CN103281745B - 一种商拓扑能量递阶博弈的无线传感网路由方法 - Google Patents

Abstract

一种商拓扑能量递阶博弈的无线传感网路由方法，包括：整个网络生命周期分为若干轮。在第各轮中的传感网节点根据地理属性诱导出基数相同的不同的节点商集划分，并且通过能量博弈确定是否需要分簇并找到最好的划分作为第一层分簇（划分），并记录选定的簇头。第一层的各个簇根据同样的方式进一步找到各自最优的商集划分作为第二层子分簇，以此方法分层递阶直到各个分簇不能再往下划分为止。最后一层各簇为本轮最终有效分簇，其各簇头节点通过逐级与各自记录的父簇头节点构成多跳传输路径。本发明技术方案能够构造传感网能量均衡分簇路由，有效的降低了信息的延时和能量的损耗延长网络生命周期。

Description

一种商拓扑能量递阶博弈的无线传感网路由方法

技术领域

本发明涉及传感网络路由算法，具体涉及一种基于地理位置商拓扑下能量递阶博弈的无线传感网路由方法。

背景技术

在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：WSN(无线传感网)通过大量部署无线传感器节点在特定监测区域内，通过采集特定无线传感网络覆盖区域内被感知对象的信息，通过单跳或多跳的无线通信方式，将收集和处理后的数据信息提供给终端用户.WSN不需要固定的基础设施和网络支持，具有快速部署、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域，以及空间探索和灾难抢险等特殊领域。近年来WSN的高效路由协议研究一直是该领域的研究重点之一。

分簇路由协议是WSN中重要的路由类型，在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster).所谓簇，就是具有某种关联的网络节点集合.每个簇由一个簇头(clusterhead)和多个簇内成员(clustermember)组成，簇内成员通过簇头汇集信息，由簇头与基站BS(basestation)通信分簇路由机制具有以下几个优点(1)成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发.这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大程度上节省了网络能量；(2)簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从而节省了网络能量；(3)成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息.这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量：(4)分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对***变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络：(5)与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。当前主要的分簇技术的难点之一是较难兼顾能量消耗均衡性和地理分布均衡性。

在拓扑学及其相关数学领域，一个商空间(quotientspace，也称为等化空间identificationspace)直观上说是将一个给定空间的一些点等同或“黏合在一起”；由一个等价关系确定哪些点是等同的。这是从给定空间构造新空间的常见方法。通过对原始数据拓扑空间构造或诱导出不同粒度的商拓扑空间，商空间理论就是研究各个商拓扑空间之间的关系，包括合成、综合、分解和在不同商空间中的问题推理的理论。

发明内容

本发明的目的：提供一种通过不同地理位置商拓扑间分层递进式能量博弈策略获得的无线传感网路由方法。该方法能够综合考虑WSN节点的能量和地理分布特性，有效均衡所有节点能量消耗，延长网络生存周期。

本发明的方案：根据传感网节点地理属性诱导出不同层次的商集划分(即分簇)，同时规定同簇的各个子簇中节点基数相同的。通过分层递阶的思想进行不同层次分簇节点间能量博弈来确定是否需要划分(即子分簇)和如何最优划分。在最后获得最终有效分簇后，其各簇头节点通过逐级与各自记录的父簇的簇头节点构成多跳传输路径以确保各个簇信息能够更有效的传送到Sink。本发明技术方案能够综合考虑WSN节点的能量和地理分布特性构造传感网能量均衡分簇路由，有效的降低了信息的延时和能量的损耗延长网络生命周期。

本发明具体步骤如下：

1、根据地域关系属性将无线传感网拓扑WSN诱导出N种备选划分方案，指定每种备选划分为k个小粒度子簇的步骤是：

(1.1)节点一旦部署就不再改变其地理位置，基站记录有各个节点的剩余能量和地理指标等节点分布信息；

(1.2)通过选定一个地理分布属性，如某个海拔高度，或某个水平经纬度，将WSN划分为K个等价类节点子簇即WSN₁’、WSN₂’、…WSN_k’；

(1.3)选定不同的地理分布属性重复N次执行步骤(1.2)获得N种备选划分方案；

2、对上述N个备选划分进行能量平衡和能量预估消耗的竞争，如获得最优划分，即最优下一层子分簇WSN₁’、WSN₂’、…WSN_k’，则进入下列步骤3；否则该无线传感网WSN本身为最终有效簇，则进入下列步骤4，具体步骤：

(2.1)选择备选划分之一；

(2.2)在k个子分簇中，对每个子分簇都选择若干最优簇头并基于这些簇头通过计算预测最小能量消耗值Consume(WSN_{_i}')，其中i∈{1,2,…k}；

(2.3)汇总步骤(2.2)获得k个能量预测消耗与父簇需要消耗的预测能量Consume(WSN)进行比较，如下式(1)所示划分后消耗能量和大于等于划分前消耗则取消该划分,如小于划分前消耗如下式(2)所示则认为该划分有效即为备选划分；

$\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)\≤\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Consume}\left(W{{\mathrm{SN}}_i}^{\′}\right)\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)>\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Consume}\left(W{{\mathrm{SN}}_i}^{\′}\right)\·\·\·\left(2\right)$

(2.4)重复步骤(2.1)到步骤(2.3)如没有获得任何一条备选划分则该父簇本身为最终有效簇并进入步骤4，如果有m个备选划分则进入下一步(2.5)；

(2.5)分别计算m个备选划分的各自K个子簇节点剩余能量Energe(Wsn₁')其中i∈{1,2,…,k}

和平衡程度 $\mathrm{Balance}({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′},{{\mathrm{WSN}}_2}^{\′},\·\·\·{{\mathrm{WSN}}_k}^{\′})=$

${\mathrm{Log}}_{\frac{1}{e}}\frac{\mathrm{Max}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right),\·\·\·\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_k}^{\′}\right)\}-\mathrm{Min}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right),\·\·\·\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_k}^{\′}\right)\}}{\mathrm{Min}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right),\·\·\·\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_k}^{\′}\right)\}}$

(2.6)综合考虑各个备选划分的能量平衡程度Balance()和预测的消耗能量减少程度Save(),选择最优分簇；预测的消耗能量减少程度和判断函数如下式(3)和式(4)；

$\mathrm{Save}({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′},{{\mathrm{WSN}}_2}^{\′},\·\·\·,{{\mathrm{WSN}}_k}^{\′})={\mathrm{Log}}_{1/e}\frac{\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k\mathrm{consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k\mathrm{consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)}\·\·\·\left(3\right)$

αSave(WSN₁’，WSN₂’，…WSN_k’)+βBalance(WSN₁’，WSN₂’，…WSN_k’)………(4)

注α和β为可调参数

3、对于选定的这K个子簇，分别进入步骤1步骤如下：

(3.1)对于选定的这K个子簇WSN₁’、WSN₂’、…WSN_k’，提取其中任何一个WSN_i’，i∈{1,2……k}；

(3.2)WSN_i’作为下一层一个相对独立的子WSN进入步骤1；

(3.3)其余k－1个子簇也分别进入步骤(3.1)和(3.2)进行下一层次划分；

4、确定所有最终有效簇后，有效簇的簇头节点给簇内成员分配TDMA时间表:

(4.1)Sink节点广播通知对应节点谁是簇头及各级父簇头和谁是簇内成员；

(4.2)各有效分簇簇头根据簇内成员节点总数为其分配时隙，并广播，之后普通节点即可以在分配的时间向簇头传递信息；

5、簇头收集本簇信息，通过成簇过程中其父亲簇的簇头节点实现到Sink节点的多跳传输:

(5.1)簇头节点收集了齐了本簇普通节点发来的信息后，进行数据融合；

(5.2)簇头节点将数据收到父簇的簇头节点并逐级送回Sink节点；

注：父簇不是最终有效分簇，只是分簇过程中产生的过度簇；

6、完成一轮分簇后，重复步骤1到步骤5直至所有节点能量耗尽。

本发明的有益效果：该方法能够综合考虑WSN节点的能量和地理分布特性，有效均衡所有节点能量消耗，延长网络生存周期。

附图说明

图1为本发明的一个典型传感器网络图；

图中：1、Sink节点2、簇及簇成员3、监测区域；

图2为本发明无线传感网拓扑诱导出N种备选划分的示意图；

图中：1、备选划分；

图3本发明每轮流程图；

图4本发明多跳数据传输示意图；

图中：1基站(Sink节点)、2簇、3簇头、4、簇成员。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，说明如下：

(以设k＝2,N＝8为例)

1、根据地域关系属性将无线传感网拓扑WSN诱导出8种备选划分方案，指定每种备选划分为2个小粒度子簇的步骤是：

(1.1)节点一旦部署就不再改变其地理位置，基站记录有各个节点的剩余能量和地理指标等节点分布信息；

(1.2)通过选定一个地理分布属性(如某个海拔高度，或某个水平经纬度)将WSN划分为2个等价类节点子簇{WSN₁’、WSN₂’}；

(1.3)选定不同的地理分布属性重复8次执行步骤(1.2)获得8种备选划分方案；

2、对上述N个备选划分进行能量平衡和能量预估消耗的竞争，如获得最优划分(即最优下一层子分簇WSN₁’、WSN₂’)，则进入下列步骤3，否则该无线传感网WSN本身为最终有效簇，则进入下列步骤4，具体步骤：

(2.1)选择备选划分之一；

(2.2)在2个子分簇中，对每个子分簇都选择若干最优簇头并基于这些簇头通过计算预测最小能量消耗值。Consume(WSN_i')其中i∈{1,2}；

(2.3)汇总步骤(2.2)获得2个能量预测消耗合与父簇(不进行划分)需要消耗的预测能量Consume(WSN)进行比较，如如下式(1)所示划分后消耗能量和大于等于划分前消耗则取消该划分,如小于划分前消耗如下式(2)所示则认为该划分有效即为备选划分；

$\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)\≤\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Consume}\left(W{{\mathrm{SN}}_i}^{\′}\right)\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)>\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Consume}\left(W{{\mathrm{SN}}_i}^{\′}\right)\·\·\·\left(2\right)$

(2.4)重复步骤(2.1)到步骤(2.3)如没有获得任何一条备选划分则该父簇本身为最终有效簇并进入步骤4，如果有m个备选划分则进入下一步(2.5)；

(2.5)分别计算m个备选划分的各自2个子簇节点剩余能量Energe(Wsn₁')其中i∈{1,2}

和平衡程度 $\mathrm{Balance}({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′},{{\mathrm{WSN}}_2}^{\′})=$

${\mathrm{Log}}_{\frac{1}{e}}\frac{\mathrm{Max}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right)\}-\mathrm{Min}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right)\}}{\mathrm{Min}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right)\}}$

(2.6)综合考虑各个备选划分的能量平衡程度Balance()和预测的消耗能量减少程度Save(),选择最优分簇；预测的消耗能量减少程度和判断函数如下式3和式4。

$\mathrm{Save}({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′},{{\mathrm{WSN}}_2}^{\′})={\mathrm{Log}}_{1/e}\frac{\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^2\mathrm{consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^2\mathrm{consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)}\·\·\·\left(3\right)$

αSave(WSN₁’，WSN₂’)+βBalance(WSN₁’，WSN₂’)………(4)

注α和β为可调参数

3、对于选定的这2个子簇，分别进入步骤1步骤如下：

(3.1)对于选定的这2个子簇WSN₁’、WSN₂’，提取其中任何一个WSN_i’；

(3.2)WSN_i’作为下一层一个相对独立的子WSN进入步骤1；

(3.3)另1个子簇也进入步骤a和b进行下一层次划分；

4、确定所有最终有效簇后，有效簇的簇头节点给簇内成员分配TDMA时间表：

(4.1)Sink节点广播通知对应节点谁是簇头及各级父簇头和谁是簇内成员；

(4.2)各有效分簇簇头根据簇内成员节点总数为其分配时隙，并广播，之后普通节点即可以在分配的时间向簇头传递信息；

5、簇头收集本簇信息，通过成簇过程中其父亲簇的簇头节点实现到Sink节点的多跳传输：

(5.1)簇头节点收集了齐了本簇普通节点发来的信息后，进行数据融合；

(5.2)簇头节点将数据收到父簇的簇头节点并逐级送回Sink节点。注：父簇不是最终有效分簇，只是分簇过程中产生的过度簇；

6、完成一轮分簇后，重复步骤1到步骤5直至所有节点能量耗尽。

Claims (1)

1.一种商拓扑能量递阶博弈的无线传感网路由方法，其特征是：

1)根据地域关系属性将无线传感网拓扑WSN诱导出N种备选划分方案，指定每种备选划分为k个小粒度子簇的步骤是：

(1.1)节点一旦部署就不再改变其地理位置，基站记录有各个节点的剩余能量和地理指标等节点分布信息；

(1.2)通过选定一个地理分布属性，如某个海拔高度，或某个水平经纬度，将WSN划分为k个等价类节点子簇即WSN₁’、WSN₂’、…WSN_k’；

(1.3)选定不同的地理分布属性重复N次执行步骤(1.2)获得N种备选划分方案；

2)对上述N个备选划分进行能量平衡和能量预估消耗的竞争，如获得最优划分，即最优下一层子分簇WSN₁’、WSN₂’、…WSN_k’，则进入下列步骤(3)；否则该无线传感网WSN本身为最终有效簇，则进入下列步骤(4)，具体步骤：

(2.1)选择备选划分之一；

(2.2)在k个子分簇中，对每个子分簇都选择若干最优簇头并基于这些簇头通过计算预测最小能量消耗值Consume(WSN_{_i}')，其中i∈{1,2,…k}；

(2.3)汇总步骤(2.2)获得k个能量预测消耗与父簇需要消耗的预测能量Consume(WSN)进行比较，如下式(1)所示划分后消耗能量和大于等于划分前消耗则取消该划分,如小于划分前消耗如下式(2)所示则认为该划分有效即为备选划分；

$\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)\≤\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)...\left(1\right)$

$\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)>\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)...\left(2\right)$

(2.4)重复步骤(2.1)到步骤(2.3)如没有获得任何一条备选划分则该父簇本身为最终有效簇并进入步骤(4)，如果有m个备选划分则进入下一步e。

(2.5)分别计算m个备选划分的各自k个子簇节点剩余能量Energe(WSN₁')其中i∈{1,2,…,k}

和平衡程度

$\begin{array}{c}\mathrm{Balance}({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′},{{\mathrm{WSN}}_2}^{\′},...{{\mathrm{WSN}}_k}^{\′})=\\ {\mathrm{Log}}_{\frac{1}{e}}\frac{\mathrm{Max}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right),...\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_k}^{\′}\right)\}-\mathrm{Min}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right),...\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_k}^{\′}\right)\}}{\mathrm{Min}\{\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′}\right),\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_2}^{\′}\right),...\mathrm{Energe}\left({{\mathrm{WSN}}_k}^{\′}\right)\}}\end{array}$

(2.6)综合考虑各个备选划分的能量平衡程度Balance()和预测的消耗能量减少程度Save(),选择最优分簇；预测的消耗能量减少程度和判断函数如下式(3)和式(4)；

$\mathrm{Save}({{\mathrm{WSN}}_1}^{\′},{{\mathrm{WSN}}_2}^{\′},...,{{\mathrm{WSN}}_k}^{\′})={\mathrm{Log}}_{1/e}\frac{\mathrm{Consume}\left(\mathrm{WSN}\right)-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k\mathrm{consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k\mathrm{consume}\left({{\mathrm{WSN}}_i}^{\′}\right)}...\left(3\right)$

αSave(WSN₁’，WSN₂’，…WSN_k’)+βBalance(WSN₁’，WSN₂’，…WSN_k’)………(4)

注α和β为可调参数

3)对于选定的这k个子簇，分别进入步骤(1)步骤如下：

(3.1)对于选定的这K个子簇WSN₁’、WSN₂’、…WSN_k’，提取其中任何一个WSN_i’，i∈{1,2……k}；

(3.2)WSN_i’作为下一层一个相对独立的子WSN进入步骤(1)；

(3.3)其余k－1个子簇也分别进入步骤(3.1)和(3.2)进行下一层次划分；

4)确定所有最终有效簇后，有效簇的簇头节点给簇内成员分配TDMA时间表:

(4.1)Sink节点广播通知对应节点谁是簇头及各级父簇头和谁是簇内成员；

(4.2)各有效分簇簇头根据簇内成员节点总数为其分配时隙，并广播，之后普通节点即可以在分配的时间向簇头传递信息；

5)簇头收集本簇信息，通过成簇过程中其父亲簇的簇头节点实现到Sink节点的多跳传输:

(5.1)簇头节点收集了齐了本簇普通节点发来的信息后，进行数据融合；

(5.2)簇头节点将数据收到父簇的簇头节点并逐级送回Sink节点；

注：父簇不是最终有效分簇，只是分簇过程中产生的过度簇；

6)完成一轮分簇后，重复步骤(1)到步骤(5)直至所有节点能量耗尽。