基于博弈论的QoS协作WSNs路由算法

1、基于惮弈论的QoS协作WSNs路由算法摘要：针对无线传感器网络中各个节点之间通信路由单一、无法充分调动合适的路由 节点用于下一跳协作通信而浪费不必要的带宽、时延和能耗，提出一种基于博弈论的QoS协 作路由算法(QACR),通过研究各个传感器节点的距离、能耗速度与QoS需求量之间的博弈关 系，建立基于QoS需求的博弈模型。将协作通信和路由机制相结合，在博弈模型的理论基础 上为中心节点选择一个或者多个中继廿点，共同协作将数据包发送至目的地址。仿真验证结 果表明，这种方法可以减少盯点通信的能量消耗和网络延迟，避免网络由于能耗过快、节点 死I二率过髙而导致的网络断层或瘫痪，保证网络的可靠性QoS需求。

2、关键词：博弈论；QoS：协作通信：无线传感器网络；路由协议中图分类号：TN915?34；TP393文献标识码：A文章编号：10047373X (2016)16?0108?04Abstract： In wireless sensor networks the communication route among nodes is single, can not be fully mobilized, and cause the unnecessary waste of bandwidth delay and energy consumption Therefore a QoS cooperativ

3、e routing algorithm based on game theory is presented in this paper A game model based on QoS demand is established by studying the game relationship between energy consumption rate and distance of each sensor node and demand of QoS In combination with the cooperative communication and routing mecha

4、nism one or more relay node is selected for the central node on the basis of the game model theory to transmit data packets to the destination address The simulation results show that this method can reduce the energy consumption and network delay of the node communication, and avoid network fault a

5、nd paralysis caused by excessive energy consumption, high node mortality caused, so as to improve network reliabilityKeywords： game theory： QoS： cooperative communication： wireless sensor network： routing protocol0引言在人机交互愈加频繁的现代科技世界中，人类对事物感知的精确度和实时性需求越来越 髙，环境监测、交通管理、国防军事和国家安全以及一些应急通信应用需要优良先进的网络 部署和业

6、务承载方案。无线传感器网络(WSNs)能够实现传感器肖点在监控区域内检测数据， 并能自由地组网通信，具有广阔的应用前景。由于无线自组织网络节点能量有限，WSNs现在 而临最重要的问题是如何在不影响其自身通信性能的前提下有效延长网络的生命周期，保证 网络的QoS需求。目前有大量学者在对改进WSNs性能方而做岀了很大的贡献。文献1首次提出了著名的 LEACH算法，利用分布式方法在传感器节点群中以一定的槪率竞争簇首节点(CHs),极大降 低了节点在数拯通信中耗费的能量，但无法在全局协同的情况下确左合适的CHs数量，维持 CHs与成员右点数量、网络能疑消耗速度以及节点寿命的平衡稳泄。博弈论用来研究某些

7、活 动参与者的行为在一些主动或被动作用的影响下的决策方式与均衡问题。它已被广泛的应用 在WSNs的优化和配置中，李明欣等人对非合作博弈的无线资源分配中的纳什均衡点的存在 性和惟一性进行论证2,用接入控制算法动态地调整网络中某一区域分配的连接数量，保证 通信的可靠性。鄢旭等人针对WSNs功率分配优化需求3,利用非合作博弈原理，将功率分 配问题转换为信干噪比收益，利用节点移动特征在转发过程中减少消息的复制转发次数，为 节点提供发射功率策略，提高消息递交率并降低网络能耗。本文提岀一种基于博弈论的QoS协作路由算法（QACR）,针对无线传感器网络中各个盯点 之间通信路由单一、无法充分调动合适的下一跳肖

8、点用于协作通信而浪费不必要的带宽、时 延和能量等问题，研究各个传感器节点的距离、能耗速度、协作传输能力与QoS需求量之间 的博弈关系，建立基于QoS需求的博弈模型：并将协作通信和路由机制相结合，通过为路由 上的节点选择一个或者多个中继节点协助发送数据包，以减少节点的能量消耗和网络延迟， 避免网络由于能耗过快、节点死亡率过高而导致的网络断层或瘫痪，保证网络可靠性和QoS 需求。1网络协作通信架构WSNs节点通常随机散布于广阔的监测区域中，采用分簇协作的网络模型，如图1所示。簇内盯点将采集到的信息发送到CHs经数据融合后统一发送至基站（Sink）,当CHs无法 与Sink直接通信时，就必须建立中继

9、节点连接CHs之间的通信。本文将协作通信与路由机制 相结合，通过为路由中的节点选择一个或者多个中继肖点协助转发数据包，实现CHs间的协 作通信。采用的WSNs模型具有以下特点：（1） WSNs中的N个传感器盯点随机分布在边 长为L的正方形区域中，无线传感器网络G （N, E, W）中存在节点ni及其邻居节点mi：（2）节点ni可以通过某条路由eij=ni, nj将自己的数据转发，总的路由集合为E：（3）节点ni与nj之间的距离为dij,最大距离为R,由此得：?ni, njGN, dijW R?ni, njGE：（4）CHs负责数据融合和外界通信；Sink Yj点是固左的、可维护的并且有足够的能

10、量 供应；（5）所有节点具有相同的规格和有限的能源供应，都可以充当CHs和成员节点。节点 初始能量为Estart,并且所有节点的能量阈值都为Ethres,在经过每轮的数据传输之后 节点剩余能量为Eremaino在数据传输之前，每个簇群需确立自己的协作传输单元来协调数据的汇聚和发送。作为 协作传输单元的成员节点（中心节点）在网络簇群中有大星的邻居节点（数目为n）,当n越 大时，该中心节点就具有很强的能力来为内部节点传送数据，因此中心节点就必须保证自己 有足够的剩余能量，用于维持作为协作传输单元的成员节点的能量消耗和生存时间。根据节 点的舒适能疑和剩余能量得岀节点协作传输能力的评估公式为：C二 X

11、 n+ (1-X ) EstartEremain. (1)QoS用来衡量网络路由效用的可靠标准。通过研究网络链路质量中各参数的彫响程度， 计算出每个节点ni的偏移度参数Oi和敏感度因子 i0 ti2,，tii-1, tii,，网络效益函数：同所有博弈模型一样，网络需要在花费一泄代价的前提下才会有效益岀 现，因此必须权衡最优的路由选择作为博弈策略，以将数据发送到目的地址为效益体现。设需转发数据的CHs对QoS的需求量为Q二(QI, Q2,，Qi,，Qk),不同节点QoS 之间的竞争因子为耳，ne(0, 1时，备选节点QoS无差异：M二0时则说明这个廿点的 QoS具有极强的路由优势6。计算出节点n

12、i对应QoS需求向量的效率因子为：ei=C21-i=lki (4)网络中的成员节点进行通信时能量消耗速度越大，则节点的生命强度就越弱，容易导致 整个无线传感器网络过早衰竭或瘫痪。而中心节点ni与中继节点nj之间的距离也是决圧网 络肖点协作通信性能的重要原则之一，选择合适的中继节点可以避免不必要的数据冗余和延 迟。本文提出的博弈模型的效用函数基于网络QoS需求量Qi、节点的能耗速度vi, ni与nj 之间的距离dij以及节点协作传输能力C,路由选择博弈模型中的总效用函数为：P (Q) =Ci=lKQiEi-i=lKQi22-i=lKQidijvi-n i?6JQiQjl (5)当P (Q)的值最

13、大时便可得到最佳的QoS需求量，对式(5)中的Qi求导得：?PQ?Qi二eiC-Qi+n iHjQj-dijvi (6)Qi 二 eiC+niHjQj-dijvi (7)令式(6为零，当式(7)成立时，路由选择博弈模型的总效用函数达到最大，此时， WSNs中的节点可以在能量消耗、通信延迟以及数据冗余最小的情况下，成功传输数据至目的 地址。这样便可延长网络的生命周期，满足网络QoS需求。路由选择发生时，中心节点与中 继肖点之间就会开始一场选择与判断转发的博弈过程。此时发送协作传输的肖点与每一个邻 居协作传输肖点成为博弈的参与者，根据石点的QoS需求量以及博弈效用值判断路由决策， 选择合适的路由传

14、送数据。2李明欣，陈山枝，谢东亮，等.异构无线网络中基于非合作 博弈论的资源分配和接入控制J.软件学报,2010, 21 (8)： 203772049.3 鄴旭，陈晶，杜瑞颖，等.基于博弈论的无线网络功率优化模型J.计算机应用研究， 2012, 29 (4)： 148371485.4 赵昕，张新.基于博弈论的无线传感器网络簇间路由选择算法J.汁算机应用,2013, 33 (7)： 181371815.5 SHI T, HAN Z YANG B. QoS evaluation for several typical topologies and routing algorithms of som

15、e WSNs in high?speed railway C_ / Proceedings of 201527th Chinese Control and Decision Conference (CCDC) China： IEEE, 2015： 140271407.6 孙庆中，余强，宋伟基于博弈论能耗均衡的WSN非均匀分簇路由协议J计算机 应用，2014, 34 (11)： 316473169.7 ALSKAIF T, ZAPATA M G, BELLALTA B. Game theory for energy efficiency inwireless sensor networks： latest trends J Journal of network and computer applications 2015,11 (54)：33?61.8 杨云，孔秀平，颜然，等.面向博弈的无线传感器网络自适应路由算法J.小型微型 计算机系统，2013, 34 (10)： 228172285.9 RANI S, NfALHOTRA J, TALWAR R. Energy efficient chain based cooperativerout