一種基于演化博弈的分簇協(xié)作路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作路由技術(shù)，特別是指最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期的分簇協(xié) 作路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點（Wireless Sensor Networks，WSNs)通常是由小電池供 電，為該些傳感器充電或更換電池是十分困難的；（1)傳感器被大規(guī)模部署后，重新收集回 來充電需消耗大量的時間和費用；（2)在某些環(huán)境中（如災(zāi)難區(qū)域），傳感器部署環(huán)境的特 殊性限制了節(jié)點的回收。因此，提高能量利用效率，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，一直是無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要目標。
[0003] 現(xiàn)有的無線傳輸大多數(shù)是基于單輸入單輸出（Single I噸ut and Single 0u1:put， siso)傳輸方式，存在重傳率較高、能耗較高等缺點。為了解決該個問題，研究者們提出了協(xié) 作通信技術(shù)。它利用無線廣播的優(yōu)勢，通過共享網(wǎng)絡(luò)中其他用戶的天線，形成虛擬天線陣列 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，獲得空間分集增益，可W有效減少信息傳送的能量開銷，延長網(wǎng) 絡(luò)生存周期。
[0004] 協(xié)作路由是聯(lián)合物理層協(xié)作通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層路由選擇技術(shù)的跨層路由方案。協(xié) 作路由方法通過確立源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸路徑、為路徑上的節(jié)點選擇最優(yōu)的協(xié)作節(jié)點 和設(shè)計功率分配算法，來最大化提高協(xié)作傳輸帶來的增益，完成有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能量消耗 目標?，F(xiàn)有的大部分協(xié)作路由方法沒有充分挖掘無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布、拓撲結(jié)構(gòu)對協(xié)作路 由的影響，沒有根據(jù)該些網(wǎng)絡(luò)特征進行算法設(shè)計，對網(wǎng)絡(luò)能量消耗的降低有限。雖然存在少 數(shù)分布式協(xié)作路由方法，但是該些方法仍然存在路由效率低下，可擴展性差的缺點。
[0005] 分簇路由能充分利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布和拓撲結(jié)構(gòu)特征，其優(yōu)點已經(jīng)在無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的證實。將分簇結(jié)構(gòu)和協(xié)作路由相結(jié)合，設(shè)計分簇協(xié)作路由方 法，有利于提高無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性，節(jié)省傳輸能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
[0006] 分簇協(xié)作路由需要解決的兩個關(guān)鍵問題是如何選擇簇頭和如何確定簇成員。現(xiàn)有 的分簇協(xié)作路由一般根據(jù)單個節(jié)點的剩余能量確定主簇頭，然后為主簇頭招募從簇頭，所 招募的叢簇頭的能量無法保障；由于從簇頭的作用與主簇頭同樣重要，因此它們無法選擇 出最優(yōu)的簇頭集。進行簇成員確定時，成員節(jié)點均選擇信道最佳的簇頭聯(lián)盟，無法根據(jù)簇頭 節(jié)點的服務(wù)能力均衡負載，勢必不能充分發(fā)揮協(xié)作通信能量高效的優(yōu)勢，對網(wǎng)絡(luò)生存周期 提升有限。
[0007] 本發(fā)明研究場景為如圖1所示，一個由多個無線傳感節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點均為單射頻，發(fā)送額定功率相同，且工作在瑞利平坦慢衰落信道下的 正交頻分復用（Orthogonal Rrequency Division Multiplexing, (FDM)系統(tǒng)。每個節(jié)點 配備一副全向天線，工作在半雙工模式，一個節(jié)點發(fā)出的信息能夠被其所有鄰居節(jié)點在很 短的時間內(nèi)收到。每個節(jié)點都具有唯一的ID，在網(wǎng)絡(luò)初始化時，每個節(jié)點可W通過交互控 制信息知道鄰居節(jié)點的信息。網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點通過特定方法匯聚成一個簇（cluster)。 每個簇均包含一個主簇頭（Master Cluster化ads,MCH)和若干個從簇頭（Slave Cluster Heads, SCH)。簇頭主要負責兩個工作；第一是聚合成員節(jié)點的數(shù)據(jù)。第二是進行簇間數(shù)據(jù) 通信。
[000引簇與簇之間通信通過簇頭的VMIMO協(xié)作傳輸進行通信，如圖2所示。發(fā)送端和接收 端分別為兩個簇的簇頭節(jié)點構(gòu)成的節(jié)點集合，即發(fā)送節(jié)點集和接收節(jié)點集，每個集合具有k 個簇頭節(jié)點，如圖2中為3個簇頭節(jié)點。在接收端的每個節(jié)點接收從發(fā)送端的每個節(jié)點發(fā) 來的信號。發(fā)送節(jié)點集中的發(fā)送節(jié)點是同步的，每個發(fā)送節(jié)點都擁有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且 都可W調(diào)整各自的發(fā)送功率。接收節(jié)點集中每個接收節(jié)點接收到的信號是所有發(fā)送節(jié)點信 號的總和。
[0009] 另外，在實際場景中可能由于簇節(jié)點數(shù)目不夠，達不到所設(shè)定需要的簇頭節(jié)點數(shù) 目，簇間通信有可能退化為多對一（Virtual Multi-I噸ut Single-〇u1:put，VMISO)或者 一對多（Virtual Single-I噸ut Multi-〇u1:put，VSIMO)，甚至是一對一（Single-I噸ut Single-〇u1:put，SISO)通信模式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于演化博弈的分 簇協(xié)作路由方法。
[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是；一種基于演化博弈的分簇協(xié) 作路由方法，包括鄰居發(fā)現(xiàn)部分、簇頭確立部分和簇聯(lián)盟部分：
[0012] 所述鄰居發(fā)現(xiàn)部分包括W下步驟：
[0013] 1)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點U，在鄰居表中選擇剩余能量最高的k-1個 鄰居節(jié)點作為節(jié)點U的備選伙伴；將節(jié)點U與節(jié)點U的備選伙伴{Vk_i，Vk_2，…，vj組成的節(jié) 點集定義成虛節(jié)點U';虛節(jié)點U'的剩余能量等于所述節(jié)點集的平均剩余能量（Ru+Ry k_i+… +Rv_i)/k ;其中，k為簇頭個數(shù)；Ru，Rv_k-i，…，Rvj分別為節(jié)點U，Vk-i, Vk_2,…，Vi的剩余能量；
[0014] 2)當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除節(jié)點U之外的任一節(jié)點V成功申請到信道，節(jié)點V就W 一個固定的功率發(fā)送一個化11〇消息給它的鄰居節(jié)點，其中Hello消息包含節(jié)點V的ID、剩 余能量、鄰居表和虛節(jié)點V'的剩余能量，收到Hello消息的節(jié)點U檢查自己的鄰居表是否 含有節(jié)點V的項，如果沒有，則將節(jié)點V及節(jié)點V的相關(guān)信息添加到鄰居表中；否則，找到節(jié) 點V的項，比較鄰居表中的信息，如鄰居表中的信息不同則更新節(jié)點U的鄰居表；當節(jié)點U 收到一個新的鄰居節(jié)點發(fā)送的Hello消息時，節(jié)點U更新它的鄰居表并廣播給該新加入的 鄰居節(jié)點；當節(jié)點U收到節(jié)點V的Hello消息，且節(jié)點V的鄰居表中沒有包含節(jié)點U時，節(jié) 點U發(fā)送Hello消息告知節(jié)點V ;
[0015] 3)若在一段時間內(nèi)，沒有事件促使節(jié)點U發(fā)送更多的化11〇消息，則節(jié)點U重復鄰 居發(fā)現(xiàn)部分步驟1)，重新確定虛節(jié)點U'及重新確定的虛節(jié)點U'的剩余能量；若無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點均不再發(fā)送hello信息，則進入簇頭確立部分的步驟1);
[0016] 所述簇頭確立部分包括W下步驟：
[0017] 1)所有節(jié)點都被初始化成"待定"狀態(tài)；
[001引 2)節(jié)點U和節(jié)點U的鄰居節(jié)點比較各自對應(yīng)的重新確定的虛節(jié)點U'剩余能量，若 重新確定的虛節(jié)點U'的剩余能量是所有"待定"狀態(tài)下鄰居節(jié)點所對應(yīng)的虛節(jié)點剩余能量 中最高的，則確立節(jié)點U為"主簇頭"，節(jié)點u的備選伙伴設(shè)定為"從簇頭"；
[0019] 3)主簇頭和從簇頭廣播簇頭信息給各自的鄰居節(jié)點，收到消息的鄰居節(jié)點把自己 的狀態(tài)設(shè)定為"成員"；
[0020] 4)對于剩下的"待定"節(jié)點，重復簇頭確立方法的步驟2)和步驟3)，直到確定所 有節(jié)點的狀態(tài)；
[0021] 所述簇聯(lián)盟部分包括：
[0022] 1)每個"成員"節(jié)點初始時都隨機選擇一個簇聯(lián)盟；將無線傳感網(wǎng)絡(luò)被分割成若 干個子區(qū)域；
[0023] 2)初始化完成后，進入動態(tài)演化博弈階段：簇頭節(jié)點通過公式
【主權(quán)項】
1. 一種基于演化博弈的分簇協(xié)作路由方法，其特征在于，包括鄰居發(fā)現(xiàn)部分、簇頭確立 部分和簇聯(lián)盟部分： 所述鄰居發(fā)現(xiàn)部分包括以下步驟： 1) 對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點U，在鄰居表中選擇剩余能量最高的k-Ι個鄰居 節(jié)點作為節(jié)點U的備選伙伴；將節(jié)點U與節(jié)點U的備選伙伴Iv lrf, vk_2,…，V1I組成的節(jié)點 集定義成虛節(jié)點U' ；虛節(jié)點u'的剩余能量等于所述節(jié)點集的平均剩余能量（Ru+R^+··· +心_1)/1^;其中，1^為簇頭個數(shù)；1^，1^_15_ 1，"、1^_1分別為節(jié)點11，￥15_1，￥15_ 2，~，￥1的剩余能量； 2) 當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除節(jié)點u之外的任一節(jié)點V成功申請到信道，節(jié)點V就以一個 固定的功率發(fā)送一個Hello消息給它的鄰居節(jié)點，其中Hello消息包含節(jié)點V的ID、剩余能 量、鄰居表和虛節(jié)點ν'的剩余能量，收到Hello消息的節(jié)點u檢查自己的鄰居表是否含有 節(jié)點V的項，如果沒有，則將節(jié)點V及節(jié)點V的相關(guān)信息添加到鄰居表中；否則，找到節(jié)點V 的項，比較鄰居表中的信息，如鄰居表中的信息不同則更新節(jié)點U的鄰居表；當節(jié)點U收到 一個新的鄰居節(jié)點發(fā)送的Hello消息時，節(jié)點u更新它的鄰居表并廣播給該新加入的鄰居 節(jié)點；當節(jié)點u收到節(jié)點V的Hello消息，且節(jié)點V的鄰居表中沒有包含節(jié)點u時，節(jié)點u 發(fā)送Hello消息告知節(jié)點V ; 3) 若在一段時間內(nèi)，沒有事件促使節(jié)點u發(fā)送更多的Hello消息，則節(jié)點u重復鄰居發(fā) 現(xiàn)部分步驟1)，重新確定虛節(jié)點U'及重新確定的虛節(jié)點U'的剩余能量，若無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中的所有節(jié)點均不再發(fā)送hello信息，則進入簇頭確立部分的步驟1); 所述簇頭確立部分包括以下步驟： 1) 所有節(jié)點都被初始化成"待定"狀態(tài)； 2) 節(jié)點u和節(jié)點u的鄰居節(jié)點比較各自對應(yīng)的重新確定的虛節(jié)點u'剩余能量，若重新 確定的虛節(jié)點u'的剩余能量是所有"待定"狀態(tài)下鄰居節(jié)點所對應(yīng)的虛節(jié)點剩余能量中最 高的，則確立節(jié)點u為"主簇頭"，節(jié)點u的備選伙伴設(shè)定為"從簇頭"； 3) 主簇頭和從簇頭廣播簇頭信息給各自的鄰居節(jié)點，收到消息的鄰居節(jié)點把自己的狀 態(tài)設(shè)定為"成員"； 4) 對于剩下的"待定"節(jié)點，重復簇頭確立方法的步驟2)和步驟3)，直到確定所有節(jié) 點的狀態(tài)； 所述簇聯(lián)盟部分包括： 1) 每個"成員"節(jié)點初始時都隨機選擇一個簇聯(lián)盟； 2) 初始化完成后，進入動態(tài)演化博弈階段：簇頭節(jié)點通過公式
計算出簇內(nèi)成員節(jié)點可得到的收益η i，并廣播給所 有成員節(jié)點，通過公式，如)=計算得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)任一子區(qū)域a的平均收益 產(chǎn)(X); 表示當前時刻區(qū)域a中選擇簇i聯(lián)盟的節(jié)點比率，；r,(a)表示當前時刻區(qū)域a中 選擇簇i聯(lián)盟的成員節(jié)點可得到的收益；所述簇頭節(jié)點包括"主簇頭"和"從簇頭";Nhtjst」表 示簇i的簇頭個數(shù)；表示簇頭節(jié)點的剩余能量之和，J1 = 1, 2,…Nh()St_i;N i表示 簇i的節(jié)點總數(shù)；IZmtra為簇內(nèi)通信的平均鏈路能耗，Rintra為單位時間內(nèi)單個簇成員節(jié)點觸 發(fā)的簇內(nèi)通信量，IZinter為簇間通信的平均鏈路能耗，RintoS單位時間內(nèi)單個簇成員節(jié)點 觸發(fā)的簇間通信量； 3) 如果成員節(jié)點收益小于上述平均收益，則進行策略調(diào)整，隨機選擇收益高于平均收 益的簇聯(lián)盟； 4) 所有成員節(jié)點做出一輪策略調(diào)整后，重復簇聯(lián)盟部分的步驟2)和步驟3)，直到所有 成員節(jié)點不再修改其簇聯(lián)盟策略，即達到演化博弈均衡點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于演化博弈的分簇協(xié)作路由方法，定義虛節(jié)點剩余能量作為簇頭確立的指標，然后通過動態(tài)演化博弈為簇聯(lián)盟問題建立模型。剩余節(jié)點選擇不同簇頭結(jié)成聯(lián)盟，可獲得不同的收益，收益由簇頭的能力、簇成員節(jié)點個數(shù)等因素決定。每個節(jié)點都可以根據(jù)自身得到的信息有限理性的選擇簇結(jié)成聯(lián)盟，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點改變簇聯(lián)盟都不能獲得更高的收益。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明與協(xié)作多輸入多輸出路由方法相比，CCREG方法的網(wǎng)絡(luò)生存周期在兩個簇頭情況下延長14％到70％，三個簇頭情況下延長5％到80％。
【IPC分類】H04W40-10, H04W40-24
【公開號】CN104661278
【申請?zhí)枴緾N201510069595
【發(fā)明人】張大方, 張繼, 謝鯤, 何施茗, 喬宏
【申請人】湖南大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月10日