基于博弈论的无线传感器网络非均匀分簇路由算法

基于博弈论的无线传感器网络非均匀分簇路由算法

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□衷柳生程良伦《计算机应用研究》2009年第05期

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(广东工业大学自动化学院广州510006)

摘要:为了有效解决无线传感器网络路由节能问题,引入了博弈理论思想,提出了一种基于博弈论的无线传感器网络非均匀分簇节能路由算法UCEER。仿真实验结果表明,该算法解决了节点能耗分布不均的难题,体现出了其自适应调整簇首、调节节点负荷、延长网络平均寿命的能力,保证了路径的可靠度。

关键词:无线传感器网络;博弈论;路由;非均匀分簇;节能

中图分类号:TP393文献标志码:A

文章编号:1001-3695(2009)05-1865-03

Unequal clustering energy economical routing algorithm

based on game theory for WSN

ZHONG Liu sheng CHENG Liang lun

(Facaulty of Automation Guangdong University of Technology Guangzhou 510006 China) Abstract:In order to efficiently solve the problem of rooting,this paper introduced the thinking of game theory and presented UCEER algorithm for wireless sensor networks. Simulation results show that the routing algorithm efficiently balances the energy consumption of nodes in wireless sensor networks prolongs the network lifetime and guarantees the path reliability.

Key words:wireless sensor networks; game theory; routing; unequal clustering; energy economical

0 引言

随着传感器技术和通信技术的发展,无线传感器网络技术开始提出,并因其应用的广泛性而得到越来越多的重视。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络它采用Ad hoc方式配置大量微型的智能传感节点通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息[1]。该网络功耗低、成本低、体积小;集数据采集、处理、传输于一体具有自组织特性和高抗毁能力在地理环境监测、灾害预报、医疗保健、工业生产过程监测、恶劣环境监测、军事侦察等方面具有广阔的应用前景[2]。无线传感器网络中传感器节点的能量资源、计算能力和带宽均非常有限,且节点十分密集,设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的首要问题。路由协议是网络节点相互通信的基础,无线传感器网络路由协议负责寻找一条传输路径将数据分组从数据源节点通过网络多跳转发至目标节点[3]。设计合理的路由协议对降低及平衡网络中节点的能耗,延长网络的存活时间有着重要意义。

本文引入博弈理论思想,设计了一种非均匀分簇节能路由协议。尽管针对基于博弈论的路由协议已经有了一定的研究,然而大部分路由协议,如文献[4,5]均针对平面型网络而设计;

针对无线传感器网络分层型路由的研究中,文献[6]设计了一种动态、能量有效的层次分簇算法,该算法仅考虑了节点能量,并没有同时考虑节点在网络中的分布,具有一定的局 限性。

本文所提出的非均匀分簇节能路由算法(unequal clustering energy economical routing,UCEER)在无须任何定位装置或定位算法的前提条件下,综合考虑节点剩余能量、路径的可靠度以及节点在网络中的分布,选出具有较高能量,且簇内传输损耗较小的节点作为簇首,从而延长整个传感器网络的生命 周期。

1 无线传感器网络动态路由博弈模型

1.1 博弈论简介

博弈论以决策主体的理性为分析的出发点,研究交互式条件下最优理性决策,即决策主体的偏好能获得最大满足时的策略。如果仅有一个决策主体,即简单的解约束条件下的最优化问题。而在多人参与的博弈中,一个决策主体行为动机还取决于其他决策者的行为。

一个博弈的基本要素包括参与者、行动、信息、策略、支付和均衡。其中,信息是参与者在博弈中所掌握的全部知识,参与者的信息会随时间的变化而改变;策略是参与者选择行动的规范,它指导参与者如何行动;支付是博弈中参与者的期望效用;均衡是所有参与者最优策略的组合[9]。

1.2 节点的理性偏好

由于本文所关注的是路径的可靠度、网络能耗和生存期,希望节点在合作选路的过程中能联合优化这三个性能。为实现这个目标,每个节点的理性偏好必须与此一致。本文规定每个节点的理性偏好如下:

a)自己发送的数据能可靠地传送到sink节点,这些数据包括节点本身产生的本地数据和通过自己中转的数据。

b)自己能活得久。这是为了避免某些位于关键位置(如从源节点到sink节点的最短路径上)的节点由于频繁地参与转发数据而过度消耗自己的能量。这些节点过早的死亡会降低网络的覆盖率并缩短网络的生存期[9]。

1.3 博弈路由模型

基于以上节点的理性偏好,为了联合优化路径的传输可靠度、网络能耗和生存时间,本文给出了用扩展式表述的博弈为这个动态路由过程建模:

a)参与者集合。该博弈的参与者是网络中任何一个存活的节点,设参与者的个数为 n 。b)参与者的行动顺序。该博弈由有本地数据要传的源节点发起,源节点先选择一个合适的邻居节点作为下一跳节点,并向其发送路由请求,收到该路由请求的邻居节点再开始采取相应的行动(如是否接收路由请求)。该决策过程一直持续到sink被选为下一跳节点为止。这个过程可以划分为多个阶段,第一个阶段只有那些有本地数据要传的源节点行动,其余阶段由收到了路由请求的节点行动。

c)参与者的行动空间。包含两类行动,即不参与传递数据和参与传递数据并继续向一个邻居节点发送路由请求。源节点这类参与者的行动空间只包含第二类行动。令参与者 i 的第二类行动用集合 L i=(l i1 ,…,l ij ,…,l im ), l ij ∈(0,1) 来表示。其中: m 表示参与者 i 可选的下一跳邻居节点个数。为了避免路由环路,这 m 个邻居节点不包括发送路由请求给 i 的那个节点。 l ij =1表示节点 i 选择邻居节点 j 作为下一跳节点,而 l ij =0表示节点 i 未选择邻居节点 j 作为下一跳节点。这里,仅考虑纯策略空间的情况,此时,向量L i 中最多只有一个值为1,其余都为0,即节点 i 只能选择一个邻居节点转发数据。由于每个参与