一种基于重复博弈的节能路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于重复博弈的节能路由方法（UCRG)，属于无线传感器网络技术 领域。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是一种新型的传感器网络，它主要由大量节点构成，完成对信息 的采集、处理和转发等任务，网络内所有的节点可以自适应拓扑结构的变化，并相应的更新 最佳路由，最后通过无线多跳通信的方式将有效信息传输给Sink节点。无线传感器网络投 入成本小，灵活性好，可以对各种恶劣环境进行实时监测，具有十分重要的科研价值和广阔 的发展前景。
[0003] 节能问题一直是无线传感器网络研宄的关键问题之一，它直接影响整个网络的生 命周期。网络中大部分节点是以多跳路由的方式将数据传输给Sink节点，这就使得距离 Sink节点较近的节点因为转发任务过重消耗大量能量，在整个网络还剩余大量能量的时 候就开始有一定数目的节点死亡，导致局部地区监测功能失效，这就是所谓的"能量空洞现 象"（energyhole)。因此，在能量有限的情况下，均衡网络能耗，尽量延长网络生命周期就 变得尤为重要，这就需要在设计路由协议时，充分考虑路由协议的能量高效性。
[0004] 在无线传感器网络的服务质量、能耗均衡、网络时延和安全性等方面，目前研宄已 经取得了很不错的成绩，在网络节点的计算能力、存储能力和节约能量等方面，也已经取得 了很大的进步。但是，提升的空间依旧很大，优秀路由协议应该能够在保证网络质量的同时 尽量节约能量，延长网络生命周期。我们还需要对网络时延、网络能耗均衡等关键技术进行 更加深入的研宄，希望得到更好的网络性能。在实际应用中，无线传感器网络有其不可替代 的优势，例如，分布范围广，可以工作在恶劣的环境中，成本价格低廉等。可以预见，无线传 感器网络的发展前景将不可估量。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于重复博弈的节能路 由方法。在分簇阶段采用非均匀分簇的方法，将节点剩余能量、拓扑结构和传输距离综合考 虑，使靠近Sink节点的簇头数目增加，避免了能量空洞现象；在数据传输阶段采用重复博 弈模型，假设所有节点都是自私而理性的，综合考虑节点历史转发概率、剩余能量和收益， 在互相博弈过程中寻找最佳路由。仿真结果表明UCRG算法可以有效的延长网络生命周期， 均衡网络能耗。
[0006] 技术方案：一种基于重复博弈的节能路由方法，主要包括两个阶段：成簇阶段和 数据传输阶段。
[0007] 网络初始化时，首先是Sink节点计算自己到网络所有节点的通信距离，并找出其 中的最大值(1_和最小值dmin，并广播(1_和dmin、定时上传数据的时间间隔和Sink节点自 身的位置信息；节点收到广播信息后，存储广播内容，并设置身份标识Flag为0,计算自己 的竞争半径R，并广播自己的原始编号ID、位置信息、竞争半径R、和当前剩余能量E(t)。
[0008] 在成簇阶段，采用非均匀分簇的思想，越靠近Sink节点，成簇越密集。所有节点首 先根据公式计算自己的权值和簇头竞争半径，权值最大的节点成为簇头，位于该簇头竞争 半径之内的节点成为它的成员节点，第一个簇形成。剩余节点更新自己的邻居群和权值，继 续重复该成簇的过程，直到所有节点至少是簇头节点或者成员节点之一，成簇阶段结束。
[0009] 在数据传输阶段，所有簇头节点作为理性参与者进行重复博弈，它们都具有完美 的记忆力，监测并记住所有节点在每个阶段的历史行为，这就使得节点不敢为了私人利益 偷偷丢弃数据，提高簇头之间的协作性。与Sink节点距离大于通信半径D并且有数据需要 转发的簇头，首先评估邻居簇头的可信度，向最可信的簇头发送请求路由：若该簇头选择协 助转发，则向其发送数据；否则，继续向次优下一跳发送路由请求。收到路由请求的簇头也 要反向评估上一跳簇头的可信度，若该可信度大于阈值Fit，选择协助转发数据，继续在自 己的邻居里寻找自己的最优下一跳；否则，拒绝转发。该过程不断重复，直到簇头与Sink节 点的距离小于通信半径D，就直接将数据发送给Sink节点。这样，一次路由过程结束。
【附图说明】
[0010] 图1为重复博弈过程描述图；
[0011] 图2为非均匀分簇原理图；
[0012] 图3为基于博弈论的数据传输过程图；
[0013] 图4为UCRG算法实现流程图；
[0014] 图5为初始化阶段节点随机分布图；
[0015] 图6为非均匀分簇示意图；
[0016] 图7为网络总能量随轮数变化图；
[0017] 图8为网络存活节点数目随轮数变化图；
[0018] 图9为网络生命周期随网络节点数目变化趋势图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0020] 重复博弈路由策略
[0021] 重复博弈过程中，如果只是多次的动态博弈的单纯重复，将会导致参与者的背叛 行为，使得协作变得困难。一般路由协议都是假设转发过程中下一跳节点会帮助自己完成 转发任务，但在实际应用中并非如此，部分节点会自私的偷偷丢掉数据包，即通过背叛行为 来获取收益。这是因为参与者不需要担心此次背叛行为对未来收益的影响，其他参与者不 会发现此次的背叛行为，也不会对该参与者进行任何的惩罚。但是，如果背叛行为会带来相 应的惩罚，那么参与者在做出决策时就不得不考虑此次拒绝对未来收益的影响，如果此次 背叛得不偿失，那么参与者就会被迫的参与到协作中来，应用到无线传感器网络中，也就保 证了数据传输的成功率。
[0022] 为了加强无线传感器网络节点之间的协作，假设所有参与者具有完美的记忆能 力，也就是说每个节点不但知道其他节点的所有行动，而且也都知道自己在每个阶段中上 一次所采取的的行动：拒绝（背叛）或者转发（协作）。（在重复博弈中，参与者之间进行 多次交互，每个交互称作一个阶段。）节点此次的拒绝行为，其他所有节点都可以看到并记 住，这必然导致背叛节点的未来收益受损，所以节点在选择策略时会进行更加谨慎的权衡。 这对于整个网络而言，加强了节点之间的协作，减少数据包的丢失，提高了数据传输的可靠 性。
[0023] 簇头节点在簇间进行数据多跳转发的过程，就可以看做一个重复博弈的过程。图 1描述了这一博弈思想策略：假设节点A有数据需要转发，它寻找下一跳中继节点是就需要 进行权衡。如果用一个可信度函数来描述A节点对于邻居节点的相信程度，那么为了保证 自己的数据顺利到达Sink节点，A节点必然选择可信度最高的邻居节点发送路由请求，希 望得到协助转发。假设在所有邻居节点中，节点B的可信度函数值最大，也就是说，对A而 言，目前最可信的下一跳节点是B，那么A就会向B发送路由请求，如果请求被接受，A就向 B发送数据；如果请求被拒绝，那么A就只好继续寻找剩余邻居中可信度最高的节点帮忙。
[0024] 节点B在收到路由请求后，也会考虑要不要帮助A节点，它通过考量A节点各方面 的情况，对A的可信度给出一个评估，如果该评估满足它对最低信用的要求，节点B就会选 择帮助转发；否则，节点B就会拒绝帮助A。该过程重复，直到数据发送到Sink节点。为避 免路由环路，节点B的下一跳节点应该不包括发送路由请求给自己的上一跳节点A。其他所 有节点都会观察到这一过程，并且完美记忆节点A和B的策略选择，方便自己以后选择最优 下一跳节点。也就是说，所有收到路由请求的节点在做出决策时，都会进行长远的考虑，判 断协作或者拒绝行为对未来收益的影响情况。
[0025] 该重复博弈模型，不仅考虑了本次行为会带来的收益，还考虑了博弈的历史记录 情况，由此在均衡网络能耗的同时还可以很好的促进参与者之间互相的协作。
[0026] 基于重复博弈的UCRG算法
[0027] 在已有的面向博弈的分簇路由算法中，虽然博弈论的应用很好的节约了网络能 耗，但分簇过程往往忽略了能耗问题，比如簇头节点的能耗。或是在路由选择中，仅仅考虑 下一跳的位置信息而忽略其剩余能量问题，这样就过度依赖于距离"理想最佳下一跳"最近 的节点，也会使得该节点由于转发任务过重而提前死亡。
[0028] 本发明针对以上