CN102685688B - 一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，基站作为一级密封价格拍卖模型中的拍卖方广播拍卖消息，节点作为竞拍者将节点标号、节点位置、剩余能量和竞拍区域发送给基站，基站对参加竞拍的节点进行资格审查，通过资格审查的节点依据报价策略计算其最优报价，同时确定各个竞拍区域（包括空白区域）的簇首节点，基站广播簇首节点，非簇首节点作为成员节点选择距离最近的簇首节点加入该簇并完成簇的组建，基站采用最低费用邻近路径（CNP）算法计算并广播每个簇首节点下一跳的信息，簇首节点采用多跳方式将数据发送至基站，本发明提高了无线传感器网络簇首分布的合理性和节点能量消耗的均衡性，有效延长了网络的生存时间。

Description

一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，特别是涉及一种无线传感器网络的分簇方法。

背景技术

无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，是当前国内外研究的热点，有着广阔的应用前景。在无线传感器网络中，分布在监测环境中的传感器节点的能量是有限的，因此，无线传感器网络路由协议设计的首要目标是在保证正常数据采集的前提下，通过合理的路由设计尽可能降低节点的能量消耗和延长传感器网络的寿命。无线传感器网络的路由协议按网络逻辑结构可以分为平面路由协议和分层路由协议。分层路由协议将网络划分为不同的簇，每个簇由簇首节点和多个成员节点组成。其中成员节点只需与自己的簇首通信，而簇首节点在完成监测任务的同时还要负责接收簇内成员节点发送的数据、完成数据融合并通过单跳或多跳的方式将数据发送至基站，除此之外，还负责转发其他簇首的数据，因此簇首节点能量消耗较大。

在传统的分层路由协议中，以经典的LEACH（Low Energy Adaptive ClusteringHierarchy）协议为例，一般采用周期性的簇首选择方法，让网络中的节点轮流担任簇首，进而可以平衡网络中节点的能耗。相对于一般的平面路由和静态分层路由协议，LEACH协议可以延长网络寿命15%左右。但是LEACH协议也存在一些问题：（1）簇首的选择无论是在能量上还是位置上都是随机的，也就是说LEACH协议的簇首选择方法没有考虑节点的剩余能量和位置信息，使得剩余能量较低的节点很有可能被选为簇首，从而导致该节点能量快速耗尽而死亡。同时簇首分布位置也是随机的，实验证明，无论簇首分布过于集中还是分散，都会导致簇内成员节点的能耗以及簇首与基站通信的能耗大幅增加；（2）LEACH协议中每轮产生的簇首个数是不确定的，实验表明，簇首个数存在较大的波动。因此，当产生的簇首个数过少时，会极大地增加簇首的负担，使其能量迅速耗尽而死亡。这些问题的存在，造成了传感器网络簇首分布不合理和节点能耗不均衡，影响了网络寿命的进一步提高。

博弈论（Game Theory）又称“对策论”，是一门以数学为基础、研究博弈中参与者为获得最大利益应如何做出决策的学科。博弈论在经济学、政治学中得到了广泛的应用，也成功应用到无线通信领域中的异构无线网络的切换决策、接纳控制以及网络资源分配等方面。作为一种特殊的拍卖博弈模型，一级密封价格拍卖模型要求所有竞拍者的报价仅限于竞拍者本人和拍卖者知晓，而且只能报一次价，报价最高的竞拍者中标（在公共工程拍卖中，是以报价最低的竞拍者中标）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何能够创新地进一步提高无线传感器网络簇首分布的合理性和节点能量消耗的均衡性，进而有效延长网络的生存时间。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其技术方案包括以下各步骤：

步骤1：基站作为一级密封价格拍卖模型中的拍卖方广播拍卖消息；

步骤2：节点作为一级密封价格拍卖模型中的竞拍者将节点标号、节点位置、剩余能量和竞拍区域发送给基站；

步骤3：基站对参加竞拍的节点进行资格审查；

步骤4：节点的估价是其剩余能量的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布，节点的报价策略通过报价函数具体实现，报价函数是节点估价的线性函数，通过资格审查的节点的最优报价是由报价函数根据一级密封价格拍卖模型计算得到；基站将各个竞拍区域中报价最高的节点确定为各个区域的簇首，如果同一个竞拍区域中有两个或两个以上的节点报价相同，则标号小的节点被确定为簇首；

步骤5：基站确定空白区域中的簇首节点；

步骤6：基站广播簇首节点；

步骤7：非簇首节点作为成员节点选择距离最近的簇首节点加入该簇，完成簇的组建；步骤8：基站采用最低费用邻近路径（Cheapest Neighbor Path，CNP）算法计算并广播每个簇首节点下一跳的信息；

步骤9：簇首节点采用多跳方式将数据发送至基站。

与LEACH协议比较，本发明具有以下优点：

（1）本发明在进行簇首选择时，充分考虑了节点的剩余能量、位置信息和竞拍区域，实现了簇首在位置和能量上的合理分布；

（2）本发明采用一级密封价格拍卖模型、依据最优报价策略来确定各个竞拍区域簇首的方法，解决了LEACH协议中簇首个数存在较大波动、节点能量消耗不均衡的缺点，有效地延长了网络的生存时间。

附图说明

图1为本发明的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如附图1所示，假设所有节点完全相同并且能量有限，节点本身具有位置感知功能且在部署完成后不再移动，基站是固定的且没有能量限制。一级密封价格拍卖模型各要素定义如下：

拍卖方：基站；

竞拍者：部署在监测区域内的节点；

拍卖品：监测区域内的各个竞拍区；

获胜者：各个竞拍区域中报价最高的竞拍节点获胜并被确定为各个区域的簇首，如果同一个竞拍区域中有两个或两个以上的竞拍节点报价相同，则标号小的竞拍节点获胜；

竞拍者的收益：竞拍者的估价是其剩余能量的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布；如果竞拍者获胜，其收益为其估价与报价的差值；如果竞拍者失败，则其收益为0。

本发明方法按照以下步骤进行：

步骤1：基站作为一级密封价格拍卖模型中的拍卖方广播拍卖消息；

步骤2：节点作为一级密封价格拍卖模型中的竞拍者将节点标号、节点位置、剩余能量和竞拍区域发送给基站；

竞拍区域采用竞拍半径R_c来表示，定义如下：

$R_c=(1-c\frac{D_{\max }-D(s_i,\mathrm{BS})}{D_{\max }-D_{\min }})R_c^0,$

其中D_max和D_min分别表示所有节点与基站距离的最大值和最小值，D(s_i，BS)表示竞拍节点i与基站的距离，c为0到1之间的常数，

为预定义的最大竞拍区域半径。

步骤3：基站对参加竞拍的节点进行资格审查；

基站对收到的所有节点的剩余能量求和并计算出平均能量，如果竞拍节点的剩余能量小于平均能量，那么这部分节点将被筛选掉而失去竞拍资格。

步骤4：节点的估价是其剩余能量的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布，节点的报价策略通过报价函数具体实现，报价函数是节点估价的线性函数，通过资格审查的节点的最优报价是由报价函数根据一级密封价格拍卖模型计算得到；基站将各个竞拍区域中报价最高的节点确定为各个区域的簇首，如果同一个竞拍区域中有两个或两个以上的节点报价相同，则标号小的节点被确定为簇首；

节点的估价v_i是其剩余能量E_ir的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布，节点i的报价策略通过报价函数b_i具体实现，报价函数b_i是节点估价v_i的线性函数；设所有节点的报价策略都是一样的，Prob{b_i＝b_j(v_j)}＝0成立，而且是理性的，节点在获胜的前提下希望尽可能获得较大的收益；则节点i的最优报价为：其中j表示竞拍区域内其他的节点；根据一级密封价格拍卖模型相关理论分析，该博弈一定存在唯一的贝叶斯纳什均衡解

即为节点i的最优报价，其中n为该竞拍区域内的节点数。

步骤5：基站确定空白区域中的簇首节点；

空白区域是指没有任何竞拍节点宣布获胜的区域，基站对于竞拍失败的节点，检查其是否在空白区域中，如果在，则将其作为该空白区域的簇首节点。

步骤6：基站广播簇首节点；

步骤7：非簇首节点作为成员节点选择距离最近的簇首节点加入该簇，完成簇的组建；步骤8：基站采用CNP算法计算并广播每个簇首节点下一跳的信息；

CNP算法的基本思想是通过获取并比较邻居簇首与基站的距离，将最近的邻居簇首作为数据传输的下一跳。

步骤9：簇首节点采用多跳方式将数据发送至基站。

Claims (6)

1.一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其特征在于，包括以下各个步骤：

步骤1：基站作为一级密封价格拍卖模型中的拍卖方广播拍卖消息；

步骤2：节点作为一级密封价格拍卖模型中的竞拍者将节点标号、节点位置、剩余能量和竞拍区域发送给基站；

步骤3：基站对参加竞拍的节点进行资格审查；

步骤4：节点的估价是其剩余能量的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布，节点的报价策略通过报价函数具体实现，报价函数是节点估价的线性函数，通过资格审查的节点的最优报价是由报价函数根据一级密封价格拍卖模型计算得到；基站将各个竞拍区域中报价最高的节点确定为各个区域的簇首，如果同一个竞拍区域中有两个或两个以上的节点报价相同，则标号小的节点被确定为簇首；

步骤5：基站确定空白区域中的簇首节点；

步骤6：基站广播簇首节点；

步骤7：非簇首节点作为成员节点选择距离最近的簇首节点加入该簇，完成簇的组建；步骤8：基站采用最低费用邻近路径（Cheapest Neighbor Path，CNP）算法计算并广播每个簇首节点下一跳的信息；

步骤9：簇首节点采用多跳方式将数据发送至基站。

2.根据权利要求1所述的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其特征是：

所述一级密封价格拍卖模型各要素定义如下：

拍卖方：基站；

竞拍者：部署在监测区域内的节点；

拍卖品：监测区域内的各个竞拍区；

获胜者：各个竞拍区域中报价最高的竞拍节点获胜并被确定为各个区域的簇首，如果同一个竞拍区域中有两个或两个以上的竞拍节点报价相同，则标号小的竞拍节点获胜；

竞拍者的收益：竞拍者的估价是其剩余能量的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布；如果竞拍者获胜，其收益为其估价与报价的差值；如果竞拍者失败，则其收益为0。

3.根据权利要求1所述的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其特征是：

所述竞拍区域采用竞拍半径R_c来表示，定义如下：

其中D_max和D_min分别表示所有节点与基站距离的最大值和最小值，D(s_i，BS)表示竞拍节点i与基站的距离，c为0到1之间的常数，为预定义的最大竞拍区域半径。

4.根据权利要求1所述的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其特征是：

所述基站对参加竞拍的节点进行资格审查具体按照以下步骤：基站对收到的所有节点的剩余能量求和并计算出平均能量，如果竞拍节点的剩余能量小于平均能量，那么这部分节点将被筛选掉而失去竞拍资格。

5.根据权利要求1所述的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其特征是：

所述通过资格审查的节点的最优报价是由报价函数根据一级密封价格拍卖模型计算得到具体按照以下步骤：

节点的估价v_i是其剩余能量E_ir的函数，该函数服从[0,1]上的均匀分布，节点i的报价策略通过报价函数b_i具体实现，报价函数b_i是节点估价v_i的线性函数；设所有节点的报价策略都是一样的，Prob{b_i＝b_j(v_j)}＝0成立，而且是理性的，节点在获胜的前提下希望尽可能获得较大的收益；则节点i的最优报价为：其中j表示竞拍区域内其他的节点；根据一级密封价格拍卖模型相关理论分析，该博弈一定存在唯一的贝叶斯纳什均衡解

即为节点i的最优报价，其中n为该竞拍区域内的节点数。

6.根据权利要求1所述的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其特征是：

所述基站确定空白区域中的簇首节点具体按照以下步骤：空白区域是指没有任何竞拍节点宣布获胜的区域，基站对于竞拍失败的节点，检查其是否在空白区域中，如果在，则将其作为该空白区域的簇首节点。

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