1.一种基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)构建无线传感网系统模型,系统中包括固定的基站和在其周围随机分布的各个传感器节点,作为将来的簇头节点和普通节点;
(2)用博弈论思想构建节点间簇头竞争博弈模型,包括:竞争参与者集合:N={N1,N2,…,Nn},其中Ni为竞争的第i个参与者;
每个节点在当前时刻选择策略所构成的策略集合:S={S1,S2,…,Sn},其中Si为第i个参与者选择的策略,可选的策略有:成为簇头,用CH表示;和不成为簇头,用NCH表示;
每个节点对应于每个策略组合所获得的效用函数集合:U={U1,U2,…,Un},效用函数Ui表示为
其中v是收益,c是簇头代价,r是未成簇头的惩罚。此效用函数表示的意义为:当所有节点选择策略sj=NCH时效用函数均为0;任何节点i选择策略si=CH时效用函数为v‑c;当存在节点j选择策略sj=CH时,选择策略si=NCH的节点效益函数为v‑r,且v、c、r的表达式分别为vi=aEres,ci=amEres,其中Eres为节点剩余能量,Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量,a>0为正相关常数,m∈(0,1)为收益损耗比例常数,b∈(0,1)为惩罚比例常数。
(3)每个未死亡的节点广播自身ID与剩余能量值,接收邻居节点的ID、能量和距离信息;
(4)节点i建立邻居节点集合,根据博弈模型计算达到混合策略纳什均衡时自身参选簇头的均衡概率;
(5)节点i根据未死亡的邻居节点状况建立和维护自己的候选人集合Ncur(i)。若某邻居在之前的轮次中曾经成为过一次簇头,则将其剔出候选人集合Ncur(i);当Ncur(i)为空时,将邻居表中的所有节点重新填入Ncur(i);
(6)节点i根据求出的候选人及自身节点的均衡概率随机推选临时簇头,建立自己的临时簇头表;
(7)节点i对候选人集合Ncur(i)中各候选节点对应的均衡概率多次倍乘,当其中产生大于1的倍化概率时,倍乘结束并将对应该倍化概率的节点j成为簇头的消息通知节点j,节点j宣布自身成为正式簇头;若节点j是i自身,则直接宣布自身成为正式簇头;
(8)簇内未宣布自身成为簇头的节点选择成为普通节点的策略,令自身向邻居中的已有簇头报告以形成簇。未在邻居中找到簇头的节点扩大其通信范围,与距离最近的簇头建立通信并入簇;若普通节点离基站比离最近的簇头的距离短,选择直接与基站建立连接;
(9)所有节点完成分簇结构建立之后,开始一轮数据传输;
(10)当数据传输完成一轮时间后,从步骤(3)重新开始路由信息交换并维护存储的成簇信息集合,在此基础上重新推选簇头节点,建立新的分簇路由结构,继续下一轮的数据传输。
2.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法,其特征在于,在步骤(2)中,构造效用函数时为了鼓励成为簇头,加入了对参与者中已有簇头时选择未成为簇头策略的惩罚机制,具体操作为在簇头竞争博弈模型中,为当存在节点j选择策略sj=CH时,选择策略si=NCH的节点效益函数中添加了惩罚因子r。
3.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法,其特征在于,在步骤(4)中,计算自身参选簇头的均衡概率的方法为:设定均衡因子ω=(c‑r)/(v‑r),Ncur(i)为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人集合,得到取得纳什均衡解时节点i采用成为簇头策略CH的概率公式:
其中:
其中p(i)为采用策略CH的概率,ω为均衡因子,|Ncur(i)|为包括自己的尚未成为簇头的邻居候选人总数,v、c、r分别为博弈模型中的收益,簇头代价和未成簇头的惩罚,Eres为节点剩余能量,Emax为邻居节点中剩余能量最大者的剩余能量m∈(0,1)为收益损耗比例常数,b∈(0,1)为惩罚比例常数。该方法中的均衡因子是由节点自身剩余能量和邻居节点中最大的剩余能量得到的。
4.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法,其特征在于,在步骤(7)中,若节点i对存储的各临时簇头参选均衡概率的倍乘停止时,出现了2个及以上的当选者,则完全随机地推出其中仅一个当选者作为要宣布的正式簇头且将其剔除出候选人集合,其他倍乘结果推出的当选者本轮退出竞争,并保留在候选人集合中;当剔除后候选人集合为空时,下一轮将重新引入所有邻居节点集合中尚未死亡的节点进入候选人集合。
5.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法,其特征在于,在步骤(7)中,将会通过避免冲突的机制令同一邻居区域中仅有一个节点成为簇头;具体的方法是:若有2个及以上在彼此通信邻居范围内的节点将通过参选均衡概率被推荐为正式簇头,每个被推荐的准簇头节点广播当选信息前,若已经检测到其他簇头当选信息,将直接放弃发送广播,并选择成为普通节点的策略,等待入簇阶段。
6.根据权利要求1所述基于博弈论的能耗均衡无线传感网分簇路由方法,其特征在于,由于节点在整个通信过程中均为静止状态,在步骤(10)中,当新的一轮通信周期来临时,节点所维护的邻居节点集合、候选人集合等本地表格可以直接继承上一轮维护的结果而非重新从头开始收集,仅需在新的一轮中根据收集到的最新邻域信息差异更新和维护已有本地表格。