[發(fā)明專利]一種基于演化博弈的分簇協(xié)作路由方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510069595.0
• 申請日: 2015-02-10
• 公開（公告）號: CN104661278B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張大方;張繼;謝鯤;何施茗;喬宏
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/24
• 代理公司: 長沙正奇專利事務(wù)所有限責(zé)任公司43113
• 代理人: 馬強(qiáng),王娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線網(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)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)(Wireless Sensor Networks，WSNs)通常是由小電池供電，為這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(shí)間和費(fèi)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(diǎn)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(gè)重要目標(biāo)。

現(xiàn)有的無線傳輸大多數(shù)是基于單輸入單輸出(Single Input and Single Output，SISO)傳輸方式，存在重傳率較高、能耗較高等缺點(diǎn)。為了解決這個(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，獲得空間分集增益，可以有效減少信息傳送的能量開銷，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

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(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑、為路徑上的節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)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(biāo)。現(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(diǎn)分布、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對協(xié)作路由的影響，沒有根據(jù)這些網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，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，但是這些方法仍然存在路由效率低下，可擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)。

分簇路由能充分利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)。將分簇結(jié)構(gòu)和協(xié)作路由相結(jié)合，設(shè)計(jì)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。

分簇協(xié)作路由需要解決的兩個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行簇成員確定時(shí)，成員節(jié)點(diǎn)均選擇信道最佳的簇頭聯(lián)盟，無法根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力均衡負(fù)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。

本發(fā)明研究場景為如圖1所示，一個(gè)由多個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)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(fù)用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)系統(tǒng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一副全向天線，工作在半雙工模式，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息能夠被其所有鄰居節(jié)點(diǎn)在很短的時(shí)間內(nèi)收到。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有唯一的ID，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過交互控制信息知道鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過特定方法匯聚成一個(gè)簇(cluster)。每個(gè)簇均包含一個(gè)主簇頭(Master Cluster Heads，MCH)和若干個(gè)從簇頭(SlaveCluster Heads，SCH)。簇頭主要負(fù)責(zé)兩個(gè)工作：第一是聚合成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。第二是進(jìn)行簇間數(shù)據(jù)通信。

簇與簇之間通信通過簇頭的VMIMO協(xié)作傳輸進(jìn)行通信，如圖2所示。發(fā)送端和接收端分別為兩個(gè)簇的簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)集合，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)集和接收節(jié)點(diǎn)集，每個(gè)集合具有k個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，如圖2中為3個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。在接收端的每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收從發(fā)送端的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信號。發(fā)送節(jié)點(diǎn)集中的發(fā)送節(jié)點(diǎn)是同步的，每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)都擁有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且都可以調(diào)整各自的發(fā)送功率。接收節(jié)點(diǎn)集中每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號是所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號的總和。

另外，在實(shí)際場景中可能由于簇節(jié)點(diǎn)數(shù)目不夠，達(dá)不到所設(shè)定需要的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目，簇間通信有可能退化為多對一(Virtual Multi-Input Single-Output，VMISO)或者一對多(Virtual Single-Input Multi-Output，VSIMO)，甚至是一對一(Single-Input Single-Output，SISO)通信模式。

發(fā)明內(nèi)容

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。

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：

所述鄰居發(fā)現(xiàn)部分包括以下步驟：