[发明专利]一种基于演化博弈的分簇协作路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络中的协作路由技术，特别是指最大化网络生存周期的分簇协作路由方法。

背景技术

无线传感器网络中的节点(Wireless Sensor Networks，WSNs)通常是由小电池供电，为这些传感器充电或更换电池是十分困难的：(1)传感器被大规模部署后，重新收集回来充电需消耗大量的时间和费用；(2)在某些环境中(如灾难区域)，传感器部署环境的特殊性限制了节点的回收。因此，提高能量利用效率，延长网络生存周期，一直是无线传感器网络研究的一个重要目标。

现有的无线传输大多数是基于单输入单输出(Single Input and Single Output，SISO)传输方式，存在重传率较高、能耗较高等缺点。为了解决这个问题，研究者们提出了协作通信技术。它利用无线广播的优势，通过共享网络中其他用户的天线，形成虚拟天线阵列来实现数据的发送或接收，获得空间分集增益，可以有效减少信息传送的能量开销，延长网络生存周期。

协作路由是联合物理层协作通信技术和网络层路由选择技术的跨层路由方案。协作路由方法通过确立源节点到目的节点的传输路径、为路径上的节点选择最优的协作节点和设计功率分配算法，来最大化提高协作传输带来的增益，完成有效节省网络的能量消耗目标。现有的大部分协作路由方法没有充分挖掘无线网络的节点分布、拓扑结构对协作路由的影响，没有根据这些网络特征进行算法设计，对网络能量消耗的降低有限。虽然存在少数分布式协作路由方法，但是这些方法仍然存在路由效率低下，可扩展性差的缺点。

分簇路由能充分利用网络节点分布和拓扑结构特征，其优点已经在无线传感器网络和Ad hoc网络得到了广泛的证实。将分簇结构和协作路由相结合，设计分簇协作路由方法，有利于提高无线网络的可靠性，节省传输能量，延长网络生命周期。

分簇协作路由需要解决的两个关键问题是如何选择簇头和如何确定簇成员。现有的分簇协作路由一般根据单个节点的剩余能量确定主簇头，然后为主簇头招募从簇头，所招募的丛簇头的能量无法保障；由于从簇头的作用与主簇头同样重要，因此它们无法选择出最优的簇头集。进行簇成员确定时，成员节点均选择信道最佳的簇头联盟，无法根据簇头节点的服务能力均衡负载，势必不能充分发挥协作通信能量高效的优势，对网络生存周期提升有限。

本发明研究场景为如图1所示，一个由多个无线传感节点组成的无线传感器网络。网络中的所有节点均为单射频，发送额定功率相同，且工作在瑞利平坦慢衰落信道下的正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)系统。每个节点配备一副全向天线，工作在半双工模式，一个节点发出的信息能够被其所有邻居节点在很短的时间内收到。每个节点都具有唯一的ID，在网络初始化时，每个节点可以通过交互控制信息知道邻居节点的信息。网络中的多个节点通过特定方法汇聚成一个簇(cluster)。每个簇均包含一个主簇头(Master Cluster Heads，MCH)和若干个从簇头(SlaveCluster Heads，SCH)。簇头主要负责两个工作：第一是聚合成员节点的数据。第二是进行簇间数据通信。

簇与簇之间通信通过簇头的VMIMO协作传输进行通信，如图2所示。发送端和接收端分别为两个簇的簇头节点构成的节点集合，即发送节点集和接收节点集，每个集合具有k个簇头节点，如图2中为3个簇头节点。在接收端的每个节点接收从发送端的每个节点发来的信号。发送节点集中的发送节点是同步的，每个发送节点都拥有需要发送的数据，并且都可以调整各自的发送功率。接收节点集中每个接收节点接收到的信号是所有发送节点信号的总和。

另外，在实际场景中可能由于簇节点数目不够，达不到所设定需要的簇头节点数目，簇间通信有可能退化为多对一(Virtual Multi-Input Single-Output，VMISO)或者一对多(Virtual Single-Input Multi-Output，VSIMO)，甚至是一对一(Single-Input Single-Output，SISO)通信模式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于演化博弈的分簇协作路由方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于演化博弈的分簇协作路由方法，包括邻居发现部分、簇头确立部分和簇联盟部分：

所述邻居发现部分包括以下步骤：