取决于上一轮的历史博弈收益，当节点i本轮选择节点j作为中继节点，根据博弈矩阵，如果上一轮节点j向节点i发起路由请求，节点i选择转发数据包，那么本轮博弈中，节点j的博弈收益为R；如果节点i拒绝转发数据包，节点j的博弈收益为S。
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