[发明专利]基于合作博弈的无线传感器网络分簇协作路由算法

摘要

本发明针对无线传感器网络中能量消耗不均引起的热点问题，提出了一种基于合作博弈的非均匀分簇协作路由算法。算法在分簇时综合考虑节点的位置、剩余能量、通信代价等因素，根据这些因素构造竞选函数，并利用合作博弈权衡各因素的权重大小，寻求最佳节点担任簇头，普通节点根据自身与簇头的距离和簇头与汇聚节点的距离加入相应的簇。并且进一步在路由阶段，在每个簇中根据节点剩余能量和位置等信息选出协作转发节点，利用协作节点转发簇头传来的数据，以此来避免簇头耗能过快。仿真结果表明，算法能有效均衡网络的能量消耗，缓解网络热点问题，从而延长网络的生命周期。

主权项

1.一种基于合作博弈的无线传感器网络分簇协作路由算法，包括分簇和路由两大步骤，所述分簇步骤中基于非均匀竞争半径进行分簇，包括簇头竞选和节点入簇，其特征在于，所述簇头竞选步骤中考虑剩余能量、节点位置和历史贡献因素，基于合作博弈权衡各因素的权重，构造竞选函数寻求簇头节点，具体过程包括：(11)网络中各节点构建剩余能量因子Ecoi、节点位置优势因子Loi以及历史贡献因子Ci，f，其中i表示节点的编号，f表示当前轮数；其中，剩余能量因子Ecoi的计算方法为：其中，Ei表示节点i剩余的能量，Ni表示节点i竞争半径Ri内的邻居节点数，Ei(j)表示节点i的第j个邻居节点的剩余能量；节点位置优势因子Loi的计算方法为：其中，a₁和a₂为用来控制两种因素对位置优势因子影响力度的系数，ρ_i为密度系数，定义为：其中，N₀表示节点i在半径R_min内的节点个数，R_min表示网络中节点的最小竞争半径，N_i表示节点i在竞争半径R_i内的节点个数，d(i，Sink)表示节点i到Sink节点的距离；历史贡献因子Ci，f的计算方法为：Ci，f＝Ci，f‑1+Δc，f＞1其中Ci，f‑1为节点i在f‑1轮的贡献值因子，Δc为f‑1轮结束后节点根据担任的角色得到贡献值，节点成为簇头的贡献值大于成为普通节点的贡献值；(12)各节点基于合作博弈方法计算得到各个因子的权重，分别记为(13)各节点根据公式计算得到簇头竞选函数值；(14)若节点自身的竞选函数值在邻居节点中最大，则节点宣布成为簇头；所述路由步骤中包括协作节点集选择和传输路径选择两个步骤；所述协作节点集选择步骤中，在每个簇中从普通节点中选取剩余能量较大的且较簇头更加靠近Sink节点的若干个节点作为候选协作节点；所述传输路径选择步骤中采用数据转发过程只在协作节点之间进行的方式确定传输路径，具体为普通节点采集数据信息并发送至簇头，簇头将收到的信息进行融合处理，然后发送至协作节点，协作节点以多跳的方式将数据信息发送至Sink节点；其中，节点i在选择下一跳协作节点时，根据如下公式计算其与候选协作节点的协作因子，选择协作因子值最大的节点作为下一跳协作节点：其中：Ej为候选协作节点j的剩余能量，E0为候选协作节点j的初始能量，α，β为加权系数，α＞β，d(i，j)表示节点j与节点i的距离，d(i，Sink)，d(j，Sink)分别表示节点i，j与Sink节点的距离。