[发明专利]一种基于博弈论的无线传感器网络分层式路由选择方法

说明书

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。