專利名稱：一種基于博弈論的無線傳感器網(wǎng)絡分層式路由選擇方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于大型無線傳感器網(wǎng)絡的基于博弈論的分層式路由方法。
背景技術：
隨著移動通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、嵌入式計算能力、分布式信息處理和無線通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)，而由這些功率低、體積小、價格便宜的微型傳感器構成的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless SensorNetwork，WSN)的興起也逐漸引起了人們的關注。
由于無線傳感器網(wǎng)絡是自組織的、能量受制的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中所有節(jié)點的配置都是一次性的，因此無法對于節(jié)點能量等配置做出補充，每個節(jié)點只具有有限的電源供應，因此如何延長整個網(wǎng)絡的壽命成為了無線傳感器網(wǎng)絡至關重要的問題。
在現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡分層式路由協(xié)議中，有的引入了隨機概率機制控制簇首選擇，從而形成路由，但是需要預先確定簇首選擇概率并且假設節(jié)點傳輸范圍可以動態(tài)變化；有的引入鏈式路由，使得網(wǎng)絡中所有節(jié)點形成一條鏈式結構，然后再由簇首將數(shù)據(jù)整個轉發(fā)；有的則是引入了定位功能，如GPS等，每一個節(jié)點通過對于自身位置信息及其它節(jié)點位置信息的了解形成簇的結構。顯然這些方法并不能完全解決無線傳感器網(wǎng)絡的能量問題。它們或者假設不恰當，或者路由形成復雜，或者增加節(jié)點復雜度，均無法解決無線傳感器網(wǎng)絡在分布式?jīng)Q策的條件下，盡可能延長網(wǎng)絡壽命的要求。因此，本發(fā)明基于博弈論中的均衡機制，提出了能夠較好解決這一問題的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對無線傳感器網(wǎng)絡壽命問題，從均衡節(jié)點剩余能量與本地平均路徑損耗的角度入手，結合博弈理論思想，提出了一種分層式路由選擇機制，使網(wǎng)絡壽命得到延長。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的A.利用博弈理論思想建立網(wǎng)絡模型，包括參與人集合S＝{s1，s2，…，sn}；所有節(jié)點在某個時刻的策略所構成的策略集L＝{l1，l2，…，ln}；以及如果節(jié)點i采用成為簇首策略時的支付方程πi＝εEi/Einit-(1-ε)∑Ppathloss/ni*PGen(0≤ε≤1)；B.每一個節(jié)點建立鄰節(jié)點集合，計算并廣播π值；C.接收到鄰節(jié)點π值的節(jié)點，將鄰節(jié)點π值與自身π值進行比較，記錄下大于自身π值的鄰節(jié)點，建立鄰節(jié)點信息集；D.如果該節(jié)點所建立的鄰節(jié)點信息集為空，則選擇自己為簇首節(jié)點，并廣播簇首選擇信息；其它在該節(jié)點范圍內(nèi)的鄰節(jié)點收到一個或多個簇首信息之后，清除鄰節(jié)點信息，并加入π值最大的簇首節(jié)點；E.如果鄰節(jié)點信息集非空的無線傳感器節(jié)點收到了鄰節(jié)點信息集中鄰節(jié)點發(fā)往其簇首節(jié)點的加入信息，卻沒有收到簇首選擇信息，則表明該節(jié)點不在任何簇首聲明節(jié)點的傳輸范圍之內(nèi)，因此該節(jié)點將從鄰節(jié)點信息集中刪去已有歸屬簇的鄰節(jié)點，并回到D；F.當所有參與人均最終決定策略后，分層式路由建立，并開始數(shù)據(jù)傳輸；G.在數(shù)據(jù)傳輸一段時間后，重啟該路徑選擇過程，并重新選擇簇首節(jié)點，形成分層路由。
根據(jù)本發(fā)明的想法，在網(wǎng)絡模型構建中引入了博弈理論原理，在簇首選擇過程中，每一個節(jié)點的選擇都通過鄰節(jié)點信息集，及對于信息集不斷的更新，選擇了節(jié)點范圍內(nèi)π值最大的節(jié)點作為簇首節(jié)點，從而達到了整個網(wǎng)絡的博弈均衡。同時，對于支付方程的定義，兼顧了網(wǎng)絡中單一節(jié)點的剩余能量和節(jié)點與周圍節(jié)點路徑損耗的考量，從而從多方面考慮提高網(wǎng)絡性能。
在本發(fā)明中，通過支付方程的作用，以及整個網(wǎng)絡序貫達到博弈均衡的簇首選擇過程，使得網(wǎng)絡中簇首的選擇分布平均，位置合理，提高了網(wǎng)絡的性能，延長了網(wǎng)絡的整體壽命。


下面參照附圖并結合實例來進一步描述本發(fā)明。其中圖1表示了所提出的分層式路由選擇方法的工作流程圖；圖2表示了分層式路由選擇方法中ε的選擇圖；圖3表示了分層式路由選擇方法中的簇首節(jié)點分布狀況圖；圖4a表示了分層式路由選擇方法在40％節(jié)點死亡時的網(wǎng)絡性能(100節(jié)點)圖；圖4b表示了分層式路由選擇方法在40％節(jié)點死亡時的網(wǎng)絡性能(300節(jié)點)圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
本發(fā)明主要是聯(lián)合考慮單個節(jié)點剩余能量和節(jié)點與鄰節(jié)點之間的路徑損耗，得出支付方程，通過博弈理論的思想基礎，最終得出均衡，從而提高網(wǎng)絡性能，延長網(wǎng)絡壽命。
圖1是本發(fā)明所提出的分層式路由選擇方法的工作過程。對于本發(fā)明中的無線傳感器節(jié)點有以下假設(1)網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都是靜止不動的，但是路由設計可以支持移動節(jié)點以及節(jié)點數(shù)量的變化；(2)節(jié)點沒有位置感知功能；(3)除基站外，所有節(jié)點都是同等的，沒有特殊節(jié)點的存在；(4)節(jié)點一旦部署，進入自組織、自控制模式，沒有任何中心控制信息；(5)每一個節(jié)點都具有兩個電平范圍，分別應對節(jié)點之間的小范圍傳輸(傳輸最大距離25m)以及節(jié)點至基站的大范圍傳輸(傳輸距離200m左右)；
(6)不需要預先確定簇首數(shù)量或者概率。
在圖1中，第一步網(wǎng)絡節(jié)點集合的產(chǎn)生，是隨機的在50*50的范圍內(nèi)隨機的產(chǎn)生大量(本處取100與300兩個值)具有上述假設的節(jié)點；在第二步中，節(jié)點對于在其范圍內(nèi)的節(jié)點計算π值，并將結果在小范圍內(nèi)廣播；該步驟旨在通過計算和廣播π值，為下一步每一個節(jié)點建立鄰節(jié)點信息集打下基礎；在第三步中，每一個節(jié)點通過比較所接收到的π值，以及自身的π值，建立鄰節(jié)點信息集。鄰節(jié)點信息集是簇首決定和簇首選擇的基礎；在第四步中，存在一個判斷。該判斷為如果節(jié)點所建立的鄰節(jié)點信息集為空，也就是說，其本身所具有的π值最大，因此它會自動成為簇首節(jié)點，并廣播簇首節(jié)點信息；如果節(jié)點所建立的鄰節(jié)點信息集不為空，則無法做出決策，需要等待別的節(jié)點決策，從而進一步更新鄰節(jié)點信息集；在第五步，當節(jié)點等待別的節(jié)點決策后，又存在一個判斷，但這個判斷并非邏輯上的，而是狀態(tài)上的。具體說來當節(jié)點接收到一個或者多個已經(jīng)成為簇首節(jié)點的節(jié)點所發(fā)送的簇首信息的時候，則節(jié)點選擇其中π值最大的一個加入；如果節(jié)點沒有收到任何簇首信息，同時卻收到了鄰節(jié)點加入其它簇的加入信息時，則該節(jié)點由鄰節(jié)點信息集中刪除已經(jīng)有歸屬簇的節(jié)點，更新鄰節(jié)點信息集。
此時節(jié)點狀態(tài)回到第四步，進行循環(huán)決策，直到網(wǎng)絡中所有節(jié)點都有歸屬簇，則路由選擇過程結束。
接下來，進入數(shù)據(jù)傳輸階段，網(wǎng)絡中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)按照所建立的分層式路由，將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇首節(jié)點，在簇首節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，最終發(fā)給基站。
為了減小網(wǎng)絡路由建立開銷對網(wǎng)絡性能的影響，每經(jīng)過五輪數(shù)據(jù)傳遞，再重新進行一次分層路由選擇過程。
在本發(fā)明中，充分體現(xiàn)了對于無線傳感器網(wǎng)絡中簇首選擇路由建立的各種要求，即(1)簇首選擇是分布式的，每一個節(jié)點僅通過少量的本地信息，獨立的選擇是否成為簇首，以及加入哪個簇中；(2)在選簇過程結束后，每一個節(jié)點或者成為簇首或者加入某一個簇中；(3)簇首應該盡量均勻的分布在整個網(wǎng)絡以及節(jié)點中。
圖2是支付方程πi＝εEi/Einit-(1-ε)∑Ppathloss/ni*PGen(0≤ε≤1)；中ε的選擇過程，由于ε反映了支付方程前后兩個方面對于網(wǎng)絡性能的影響，因此其選擇很重要，當ε值接近于0時，網(wǎng)絡末節(jié)點壽命大大延長，但首節(jié)點消亡較早；當ε值接近于1時，網(wǎng)絡首節(jié)點壽命有一定改善，但末節(jié)點壽命下降。
本處通過對于100節(jié)點與300節(jié)點網(wǎng)絡中不同ε值，首節(jié)點消亡時間與末節(jié)點消亡時間相乘的結果來綜合體現(xiàn)ε對于網(wǎng)絡性能的影響。該乘積結果的最大值表現(xiàn)了要求網(wǎng)絡中首節(jié)點與末節(jié)點消亡時間都盡量延長的主旨。由圖2可以看到，當ε值約為0.3-0.4時，該綜合值達到最大值。
圖3是網(wǎng)絡中簇首節(jié)點分布圖，此處取了網(wǎng)絡仿真過程中的一個瞬間來觀察，其它瞬間與該圖相似。由該圖可以看到，簇首節(jié)點在網(wǎng)絡中基本上均勻分布，且簇首節(jié)點盡量選擇在網(wǎng)絡中節(jié)點密集地區(qū)的中央，從而減小了簇內(nèi)其它節(jié)點到簇首節(jié)點的能量損耗。
圖4a與圖4b是網(wǎng)絡中具有100和300個節(jié)點時的40％節(jié)點消亡圖。與其對比的是對于LEACH協(xié)議做出改進的gen-LEACH協(xié)議。具體說，主要是在gen-LEACH協(xié)議中，由于網(wǎng)絡并不假設其中節(jié)點一定相同，即具有相同的初始能量資源，因此簇首選擇采用基于剩余能量選擇的方法，其簇首選擇概率為Pi(t)=min{Ei(t)Etotal(t)k,1},]]>其中，Ei(t)為節(jié)點i的剩余功率，而Etotal(t)=Σi=1NEi(t).]]>同時根據(jù)之前所作出的假設中所規(guī)定的，節(jié)點不受基站的中心控制，所有節(jié)點信息通過節(jié)點在網(wǎng)絡內(nèi)部通過自組織的方式進行交流。因此，gen-LEACH協(xié)議中每一個節(jié)點的剩余能量Ei(t)就需要通過自組織的方式進行傳遞。此外，在gen-LEACH協(xié)議中，也引入了與所提的DEER相同的范圍機制，即有兩個傳輸范圍，一個用于長距離范圍通信，另一個用于短距離范圍通信，由于gen-LEACH協(xié)議按照固定比例產(chǎn)生簇首節(jié)點，因此在gen-LEACH協(xié)議中必須存在多跳傳輸，以中繼不在簇首范圍內(nèi)的節(jié)點。
通過圖4a與圖4b可以看出，本發(fā)明對于整體網(wǎng)絡壽命有很大的改善。可以看出，使用本發(fā)明的分層式網(wǎng)絡路由選擇方法，網(wǎng)絡整體壽命大大提高，并且隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量的增加，本發(fā)明對于網(wǎng)絡壽命的改善作用增強。這是因為，由于簇首節(jié)點的分布相對均勻，且簇首節(jié)點總是盡可能的處在節(jié)點密集區(qū)域的中心位置，從而減少了節(jié)點到簇首節(jié)點的傳輸損耗，延長了網(wǎng)絡壽命。當網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目增多時，受益于該發(fā)明路由選擇方法的節(jié)點也增多，因此網(wǎng)絡性能較好。
總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種基于博弈論的無線傳感器網(wǎng)絡分層式路由選擇方法，其特征在于，所述方法具體包括以下處理步驟A.利用博弈理論思想建立網(wǎng)絡模型，包括參與人集合S＝{s1，s2，…，sn}；所有節(jié)點在某個時刻的策略所構成的策略集L＝{l1，l2，…，ln}；以及如果節(jié)點i采用成為簇首策略時的支付方程πi＝εEi/Einit-(1-ε)∑Ppathloss/ni*PGen(0≤ε≤1)；其中Ei為現(xiàn)有能量，Einit為節(jié)點初始能量；ni為在節(jié)點i范圍內(nèi)的鄰節(jié)點數(shù)目，∑Ppathloss表示鄰節(jié)點到節(jié)點i的路徑損耗之和，而PGen是節(jié)點最大范圍傳輸路徑損耗，ε為調(diào)節(jié)參數(shù)。B.每一個節(jié)點建立鄰節(jié)點集合，計算并廣播π值；C.接收到鄰節(jié)點π值的節(jié)點，將鄰節(jié)點π值與自身π值進行比較，記錄下大于自身π值的鄰節(jié)點，建立鄰節(jié)點信息集；D.如果該節(jié)點所建立的鄰節(jié)點信息集為空，則選擇自己為簇首節(jié)點，并廣播簇首選擇信息；其它在該節(jié)點范圍內(nèi)的鄰節(jié)點收到一個或多個簇首信息之后，清除鄰節(jié)點信息，并加入π值最大的簇首節(jié)點；E.如果鄰節(jié)點信息集非空的無線傳感器節(jié)點收到了鄰節(jié)點信息集中鄰節(jié)點發(fā)往其簇首節(jié)點的加入信息，卻沒有收到任何簇首選擇信息，則表明該節(jié)點不在簇首聲明節(jié)點的傳輸范圍之內(nèi)，因此該節(jié)點將從鄰節(jié)點信息集中刪去已有歸屬簇的鄰節(jié)點，并回到步驟D；F.當所有參與人均決定最終策略后，分層式路由建立，并開始數(shù)據(jù)傳輸；G.在數(shù)據(jù)傳輸一段時間后，重啟該路徑選擇過程，并重新選擇簇首節(jié)點，形成分層路由。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟A中，策略集L＝{l1，l2，…，ln}為純策略集，參與人集合S＝{s1，s2，…，sn}中的節(jié)點為簇首節(jié)點或普通節(jié)點。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，當節(jié)點本身采用了成為簇首的策略時，該節(jié)點范圍內(nèi)的其它節(jié)點采用成為普通節(jié)點的策略。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)參數(shù)ε的選擇是根據(jù)網(wǎng)絡中首節(jié)點與末節(jié)點的綜合性能得出的。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟B中，每一個節(jié)點必須建立自己的簡單的標識信息。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟D中，由節(jié)點本身通過所具有的鄰節(jié)點信息集合的信息進行判斷，是否成為簇首節(jié)點或者作為普通節(jié)點加入某一個簇首，或者無法做出判斷，需要進一步更新鄰節(jié)點信息集；具體判斷為，如果節(jié)點所具有的鄰節(jié)點信息集為空，則選擇自身作為簇首節(jié)點，并廣播簇首信息；如果鄰節(jié)點信息集不為空，同時收到來自鄰節(jié)點的簇首廣播信息，則決策選擇加入該簇，并清除鄰節(jié)點信息集；否則繼續(xù)等待鄰節(jié)點信息集的更新。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟E中，通過鄰節(jié)點的加入簇的信息，將決策結果通知其鄰節(jié)點；鄰節(jié)點通過該決策結果更新鄰節(jié)點信息集，并嘗試能否做出決策。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟F中，當參與人節(jié)點集S＝{s1，s2，…，sn}，對應于唯一確定的策略集L＝{l1，l2，…，ln}時，分層式路由建立。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于博弈論的無線傳感器網(wǎng)絡分層式路由選擇方法，本發(fā)明通過在無線傳感器網(wǎng)絡中選擇較合理的簇首節(jié)點，形成相對優(yōu)秀的路由算法，從而既在一定程度上保證單個節(jié)點盡量節(jié)省能量，又保證了整個網(wǎng)絡能量消耗相均衡，最終達到延長網(wǎng)絡壽命的目的。
文檔編號H04L29/06GK101094131SQ20061008684
公開日2007年12月26日 申請日期2006年6月21日 優(yōu)先權日2006年6月21日
發(fā)明者田輝, 張平, 楊寧, 黃平 申請人:中興通訊股份有限公司, 北京郵電大學