CN113993177A - 一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，本发明通过传感器节点分布式地在无线传感网中选择较合理的簇头节点，令其与周围节点形成簇，形成具有相对优势的分簇路由算法，从而在保证单个节点能量消耗减弱的同时，整个网络能量的消耗处于均衡状态，以此实现延长总体网络寿命。

Description

一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感网分簇路由方法，特别涉及一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法。
背景技术
无线传感器网络WSN(wireless sensor network)往往由大量小型传感器节点构成并分布于一定区域，自组织地形成Ad hoc网络。无线传感器通常靠自身携带的小容量电池提供能量，这些电池通常在投放于监测区域后不方便更换。而单个无线传感器的能量使用情况又影响无线传感器网络的整体寿命。对于WSN而言，通信中的传感器节点执行计算时消耗的能量远小于传输信息时消耗的能量。因此，如何通过改进通信方面的能量消耗，保证通信能力的前提下延长WSN的生命周期就成为该领域的热点问题。
为此，相关学者提出了一些分簇路由协议，这类协议将网络中的部分节点设为簇头，令簇头和其他普通节点形成一个对应的簇。簇头节点通常被赋予更繁重的通信和计算任务，以处理和传输更多由其中转的信息。而普通节点收集到的数据发送给簇头而非直接送至基站，因此节省了普通节点原本需要消耗的大量能量；簇头则将这些数据压缩去冗余后传回簇头。
近年来，也有一些学者将博弈论方法结合于WSN的相关研究中。博弈论是一种采用数学分析方法的决策理论，其研究对象是博弈参与者发生冲突时对决策主体最有利的行动方案。博弈论主要研究公式化了的参与者间的相互作用，作为一种研究具有竞争现象的数学理论和方法，考虑游戏中个体的预测行为和实际行为，并研究它们的优化策略。
经典的低能量自适应聚类层次(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)算法由于每个传感器都随机自选为簇头，簇首在节点之间以概率方式旋转，使能量消耗操作分布在网络的所有节点之间。
有学者提出一种局部博弈论的分簇协议(localized game theoreticalclustering algorithm，LGCA)，将每个节点及其邻居都看作一个簇内关于簇头选举博弈的竞争者，自私地决定是否成为簇头，并通过MAC竞争确定最终的簇头选择，通过合理选择博弈模型中的参数可以在能耗优化性能方面超过LEACH。
LEACH协议的特点会导致边缘节点的能耗问题，即由于位置远离基站的节点执行转发任务消耗较重，以平均概率成为簇头时更容易消耗大量能量，提前死亡。这就需要为选举出簇头的环节增加关于能耗本身的考虑，而非以完全均匀的概率进行。
LGCA协议的缺点在于，其对于参数的选择是人工实验确定的，没有基于网络实际情况的明确指标。鉴于此，本发明将提出一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法。
发明内容
本发明的目的是，在分簇路由协议中为选举出簇头的环节增加关于能耗本身的考虑，而非以完全均匀的概率进行。还应当解决博弈论方法的应用中，博弈模型参数的设计不明确和人为设置导致不符合网络实际情况，无法达到自适应能耗均衡的情况。所以本发明提供一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，通过建立簇群有效地均衡无线传感网中各节点的能量消耗，从而延长网络寿命。
为达到上述发明目的，本发明的技术方案为：
一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，包括以下步骤：
(1)构建无线传感网系统模型，系统中包括固定的基站和在其周围随机分布的各个传感器节点，作为将来的簇头节点和普通节点；
(2)用博弈论思想构建节点间簇头竞争博弈模型，包括：
竞争参与者集合：N＝{N1，N2，…，Nn}，其中Ni为竞争的第i个参与者。
每个节点在当前时刻选择策略所构成的策略集合：S＝{S1，S2，…，Sn}，其中Si为第i个参与者选择的策略，可选的策略有：成为簇头，用CH表示；和不成为簇头，用NCH表示；
每个节点对应于每个策略组合所获得的效用函数集合：U＝{U1，U2，…，Un}，效用函数Ui表示为
Figure BDA0003364870470000021
其中v是收益，c是簇头代价，r是未成簇头的惩罚。此效用函数表示的意义为：当所有节点选择策略sj＝NCH时效用函数均为0；任何节点i选择策略si＝CH时效用函数为v-c；当存在节点j选择策略sj＝CH时，选择策略si＝NCH的节点效益函数为v-r，且v、c、r的表达式分别为
vi＝aEres，ci＝amEres，
Figure BDA0003364870470000022
其中Eres为节点剩余能量，Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量，a>0为正相关常数，m∈(0,1)为收益损耗比例常数，b∈(0,1)为惩罚参数。
(3)每个未死亡的节点广播自身ID与剩余能量值，接收邻居节点的ID、能量和距离信息；
(4)节点i建立邻居节点集合，根据博弈模型计算达到混合策略纳什均衡时自身参选簇头的均衡概率；
(5)节点i根据未死亡的邻居节点状况建立和维护自己的候选人集合Ncur(i)。若某邻居在之前的轮次中曾经成为过一次簇头，则将其剔出候选人集合Ncur(i)；当Ncur(i)为空时，将邻居表中的所有节点重新填入Ncur(i)；
(6)节点i根据求出的候选人及自身节点的均衡概率随机推选临时簇头，建立自己的临时簇头表；
(7)节点i对临时簇头表中各节点对应的均衡概率多次倍乘，当其中产生大于1的倍化概率时，倍乘结束并将对应该倍化概率的节点j成为簇头的消息通知节点j，节点j宣布自身成为正式簇头；若节点j是i自身，则直接宣布自身成为正式簇头；
(8)簇内未宣布自身成为簇头的节点选择成为普通节点的策略，令自身向邻居中的已有簇头报告以形成簇。未在邻居中找到簇头的节点扩大其通信范围，与距离最近的簇头建立通信并入簇；若普通节点离基站比离最近的簇头的距离短，选择直接与基站建立连接；
(9)所有节点完成分簇结构建立之后，开始一轮数据传输；
(10)当数据传输完成一轮时间后，从步骤(3)重新开始路由信息交换并维护存储的成簇信息集合，在此基础上重新推选簇头节点，建立新的分簇路由结构，继续下一轮的数据传输。
进一步的，上述的步骤(2)中，构造效用函数时为了鼓励成为簇头，加入了对参与者中已有簇头时选择未成为簇头策略的惩罚机制，具体操作为在簇头竞争博弈模型中，为当存在节点j选择策略sj＝CH时，选择策略si＝NCH的节点效益函数中添加了惩罚因子r。
进一步的，上述的步骤(4)中，计算自身参选簇头的均衡概率的方法为：设定均衡因子ω＝(c-r)/(v-r)，Ncur(i)为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人集合，得到取得纳什均衡解时节点i采用成为簇头策略CH的概率公式：
Figure BDA0003364870470000031
其中：
Figure BDA0003364870470000032
其中p(i)为采用策略CH的概率，ω为均衡因子，|Ncur(i)|为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人总数，v、c、r分别为博弈模型中的收益，簇头代价和未成簇头的惩罚，Eres为节点剩余能量，Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量m∈(0,1)为收益损耗比例常数，b∈(0,1)为惩罚比例常数。该方法中的均衡因子是由节点自身剩余能量和邻居节点中最大的剩余能量得到的。
进一步的，上述的步骤(7)中，若节点i对存储的各临时簇头参选均衡概率的倍乘停止时，出现了2个及以上的当选者，则完全随机地推出其中仅一个当选者作为要宣布的正式簇头且将其剔除出候选人集合，其他倍乘结果推出的当选者本轮退出竞争，并保留在候选人集合中；当剔除后候选人集合为空时，下一轮将重新引入所有邻居节点集合中尚未死亡的节点进入候选人集合。
进一步的，上述的步骤(7)中，将会通过避免冲突的机制令同一邻居区域中仅有一个节点成为簇头。具体的做法是：若有2个及以上在彼此通信邻居范围内的节点将通过参选均衡概率被推荐为正式簇头，每个被推荐的准簇头节点广播当选信息前，若已经检测到其他簇头当选信息，将直接放弃发送广播，并选择成为普通节点的策略，等待入簇阶段。
进一步的，上述的步骤(10)中，由于节点在整个通信过程中均为静止状态，当新的一轮通信周期来临时，节点所维护的邻居节点集合、候选人集合等本地表格可以直接继承上一轮维护的结果而非重新从头开始收集，仅需在新的一轮中根据收集到的最新邻域信息差异更新和维护已有本地表格。
技术效果方面，本发明在无线传感器网络建立后的能耗均衡能力方面，能够达到优于LEACH、LGCA等对比方法的效果，进而延长早期节点的存活时间，增加了网络稳定期，延缓了半数节点死亡速度，如此增加无线传感器网络生命周期。这种技术优势是由于实现了在分簇路由的簇头选举中自适应地考虑局部簇内节点能耗情况，并且建构了更符合无线传感器网络中局域能耗实际情况的博弈模型，实现了更有利于减少网络转发热点，减轻拥有较高转发成本节点负担的簇头推举，优化了网络的能耗均衡结构。
附图说明
图1为本发明一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法的流程图；
图2为在同一网络条件中使用本发明的方法与其他方法对比的节点存活数量随网络组建时间变化的情况；
图3为在同一网络条件中使用本发明的方法与其他方法对比的不同定义下网络寿命情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步具体说明。
参考附图1，本发明提出的方法在实施中具体包括以下步骤：
A.建立无线传感网系统模型，设定初始化参数：设定网络中无线传感器节点总数n＝100，随机分布于100×100m2的平面区域内，基站设定于该区域中心即(50,50)坐标点，分布情况见图2；每个节点初始能量为0.1J，每轮传输数据量为4000bits；预设节点的邻居通信范围半径为20m，正相关常数a＝1，收益损耗比例常数m＝0.5，惩罚参数b＝1。
B.每个未死亡的节点i向邻居广播自身ID与剩余能量值，接收邻居节点的ID、能量和距离信息；
C.节点i建立邻居节点集合，根据博弈模型计算达到混合策略纳什均衡时自身参选簇头的均衡概率。节点间簇头竞争博弈模型的构建为：
竞争参与者集合：N＝{N1，N2，…，Nn}，其中Ni为竞争的第i个参与者。
每个节点在当前时刻选择策略所构成的策略集合：S＝{S1，S2，…，Sn}，其中Si为第i个参与者选择的策略，可选的策略有：成为簇头，用CH表示；和不成为簇头，用NCH表示；
每个节点对应于每个策略组合所获得的效用函数集合：U＝{U1，U2，…，Un}，效用函数Ui表示为
Figure BDA0003364870470000051
其中v是收益，c是簇头代价，r是未成簇头的惩罚。此效用函数表示的意义为：当所有节点选择策略sj＝NCH时效用函数均为0；任何节点i选择策略si＝CH时效用函数为v-c；当存在节点j选择策略sj＝CH时，选择策略si＝NCH的节点效益函数为v-r，且v、c、r的表达式分别为
vi＝aEres，ci＝amEres，
Figure BDA0003364870470000052
其中Eres为节点剩余能量，Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量，a>0为正相关常数，m∈(0,1)为收益损耗比例常数，b∈(0,1)为惩罚比例常数。
均衡概率的计算根据上述博弈模型，设定均衡因子ω＝(c-r)/(v-r)，Ncur(i)为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人集合，得到取得纳什均衡解时节点i采用成为簇头策略CH的概率公式：
Figure BDA0003364870470000061
其中：
Figure BDA0003364870470000062
其中p(i)为采用策略CH的概率，ω为均衡因子，|Ncur(i)|为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人总数，v、c、r分别为博弈模型中的收益，簇头代价和未成簇头的惩罚，Eres为节点剩余能量，Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量m∈(0,1)为收益损耗比例常数，b∈(0,1)为惩罚参数。该方法中的均衡因子是由节点自身剩余能量和邻居节点中最大的剩余能量得到的。
D.节点i根据未死亡的邻居节点状况建立和维护自己的候选人集合Ncur(i)。某邻居在之前的轮次中曾经成为过一次簇头，则将其剔出候选人集合Ncur(i)；当Ncur(i)为空时，将邻居表中的所有节点重新填入Ncur(i)。
E.节点i根据求出的候选人及自身节点的均衡概率随机推选临时簇头，建立自己的临时簇头表。
F.节点i对临时簇头表中各候选节点对应的均衡概率多次倍乘，当其中产生大于1的倍化概率时，倍乘结束并将对应该倍化概率的节点j成为簇头的消息通知节点j，节点j宣布自身成为正式簇头；若节点j是i自身，则直接宣布自身成为正式簇头；若节点i对存储的各候选人参选均衡概率的倍乘停止时，出现了2个及以上的当选者，则完全随机地推出其中仅一个当选者作为要宣布的正式簇头且将其剔除出候选人集合，其他倍乘结果推出的当选者本轮退出竞争，并保留在候选人集合中；当剔除后候选人集合为空时，下一轮将重新引入所有邻居节点集合中尚未死亡的节点进入候选人集合。若有2个及以上在彼此通信邻居范围内的节点将通过参选均衡概率被推荐为正式簇头，每个被推荐的准簇头节点广播当选信息前，若已经检测到其他簇头当选信息，将直接放弃发送广播，并选择成为普通节点的策略，等待入簇阶段。
G.簇内未宣布自身成为簇头的节点选择成为普通节点的策略，令自身向邻居中的已有簇头报告以形成簇。未在邻居中找到簇头的节点扩大其通信范围，与距离最近的簇头建立通信并入簇；若普通节点离基站比离最近的簇头的距离短，选择直接与基站建立连接。
H.所有节点完成分簇结构建立之后，开始一轮数据传输。
I.当数据传输完成一轮时间后，从步骤B重新开始路由信息交换并维护存储的成簇信息集合，在此基础上重新推选簇头节点，建立新的分簇路由结构，继续下一轮的数据传输，直到整个网络所有节点死亡。由于节点在整个通信过程中均为静止状态，当新的一轮通信周期来临时，节点所维护的邻居节点集合、候选人集合等本地表格可以直接继承上一轮维护的结果而非重新从头开始收集，仅需在新的一轮中根据收集到的最新邻域信息差异更新和维护已有本地表格。
根据附图2可以看出，在按照上述配置的网络仿真环境中，LEACH、LGCA和本发明的方法下网络中的死亡节点数分别随时间变化的情况。若将首个节点死亡时的轮数定义成网络稳定期，可以推断出一旦首个节点死亡开始，整个网络将处于不稳定状态下。附图2中可以看出，所有协议的死亡节点数随着运行时间而增加；本发明提出的基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法相较于经典的LEACH和LGCA方法具有更长的首个节点死亡时间，即网络稳定期得到延长。尽管因为网络的不稳定状态后，较早时间维持了存续的协议在节点死亡数量比例增大之后加快了能量消耗，引起后半段曲线节点死亡加快；然而从网络节点死亡数量比例较小的轮数，即早期网络节点整体寿命来看，本发明的路由方法仍然具有不错的优势。这是因为本发明采用局域内就近选择成簇的优化方法，充分运用了节点剩余能量与周围竞争者的能量对比等信息，实现更高效的能耗均衡，如此一来网络中个别原本负担较重的节点消耗减少，转发任务被低成本地均匀到了其他原本负担较轻的节点，从而增加了网络整体稳定存续的时长。
附图3描述了在同一网络条件中使用本发明的方法与其他方法对比的不同定义下网络寿命情况。由于节点在死亡过半后，整个网络已经无法维持稳定，通常此时传感器网络已经没有完成预期监测任务的能力，这里将网络寿命定义为100％节点存活、90％节点存活和50％节点存活的时间。可以看到使用LEACH、LGCA以及本发明的方法情况下的首个节点死亡时间分别为第140轮、第202轮、第252轮；10％节点死亡时间分别为第188轮、第257轮、第286轮；半数节点死亡时间分别为第252轮、第303轮、第312轮。从网络稳定期的提升来看，本发明的方法相较于LEACH、LGCA分别提升了80.0％和24.8％；90％节点存续时间分别优于对比方法的52.1％、11.3％；网络节点死亡过半时的节点存续时间也比对比方法分别高出23.8％和3.0％。由此可证明，本发明提出的基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法在实现网络能耗均衡，延长网络寿命方面具有一定的技术优势。

Claims (6)

1.一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)构建无线传感网系统模型，系统中包括固定的基站和在其周围随机分布的各个传感器节点，作为将来的簇头节点和普通节点；
(2)用博弈论思想构建节点间簇头竞争博弈模型，包括：
竞争参与者集合：N＝{N1，N2，…，Nn}，其中Ni为竞争的第i个参与者；
每个节点在当前时刻选择策略所构成的策略集合：S＝{S1，S2，…，Sn}，其中Si为第i个参与者选择的策略，可选的策略有：成为簇头，用CH表示；和不成为簇头，用NCH表示；
每个节点对应于每个策略组合所获得的效用函数集合：U＝{U1，U2，…，Un}，
效用函数Ui表示为
Figure FDA0003364870460000011
其中v是收益，c是簇头代价，r是未成簇头的惩罚。此效用函数表示的意义为：当所有节点选择策略sj＝NCH时效用函数均为0；任何节点i选择策略si＝CH时效用函数为v-c；当存在节点j选择策略sj＝CH时，选择策略si＝NCH的节点效益函数为v-r，且v、c、r的表达式分别为
vi＝aEres，ci＝amEres，
Figure FDA0003364870460000012
其中Eres为节点剩余能量，Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量，a>0为正相关常数，m∈(0,1)为收益损耗比例常数，b∈(0,1)为惩罚比例常数。
(3)每个未死亡的节点广播自身ID与剩余能量值，接收邻居节点的ID、能量和距离信息；
(4)节点i建立邻居节点集合，根据博弈模型计算达到混合策略纳什均衡时自身参选簇头的均衡概率；
(5)节点i根据未死亡的邻居节点状况建立和维护自己的候选人集合Ncur(i)。若某邻居在之前的轮次中曾经成为过一次簇头，则将其剔出候选人集合Ncur(i)；当Ncur(i)为空时，将邻居表中的所有节点重新填入Ncur(i)；
(6)节点i根据求出的候选人及自身节点的均衡概率随机推选临时簇头，建立自己的临时簇头表；
(7)节点i对候选人集合Ncur(i)中各候选节点对应的均衡概率多次倍乘，当其中产生大于1的倍化概率时，倍乘结束并将对应该倍化概率的节点j成为簇头的消息通知节点j，节点j宣布自身成为正式簇头；若节点j是i自身，则直接宣布自身成为正式簇头；
(8)簇内未宣布自身成为簇头的节点选择成为普通节点的策略，令自身向邻居中的已有簇头报告以形成簇。未在邻居中找到簇头的节点扩大其通信范围，与距离最近的簇头建立通信并入簇；若普通节点离基站比离最近的簇头的距离短，选择直接与基站建立连接；
(9)所有节点完成分簇结构建立之后，开始一轮数据传输；
(10)当数据传输完成一轮时间后，从步骤(3)重新开始路由信息交换并维护存储的成簇信息集合，在此基础上重新推选簇头节点，建立新的分簇路由结构，继续下一轮的数据传输。
2.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，其特征在于，在步骤(2)中，构造效用函数时为了鼓励成为簇头，加入了对参与者中已有簇头时选择未成为簇头策略的惩罚机制，具体操作为在簇头竞争博弈模型中，为当存在节点j选择策略sj＝CH时，选择策略si＝NCH的节点效益函数中添加了惩罚因子r。
3.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，其特征在于，在步骤(4)中，计算自身参选簇头的均衡概率的方法为：设定均衡因子ω＝(c-r)/(v-r)，Ncur(i)为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人集合，得到取得纳什均衡解时节点i采用成为簇头策略CH的概率公式：
Figure FDA0003364870460000021
其中：
Figure FDA0003364870460000022
其中p(i)为采用策略CH的概率，ω为均衡因子，|Ncur(i)|为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人总数，v、c、r分别为博弈模型中的收益，簇头代价和未成簇头的惩罚，Eres为节点剩余能量，Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量m∈(0,1)为收益损耗比例常数，b∈(0,1)为惩罚比例常数。该方法中的均衡因子是由节点自身剩余能量和邻居节点中最大的剩余能量得到的。
4.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，其特征在于，在步骤(7)中，若节点i对存储的各临时簇头参选均衡概率的倍乘停止时，出现了2个及以上的当选者，则完全随机地推出其中仅一个当选者作为要宣布的正式簇头且将其剔除出候选人集合，其他倍乘结果推出的当选者本轮退出竞争，并保留在候选人集合中；当剔除后候选人集合为空时，下一轮将重新引入所有邻居节点集合中尚未死亡的节点进入候选人集合。
5.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，其特征在于，在步骤(7)中，将会通过避免冲突的机制令同一邻居区域中仅有一个节点成为簇头；具体的方法是：若有2个及以上在彼此通信邻居范围内的节点将通过参选均衡概率被推荐为正式簇头，每个被推荐的准簇头节点广播当选信息前，若已经检测到其他簇头当选信息，将直接放弃发送广播，并选择成为普通节点的策略，等待入簇阶段。
6.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法，其特征在于，由于节点在整个通信过程中均为静止状态，在步骤(10)中，当新的一轮通信周期来临时，节点所维护的邻居节点集合、候选人集合等本地表格可以直接继承上一轮维护的结果而非重新从头开始收集，仅需在新的一轮中根据收集到的最新邻域信息差异更新和维护已有本地表格。
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