一种基于演化博弈的分簇协作路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明设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】
[0002] 无线传感器网络中的节点（Wireless Sensor Networks，WSNs)通常是由小电池供 电，为该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。
[0003] 现有的无线传输大多数是基于单输入单输出（Single I吨ut and Single 0u1:put， siso)传输方式，存在重传率较高、能耗较高等缺点。为了解决该个问题，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W有效减少信息传送的能量开销，延长网 络生存周期。
[0004] 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，没有根据该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，但是该些方法仍然存在路由效率低下，可扩展性差的缺点。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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 Rrequency Division Multiplexing, (FDM)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W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化ads,MCH)和若干个从簇头（Slave Cluster 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。
[000引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W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。
[0009] 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-I吨ut Single-〇u1:put，VMISO)或者 一对多（Virtual Single-I吨ut Multi-〇u1:put，VSIMO)，甚至是一对一（Single-I吨ut Single-〇u1:put，SISO)通信模式。
【发明内容】
[0010] 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。
[0011] 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：
[0012] 所述邻居发现部分包括W下步骤：
[0013] 1)对于无线传感器网络中的任一节点U，在邻居表中选择剩余能量最高的k-1个 邻居节点作为节点U的备选伙伴；将节点U与节点U的备选伙伴{Vk_i，Vk_2，…，vj组成的节 点集定义成虚节点U';虚节点U'的剩余能量等于所述节点集的平均剩余能量（Ru+Ry k_i+… +Rv_i)/k ;其中，k为簇头个数；Ru，Rv_k-i，…，Rvj分别为节点U，Vk-i, Vk_2,…，Vi的剩余能量；
[0014] 2)当无线传感器网络中除节点U之外的任一节点V成功申请到信道，节点V就W 一个固定的功率发送一个化11〇消息给它的邻居节点，其中Hello消息包含节点V的ID、剩 余能量、邻居表和虚节点V'的剩余能量，收到Hello消息的节点U检查自己的邻居表是否 含有节点V的项，如果没有，则将节点V及节点V的相关信息添加到邻居表中；否则，找到节 点V的项，比较邻居表中的信息，如邻居表中的信息不同则更新节点U的邻居表；当节点U 收到一个新的邻居节点发送的Hello消息时，节点U更新它的邻居表并广播给该新加入的 邻居节点；当节点U收到节点V的Hello消息，且节点V的邻居表中没有包含节点U时，节 点U发送Hello消息告知节点V ;
[0015] 3)若在一段时间内，没有事件促使节点U发送更多的化11〇消息，则节点U重复邻 居发现部分步骤1)，重新确定虚节点U'及重新确定的虚节点U'的剩余能量；若无线传感 器网络中的所有节点均不再发送hello信息，则进入簇头确立部分的步骤1);
[0016] 所述簇头确立部分包括W下步骤：
[0017] 1)所有节点都被初始化成"待定"状态；
[001引 2)节点U和节点U的邻居节点比较各自对应的重新确定的虚节点U'剩余能量，若 重新确定的虚节点U'的剩余能量是所有"待定"状态下邻居节点所对应的虚节点剩余能量 中最高的，则确立节点U为"主簇头"，节点u的备选伙伴设定为"从簇头"；
[0019] 3)主簇头和从簇头广播簇头信息给各自的邻居节点，收到消息的邻居节点把自己 的状态设定为"成员"；
[0020] 4)对于剩下的"待定"节点，重复簇头确立方法的步骤2)和步骤3)，直到确定所 有节点的状态；
[0021] 所述簇联盟部分包括：
[0022] 1)每个"成员"节点初始时都随机选择一个簇联盟；将无线传感网络被分割成若 干个子区域；
[0023] 2)初始化完成后，进入动态演化博弈阶段：簇头节点通过公式
【主权项】
1. 一种基于演化博弈的分簇协作路由方法，其特征在于，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： 1) 对于无线传感器网络中的任一节点U，在邻居表中选择剩余能量最高的k-Ι个邻居 节点作为节点U的备选伙伴；将节点U与节点U的备选伙伴Iv lrf, vk_2,…，V1I组成的节点 集定义成虚节点U' ；虚节点u'的剩余能量等于所述节点集的平均剩余能量（Ru+R^+··· +心_1)/1^;其中，1^为簇头个数；1^，1^_15_ 1，"、1^_1分别为节点11，￥15_1，￥15_ 2，~，￥1的剩余能量； 2) 当无线传感器网络中除节点u之外的任一节点V成功申请到信道，节点V就以一个 固定的功率发送一个Hello消息给它的邻居节点，其中Hello消息包含节点V的ID、剩余能 量、邻居表和虚节点ν'的剩余能量，收到Hello消息的节点u检查自己的邻居表是否含有 节点V的项，如果没有，则将节点V及节点V的相关信息添加到邻居表中；否则，找到节点V 的项，比较邻居表中的信息，如邻居表中的信息不同则更新节点U的邻居表；当节点U收到 一个新的邻居节点发送的Hello消息时，节点u更新它的邻居表并广播给该新加入的邻居 节点；当节点u收到节点V的Hello消息，且节点V的邻居表中没有包含节点u时，节点u 发送Hello消息告知节点V ; 3) 若在一段时间内，没有事件促使节点u发送更多的Hello消息，则节点u重复邻居发 现部分步骤1)，重新确定虚节点U'及重新确定的虚节点U'的剩余能量，若无线传感器网络 中的所有节点均不再发送hello信息，则进入簇头确立部分的步骤1); 所述簇头确立部分包括以下步骤： 1) 所有节点都被初始化成"待定"状态； 2) 节点u和节点u的邻居节点比较各自对应的重新确定的虚节点u'剩余能量，若重新 确定的虚节点u'的剩余能量是所有"待定"状态下邻居节点所对应的虚节点剩余能量中最 高的，则确立节点u为"主簇头"，节点u的备选伙伴设定为"从簇头"； 3) 主簇头和从簇头广播簇头信息给各自的邻居节点，收到消息的邻居节点把自己的状 态设定为"成员"； 4) 对于剩下的"待定"节点，重复簇头确立方法的步骤2)和步骤3)，直到确定所有节 点的状态； 所述簇联盟部分包括： 1) 每个"成员"节点初始时都随机选择一个簇联盟； 2) 初始化完成后，进入动态演化博弈阶段：簇头节点通过公式
计算出簇内成员节点可得到的收益η i，并广播给所 有成员节点，通过公式，如)=计算得到无线传感网络任一子区域a的平均收益 产(X); 表示当前时刻区域a中选择簇i联盟的节点比率，；r,(a)表示当前时刻区域a中 选择簇i联盟的成员节点可得到的收益；所述簇头节点包括"主簇头"和"从簇头";Nhtjst」表 示簇i的簇头个数；表示簇头节点的剩余能量之和，J1 = 1, 2,…Nh()St_i;N i表示 簇i的节点总数；IZmtra为簇内通信的平均链路能耗，Rintra为单位时间内单个簇成员节点触 发的簇内通信量，IZinter为簇间通信的平均链路能耗，RintoS单位时间内单个簇成员节点 触发的簇间通信量； 3) 如果成员节点收益小于上述平均收益，则进行策略调整，随机选择收益高于平均收 益的簇联盟； 4) 所有成员节点做出一轮策略调整后，重复簇联盟部分的步骤2)和步骤3)，直到所有 成员节点不再修改其簇联盟策略，即达到演化博弈均衡点。
【专利摘要】本发明公开了一种基于演化博弈的分簇协作路由方法，定义虚节点剩余能量作为簇头确立的指标，然后通过动态演化博弈为簇联盟问题建立模型。剩余节点选择不同簇头结成联盟，可获得不同的收益，收益由簇头的能力、簇成员节点个数等因素决定。每个节点都可以根据自身得到的信息有限理性的选择簇结成联盟，直到网络中所有节点改变簇联盟都不能获得更高的收益。实验结果表明，本发明与协作多输入多输出路由方法相比，CCREG方法的网络生存周期在两个簇头情况下延长14％到70％，三个簇头情况下延长5％到80％。
【IPC分类】H04W40-10, H04W40-24
【公开号】CN104661278
【申请号】CN201510069595
【发明人】张大方, 张继, 谢鲲, 何施茗, 乔宏
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月10日