[发明专利]一种基于联盟博弈的路由方法

说明书

本发明提出一种基于联盟博弈的路由方法，它属于无线传感器网络技术领域，包括以下步骤：步骤一、面向无线传感器网络全体节点建立联盟博弈模型，基于节点性能指标建立联盟特征函数，定义公平的联盟成员收益分配方法，设计快速收敛的联盟形成算法以在网络中形成稳定联盟；步骤二、基于网络中形成的联盟，进行路由过程，在路由发现阶段计算路径联盟代价值f_R，源节点从目的节点缓存中选出一条路径联盟代价f_R最小的路径传输数据；步骤三、在AODV路由协议链路失效检测机制的基础上，补充完善路径能量剩余率E_R监测机制进行路由维护，以防止因节点能量耗尽死亡而导致的路径传输失败。本发明具有对拓扑适应性强、稳定性好、路由代价最小、能耗均衡等优点，有效提升了路由性能。

(一)技术领域

本发明涉及一种基于联盟博弈的路由方法，属于无线传感器网络技术领域。

(二)背景技术

无线传感器网络多应用于无人看守的恶劣环境，利用大量具有数据感知、采集和处理能力的廉价智能微型传感器节点来实施各种各样的监测任务。路由作为动态优化的过程，其目的在于为无线传感器网络提供从源节点到目的节点的数据传输路径。由于无线传感器网络的拓扑可能会因为节点失效或链路断开而动态变化，并且传感器节点能量和处理能力有限，因此迫切需要在设计无线传感器网络路由协议时，满足路由稳定和代价节约的需求。

传统的路由协议，如无线自组网按需距离矢量路由协议(AODV)、动态源路由协议(DSR)和目的序列距离矢量路由(DSDV),假设网络中所有节点均相互合作进行数据包传输，然而，出于自身利益考虑，节点可能为了节约资源而拒绝转发其他节点传来的数据包，自私行为对路由的稳定性造成威胁，因此，节点之间的合作是保障路由稳定的关键。联盟博弈理论作为专门用来研究合作问题的数学工具，以合作组的形式研究参与者的行为，高度适用于模拟无线传感器网络节点的合作问题。

现有的基于联盟博弈的路由方法有：Stai等人提出一种联盟形成博弈框架，网络中所有节点合作地决定生成树，依靠连接权重来交换价值函数，所设计的多度量最优路由通过构造合适的生成树来降低贪婪反压算法导致的路径代价，从而提高贪婪路由的性能。Su等人提出的基于联盟博弈的路由方法可以预测并在一定程度上预防网络中可能发生的节点拥塞，此外，该方法可以快速感知网络拓扑结构变化，同时对路由概率做出相应的调整。孙仁可等人提出将源节点到目的节点的路径视为一个联盟，运用联盟路由博弈研究节点最佳联盟的选择问题，对于每个节点加入合适的联盟来说，该方法具有公平性和服务质量效率。Gibbens等人研究了联盟博弈理论与网络路由和流量控制效用最大化框架之间的联系，所提出的路由方法在网络内部分配路径和流量并且合理地协调用户之间的资源利用。这些基于联盟博弈的路由方法为后续的研究提供了理论基础，但以下问题仍未解决：1)为了优化路由性能，需要对路径联盟代价进行评估以实现路径选择；2)由于无线传感器网络中的节点失效和通信连接断开可能导致网络拓扑的动态变化，因此，为了保证路由过程中数据包稳定传输，必须加快联盟形成过程的收敛速度；3)承担数据传输任务较重的路径能量消耗较快，为了均衡网络能耗防止节点能量耗尽而失效，采用路径能量剩余率监测补充完善路由维护机制。

(三)发明内容

针对现有路由方法的不足，本发明提供一种基于联盟博弈的路由方法，通过节点间合作联盟的建立实现数据包的稳定传输。本发明具有对拓扑变化的适应性、数据传输稳定性、路 由代价最小、能耗均衡等优点，有效提升了路由性能。

本发明提出了一种基于联盟博弈的路由方法，具体步骤如下：

步骤一：面向无线传感器网络全体节点建立联盟博弈模型，基于节点性能指标建立联盟特征函数，定义公平的联盟成员收益分配方法，设计快速收敛的联盟形成算法以在网络中形成稳定联盟；具体方法如下：

(1)节点的性能指标主要包括数据包转发率、事件正报率和能量剩余率，具体定义为：