[发明专利]一种基于联盟博弈的路由方法

摘要

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fR，源节点从目的节点缓存中选出一条路径联盟代价fR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ER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。

主权项

一种基于联盟博弈的路由方法，其特征在于，包括如下步骤：面向无线传感器网络全体节点建立联盟博弈模型；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fR，源节点从目的节点缓存中选出一条路径联盟代价fR最小的路径传输数据；根据链路失效检测机制和路径能量剩余率ER监测机制进行路由维护；该方法具体步骤如下：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：数据包转发率PFRi：无线传感器网络中的节点是理性的，为了节省自身能量可能选择不转发上游节点发来的数据包，节点ai维护两个自身通信行为的记录，PRi(节点ai从周围邻居节点接收的全部数据包数量)和PFi(节点ai转发的全部数据包数量)，则计算数据包转发率PFRi：事件正报率RCRi：事件检测是无线传感器网络的主要应用之一，事件的定义取决于具体的应用环境，恶意节点可能会选择错误地报告事件以实现攻击的目的，ECi和ERi分别代表节点ai正确报告事件的数量和节点ai报告事件的全部数量，则计算事件正报率RCRi：能量剩余率RERi：无线传感器网络中的节点电池容量有限，因此能量的有效利用对于无线传感器网络路由协议设计来说是一个重要问题，用REi代表节点ai的剩余能量信息，IEi表示节点ai的全部初始能量信息，则能量剩余率RERi：(2)将时间分成时间槽tk(k＝0,1,...)，在每个时间槽内，网络的性能参数不变,在一个时间槽tk内，对于形成的联盟S，特征函数表示为其中，参数λ∈(0,1]用于调节，|S|为当前联盟S中全部成员节点的数量，fs为代价函数，代价函数fs是当前联盟S中成员节点预先定义的性能指标PFRi、RCRi和RERi的减函数；(3)可转移效用可以按照某一具体的收益分配方法分配给联盟S内的成员节点，在一个时间槽tk(k＝0,1,…)，定义联盟S中第i个成员节点ai获得的收益值是由联盟整体收益分配得到，采用一个公平的收益分配规则，满足个体理性条件：其中v({ai})代表节点ai不加入任何联盟而单独行动时的收益值；在时间槽tk(k＝0,1,...)，对联盟S内每个节点ai来说，分配到的收益值为：(4)为了提高参与者个人收益以及使得路由时所选数据传输路径能够更加可靠地传输数据包，有共同利益的节点相互合作形成联盟，以合作组的形式参与数据传输过程，采用一次迭代收敛算法快速形成联盟以适应网络拓扑的变化；定义参与者ai的偏好函数如下：偏好反映了节点加入不同联盟的意愿，节点的策略选择由节点本身的偏好决定，在联盟形成过程中，节点ai需要对所有可能的联盟集合建立偏好函数；联盟形成过程由网络中所有节点迭代进行，联盟形成算法具体步骤如下：第一步：若计时时间timeleft不为0，则在时间段[tk,tk+Δtk)内，通过正常的路由和数据转发过程收集网络中节点的性能指标PFRi、RCRi和RERi信息的历史记录值；第二步：更新节点性能指标的历史记录，根据性能指标计算联盟的特征函数第三步：网络中的所有节点按照偏好比较算法来做出策略选择，形成最终的联盟结构；第四步：计时时间timeleft‑Δtk，转至第一步；偏好比较算法具体方法如下：①在初始阶段，源节点到目的节点的每条路径是一个联盟②对于联盟博弈的每个参与者计算加入各条路径r对应的联盟的收益分配值得到参与者a加入联盟的偏好值③其次，参与者a选择加入对应的联盟④最终，更新联盟网络中形成最终的联盟结构步骤二：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fR，源节点从目的节点缓存中选出一条路径联盟代价fR最小的路径传输数据，具体方法如下：(1)目的节点按公式(8)计算路径联盟代价值fR，再将携带fR信息的路由回复消息沿反向路径发送给中间节点；其中，m代表路径R中存在的联盟数量，MR代表路径R中存在的属于联盟Sk的成员节点数量；(2)当属于联盟S中的路径上的中间节点ai接收到路由回复消息后，按公式(9)更新路径能量剩余率ER，再传输携带有更新后的ER信息的路由回复消息；其中，n代表路径R中全部节点的数量；(3)当源节点接收到路由回复消息后，若生存期未满则更新自身维护的路由表条目信息，否则，源节点丢弃下一个到来的路由回复消息并且从目的节点缓存中选出一条路径联盟代价fR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ER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，路径能量剩余率ER监测机制具体方法为：设置一个路径能量剩余率阈值Eγ，Eγ∈(0,0.5)随着路由过程的进行做出适当的调整，即在路由初始阶段，Eγ的值较高，随着路由过程进行而相应减小；若源节点发现ER＜Eγ，则重新启动路由发现过程，广播路由请求消息建立新的路由路径满足路径能量剩余率大于阈值。