專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡中基于鏈式博弈的協(xié)同傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于基于碼分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)的多簇無線傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)同傳輸方法，具體是一種適用于基于CDMA的多簇無線 傳感器網(wǎng)絡中通過建立鏈式博弈模型來實現(xiàn)協(xié)同傳輸中對協(xié)同節(jié)點集的確定和本地通信 (各簇內(nèi)簇頭節(jié)點與成員節(jié)點之間的通信)及遠距離通信(各簇與匯聚節(jié)點之間的通信) 時發(fā)送功率分配的分布式設計方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡作為多學科高度交叉、新興、前沿的一個熱點研究領(lǐng)域，近年來受 到高度關(guān)注。但是，傳感器節(jié)點通常是電池能量有限的，這使得各項技術(shù)和協(xié)議的使用一般 都以節(jié)能為前提。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的主要能耗模塊包括處理模塊和通信模塊，其中，通 信模塊消耗能量的比例相對較大，是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能的研究重點，也是無線傳感器網(wǎng) 絡設計的難點之一。通信模塊的節(jié)能可以通過對各層通信協(xié)議的研究來尋找節(jié)能策略，比 如說，在物理層，采用新的傳輸技術(shù)、動態(tài)功率控制等；在網(wǎng)絡層，研究一些能量有效的路由 算法；在MAC層，設計合理的MAC層協(xié)議來避免數(shù)據(jù)沖突等。傳統(tǒng)的節(jié)點能量管理策略和基于節(jié)能的協(xié)議研究在提高無線傳感器網(wǎng)絡的能量 效率方面取得了長足的進步，但是，這些技術(shù)在抗信道衰落、信道間干擾等問題上還沒有行 之有效的辦法，而在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，抗衰落、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的魯棒性是大規(guī)模無線傳感 器網(wǎng)絡應用發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸問題。協(xié)同傳輸技術(shù)的引入為解決這些問題提供了新的解決 思路和方案。從現(xiàn)有的研究成果可知，在無線傳感器網(wǎng)絡中利用該技術(shù)既能提高無線傳感 器網(wǎng)絡的能效，又能抗信道衰落和干擾，進而延長網(wǎng)絡的生存時間。無線傳感器網(wǎng)絡中的協(xié) 同傳輸思想來源于多入多出(MIMO)技術(shù)，其核心思想是利用多個單天線節(jié)點構(gòu)成虛擬多 天線陣列，以獲得類似MIMO的性能，故這項技術(shù)也被稱為虛擬MIMO(Virtual ΜΙΜΟ)或協(xié)同 ΜΙΜΟ (Cooperative ΜΙΜΟ)技術(shù)。將協(xié)同傳輸技術(shù)應用到無線傳感器網(wǎng)絡中，需要解決的協(xié)同傳輸策略和方案的設 計主要涉及協(xié)同節(jié)點的選擇以及參與協(xié)同的各節(jié)點發(fā)送功率的分配。已有的研究成果中， 協(xié)同節(jié)點選擇多采用伺機協(xié)同傳輸方案，即選擇信道質(zhì)量最好的節(jié)點或剩余能量最大的節(jié) 點作為最佳參與協(xié)同的節(jié)點。但是，選擇信道質(zhì)量最好的節(jié)點來發(fā)送信息，不會對增大節(jié)點 能耗的均衡產(chǎn)生重要影響；而選擇出所謂的剩余能量最大的節(jié)點有可能只比其他節(jié)點多出 微乎其微的剩余能量，這樣會導致單個節(jié)點的負擔較重，能量消耗較大，節(jié)點易因能量耗盡 而死亡。再者，各參與協(xié)同的節(jié)點之間的發(fā)射功率如何合理選擇也是個微妙的問題，既要滿 足一定的服務質(zhì)量要求，又要盡可能的降低能耗。特別是針對基于CDMA的多簇無線傳感器 網(wǎng)絡中，發(fā)射功率過大容易引起各簇之間的干擾太強；過小則難以保證網(wǎng)絡的連通性。遺憾 地是，現(xiàn)有的研究成果多針對未分簇或僅考慮單簇時的無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)同傳輸方案的 設計，而對基于CDMA的多簇無線傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)同傳輸方案的設計方法鮮有研究。近年來，博弈論為設計無線通信系統(tǒng)的分布式算法提供了很好的數(shù)學工具。作為其兩大分支的非合作博弈和合作博弈，因其參與者之間相互作用的關(guān)系性質(zhì)是沖突抑或合 作不同而各自運用到了不同場景。具體而言，非合作博弈強調(diào)的是個人行為每個理性而 自私的參與者會做出怎樣的決策，博弈最可能出現(xiàn)的結(jié)果是什么。非合作博弈主要為無線 通信系統(tǒng)中“自私”的參與者之間具有利益沖突和競爭時的分布式資源分配問題提供了一 種新的解決思路，通過設計不同的效用函數(shù)和代價機制，并對其進行最優(yōu)化求解使得每個 用戶“自動”地達到系統(tǒng)所期望的性能，此時也就達到了一種相對穩(wěn)定的平衡態(tài)，即“納什 均衡”。合作博弈強調(diào)的是參與者集體或參與者聯(lián)盟它們會形成怎樣的聯(lián)盟，它們之間如 何分配合作的收益等。合作博弈在無線通信系統(tǒng)中的運用主要是為設計具有公平性、魯棒 性和合作性的分布式算法進行合理的建模，通過設計相應的特征函數(shù)來確定穩(wěn)定的聯(lián)盟結(jié) 構(gòu)，以及基于不同的解的形式所獲得的聯(lián)盟中各成員的特征值的分配。但在一個無線通信 系統(tǒng)中這樣將參與者之間的相互作用如此割裂并不符合實際，例如在一個基于CDMA的多 簇無線傳感器網(wǎng)絡中，各簇內(nèi)成員之間為共同完成某個任務而協(xié)作地感知、采集和處理信 息，因此它們本質(zhì)是具有“團隊精神”的。但各簇之間為能與匯聚節(jié)點通信而相互之間是競 爭的。這樣，根據(jù)節(jié)點在不同階段相互作用的關(guān)系性質(zhì)的不同，通過形成兩階段鏈式博弈來 設計協(xié)同傳輸方案，將更符合無線傳感器網(wǎng)絡的實際情況，但這樣的研究及方法卻未有出 現(xiàn)過。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種適用于基于CDMA的多簇無 線傳感器網(wǎng)絡中基于鏈式博弈的協(xié)同傳輸方法，本發(fā)明能兼顧性能優(yōu)化和公平性保證，考 慮節(jié)點在不同階段相互之間作用性質(zhì)的不同，通過建立兩階段鏈式博弈模型來實現(xiàn)協(xié)同節(jié) 點集的確定和本地通信(各簇內(nèi)簇頭節(jié)點與成員節(jié)點之間的通信)及遠距離通信(各簇與 匯聚節(jié)點之間的通信)時的發(fā)送功率分配，在保證網(wǎng)絡整體性能優(yōu)化的同時，有效地延長 了網(wǎng)絡生存時間，提高了網(wǎng)絡的能效，使得系統(tǒng)資源能獲得高效地利用。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的第一步在一個基于CDMA的無線傳感器網(wǎng)絡中，存在位于任意位置的匯聚節(jié)點 SN,多個傳感器節(jié)點任意分布在其周圍，這些傳感器節(jié)點根據(jù)分簇協(xié)議進行分簇，形成了 M 個簇的無線傳感器網(wǎng)絡，且這M個簇分別標記為C1, C2, ...，Ci, ...，CM，其中M為正整數(shù)，i 為[1，M]范圍內(nèi)任一正整數(shù)，在每個簇Ci中，擁有一個簇頭節(jié)點CHi, Ni個處于激活狀態(tài)的 簇內(nèi)成員節(jié)點CNiil，CNij2, ... , CNijj, . . .，CN^,，其中Ni為正整數(shù)，j為[1，Ni]范圍內(nèi)任
一正整數(shù)，這樣，簇Ci內(nèi)的節(jié)點集表示為G = ICHpCNu,...,CNu,...,CNw.l，同時，在 簇形成后，簇內(nèi)成員節(jié)點會向簇頭節(jié)點CHi發(fā)送加入簇Ci的確認信號，CHi從確認信號中獲 知各簇內(nèi)成員節(jié)點的剩余能量5CN^，以及簇頭節(jié)點CHi與各簇內(nèi)成員節(jié)點之間的信道狀態(tài)
信息、，c^.和信道增益值I^wf;第二步每個簇Ci內(nèi)的簇頭節(jié)點CHi向匯聚節(jié)點SN發(fā)送請求發(fā)送信號RTS，這樣， 匯聚節(jié)點SN通過請求發(fā)送信號RTS獲悉匯聚節(jié)點SN與每個簇Ci內(nèi)的簇頭節(jié)點CHi之間的
信道狀態(tài)信息/2eH,，SN和信道增益值|/2eH,，SN|2 ；
7
第三步匯聚節(jié)點SN向各簇的簇頭節(jié)點廣播清除發(fā)送信號CTS，所述的清除發(fā)送
信號CTS中含有匯聚節(jié)點SN與各簇Ci內(nèi)的簇頭節(jié)點CHi之間的信道增益值
h
CH,,SN
,以
及預先為各簇設定的發(fā)送功率Pi,同時，將
h
CH,,SN
'視為簇Ci與SN之間的信道增益值，即
第四步建立非合作博弈模型G1，所述的非合作博弈模型表示為 G1 = jyty,P,Kp)”，其中，非合作博奔模型。的參與者集合y^為無線傳感器網(wǎng)絡中并
存的各簇，即乂υ =，ρ為非合作博弈模型G1的功率策略集合，且ρ =
(Pl，...，Pi，...，ρΜ)，Pi為簇Ci的功率策略集合，Ui (P)為效用函數(shù)，且P表示所確定的發(fā) 送功率向量，即P = (P1, ...，Pi, ...，Pm)，其中，Pi為簇Ci所確定的發(fā)送功率，i為[1，M] 范圍內(nèi)任一正整數(shù)，本發(fā)明以可達速率Bl0& (1+ y 0來定義效用函數(shù)，且加入基于發(fā)送功 率和信道增益的代價機制，具體表示為Ui(P) = Blog2 (1+ Y i) -aiPi | h^ SN |2, V/ e [l,M]其中，
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡中基于鏈式博弈的協(xié)同傳輸方法，其特征在于第一步在一個基于CDMA的無線傳感器網(wǎng)絡中，存在位于任意位置的匯聚節(jié)點SN，多個傳感器節(jié)點任意分布在其周圍，這些傳感器節(jié)點根據(jù)分簇協(xié)議進行分簇，形成了M個簇的無線傳感器網(wǎng)絡，且這M個簇分別標記為C，，C，，…，C，，…，C．，其中M為正整數(shù)，i為[1，M]范圍內(nèi)任一正整數(shù)，在每個簇C，中，擁有一個簇頭節(jié)點CH，，N，個處于激活狀態(tài)的簇內(nèi)成員節(jié)點CN㈠，CN，川．．．，CN川，．．．，CN，，從，其中N，為正整數(shù)，j為[1，Ni]范圍內(nèi)任一正整數(shù)，這樣，簇C，內(nèi)的節(jié)點集表示為({CH，，CN㈠，．．．，CN㈠，．．．，CN，，A＼}，同時，在簇形成后，簇內(nèi)成員節(jié)點會向簇頭節(jié)點CH，發(fā)送加入簇C，的確認信號，CH，從確認信號中獲知各簇內(nèi)成員節(jié)點的剩余能量qCNU，以及簇頭節(jié)點CH，與各簇內(nèi)成員節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息久Hi,CNi和信道增益值0*CLC噸+0；,j第二步每個簇C、內(nèi)的簇頭節(jié)點CH、向匯聚節(jié)點SN發(fā)送請求發(fā)送信號RTS，這樣，匯聚節(jié)點SN通過請求發(fā)送信號RTS獲悉匯聚節(jié)點SN與每個簇C、內(nèi)的簇頭節(jié)點CH、之間的信道狀態(tài)信息久LSN和信道增益值0久LSN 0；第三步匯聚節(jié)點SN向各簇的簇頭節(jié)點廣播清除發(fā)送信號CTS，所述的清除發(fā)送信號CTS中含有匯聚節(jié)點SN與各簇C，內(nèi)的簇頭節(jié)點CH，之間的信道增益值0ALLSN0，以及預先為各簇設定的發(fā)送功率p，，KI時，將0ALLSN 0視為簇C，與SN之間的信道增益值，即隊㈠hcH,,SN卜第四步建立非合作博弈模型G、，所述的非合作博弈模型表示為G真{／／，P，{腆，(p)}}，其中，非合作博弈模型G、的參與者集合／／為無線傳感器網(wǎng)絡中并存的各簇，即／／{C1，．．．，C，…，C一}，P為非合作博弈模型G、的功率策略集合，且P一(p1，．．．，pi，．．．，p．)，p，為簇C，的功率策略集合，u，(p)為效用函數(shù)，且p表示所確定的發(fā)送功率向量，即p一(p1，．．．，pi，．．．，p．)，其中，p，為簇C，所確定的發(fā)送功率，i為[1，M]范圍內(nèi)任一正整數(shù)，本發(fā)明以可達速率Blog，(1+Y、)未定義效用函數(shù)，且加入基于發(fā)送功率和信道增益的代價機制，具體表示為
全文摘要
無線傳感器網(wǎng)絡中基于鏈式博弈的協(xié)同傳輸方法，通過建立兩階段鏈式博弈模型來實現(xiàn)協(xié)同節(jié)點集的確定和各簇內(nèi)本地通信及各簇與匯聚節(jié)點之間遠距離通信時的發(fā)送功率的分配，以此延長網(wǎng)絡生存時間。在第一階段，以各簇為參與者，利用非合作博弈的思想來建模以期獲得各簇合理的發(fā)送功率，并加入了一種基于發(fā)射功率和鏈路增益的代價機制，以保證公平性。在第二階段分別針對各簇，利用聯(lián)盟形成博弈的思想來建模，以簡單易行的合并-分裂運算法則和帕累托順序占優(yōu)的聯(lián)盟集合偏好評判準則來獲得穩(wěn)定的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)，以確定該簇的協(xié)同節(jié)點集。各簇的參與協(xié)同的成員節(jié)點連同簇頭節(jié)點一起將待發(fā)送信息經(jīng)分布式空時編碼后，再實現(xiàn)與匯聚節(jié)點的通信。
文檔編號H04W52/46GK102006658SQ201010577469
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者吳丹, 楊煒偉, 蔡躍明 申請人:中國人民解放軍理工大學