[发明专利]无线传感器网络中基于链式博弈的协同传输方法

摘要

无线传感器网络中基于链式博弈的协同传输方法，通过建立两阶段链式博弈模型来实现协同节点集的确定和各簇内本地通信及各簇与汇聚节点之间远距离通信时的发送功率的分配，以此延长网络生存时间。在第一阶段，以各簇为参与者，利用非合作博弈的思想来建模以期获得各簇合理的发送功率，并加入了一种基于发射功率和链路增益的代价机制，以保证公平性。在第二阶段分别针对各簇，利用联盟形成博弈的思想来建模，以简单易行的合并-分裂运算法则和帕累托顺序占优的联盟集合偏好评判准则来获得稳定的联盟结构，以确定该簇的协同节点集。各簇的参与协同的成员节点连同簇头节点一起将待发送信息经分布式空时编码后，再实现与汇聚节点的通信。

主权项

1.一种无线传感器网络中基于链式博弈的协同传输方法，其特征在于：第一步：在一个基于CDMA的无线传感器网络中，存在位于任意位置的汇聚节点SN，多个传感器节点任意分布在其周围，这些传感器节点根据分簇协议进行分簇，形成了M个簇的无线传感器网络，且这M个簇分别标记为C₁，C₂，...，C_i，...，C_M，其中M为正整数，i为[1，M]范围内任一正整数，在每个簇C_i中，拥有一个簇头节点CH_i，N_i个处于激活状态的簇内成员节点CN_i，1，CN_i，2，...，CN_i，j，...，其中N_i为正整数，j为[1，N_i]范围内任一正整数，这样，簇C_i内的节点集表示为同时，在簇形成后，簇内成员节点会向簇头节点CH_i发送加入簇C_i的确认信号，CH_i从确认信号中获知各簇内成员节点的剩余能量以及簇头节点CH_i与各簇内成员节点之间的信道状态信息和信道增益值第二步：每个簇C_i内的簇头节点CH_i向汇聚节点SN发送请求发送信号RTS，这样，汇聚节点SN通过请求发送信号RTS获悉汇聚节点SN与每个簇C_i内的簇头节点CH_i之间的信道状态信息和信道增益值第三步：汇聚节点SN向各簇的簇头节点广播清除发送信号CTS，所述的清除发送信号CTS中含有汇聚节点SN与各簇C_i内的簇头节点CH_i之间的信道增益值以及预先为各簇设定的发送功率p_i，同时，将视为簇C_i与SN之间的信道增益值，即第四步：建立非合作博弈模型G₁，所述的非合作博弈模型表示为：其中，非合作博弈模型G₁的参与者集合为无线传感器网络中并存的各簇，即P为非合作博弈模型G₁的功率策略集合，且P＝(p₁，...，p_i，...，p_M)，p_i为簇C_i的功率策略集合，u_i(p)为效用函数，且p表示所确定的发送功率向量，即p＝(p₁，...，p_i，...，p_M)，其中，p_i为簇C_i所确定的发送功率，i为[1，M]范围内任一正整数，本发明以可达速率Blog₂(1+γ_i)来定义效用函数，且加入基于发送功率和信道增益的代价机制，具体表示为：u_i(p)＝Blog₂(1+γ_i)-a_ip_i|h_i，SN|²，∀i∈[1,M]]]>其中，W为总带宽，B为未扩频带宽，为各簇与汇聚节点之间远距离通信时的接收端的噪声方差，a_i为簇C_i的代价因子，取值为正实数，且簇C_i的发送功率上限值为p_max，i，具体的发送功率的迭代更新过程如下：(1)簇C_i以清除发送信号CTS中汇聚节点所设置的发送功率作为初始发送功率值即(2)计算第n次迭代时各簇C_i应确定的发送功率值，n＝1，2，3，...，发送功率值应该满足即对该簇C_i的效用函数u_i求关于的导函数，并令其为零，从而得到当前迭代中簇C_i应确定的发送功率值具体可表示为：(3)判断上步骤中获得的当前迭代中簇C_i所确定的发送功率更新值与上一次迭代获得的发送功率值之差的二范数是否小于ε，其中ε为预先设定的较小数，它的取值依据系统对收敛速度和精度的要求而定，若满足二范数小于ε，则跳出迭代循环，此时所获得的发送功率为非合作博弈模型G₁中簇C_i的纳什均衡解，记作该簇C_i最终将以收敛时候的功率值进行发射，若不满足，则各簇将此次迭代的功率更新值发送给汇聚节点SN，再由SN广播给各簇，进入下一次迭代更新过程；第五步：建立用于确定各簇C_i参与簇头节点协同通信的协同节点集的联盟形成博弈模型，分别表示为i为[1，M]范围内任一正整数，其中参与者集合由簇C_i内的节点集表示，即v_i为联盟形成博弈模型G_2，i的特征函数，为联盟结构，L取正整数，表示中的联盟个数，且1≤L≤N_i+1，S_i，l和S_i，m均为其内的任一联盟，且1≤l≤L，1≤m≤L，l≠m，具体过程如下：(1)将各簇C_i内的每个节点分别作为一个联盟，形成初始联盟结构其中2≤l≤N_i+1；(2)簇头节点CH_i依照簇C_i内各个簇内成员节点的评价因子的值的大小，且为分簇形成后簇内成员节点各自的剩余能量，按从大到小的顺序重新标记簇C_i的初始联盟结构下除外的其余联盟，获得排序后的初始联盟结构依次标记为且S~i,10=Si,10;]]>(3)在排序后的初始联盟结构下，基于本发明所设计的特征函数利用特征值计算方法计算簇C_i内各节点所获得的特征值xkS~i.l0,∀k∈S~i,l0,∀S~i,l0∈S~i0;]]>所述的特征值计算方法为：若各簇C_i的联盟形成博弈模型G_2，i中，簇头节点CH_i和其他簇内成员节点在单位时间里消耗的能量分别表示为和且分簇形成后各自的剩余能量分别表示为和若只有CH_i与SN通信，则若簇C_i内有簇内成员节点愿帮助簇头节点CH_i完成与汇聚节点SN的通信，则它们构成了CH_i的协同节点集且即为联盟形成博弈模型G_2，i的联盟结构下含有簇头节点CH_i的联盟；簇头节点CH_i利用已获悉各簇内成员节点的信道增益和信道广播特性，计算出它要将信息发至愿参与协同的簇内成员节点所需的发送功率，即其中γ_thr，i为信干噪比门限值，为簇内本地通信时接收端的噪声方差，CN_i，j′为协同节点集中信道质量最差的簇内成员节点，则簇G_i内各节点的生存时间分别为：TCHi=ECHi/eCHi=ECHi/(12×pCHi+12×pi*|Di|+1)]]>TCNi,j=ECNi,j/eCNi,j=ECNi,j/(12×pi*|Di|+1),j∈Di+∞,j∈Ci/{Di∪{CHi}}]]>其中，表示协同节点集中的节点个数；这样，簇C_i的网络生存时间表示为：Ti,net=min{TCHi,TCNi,1,...,TCNi,j,...,TCNi,Ni}]]>本发明基于网络生存时间来设计特征函数，则联盟形成博弈模型G_2，i为效用不可分特征型联盟形成博弈模型，且有其中，为联盟S_i，l内的节点数，k用来标记属于联盟S_i，l的节点，为节点k的特征值，联盟S_i，l的所有节点的联盟值构成向量(4)从排序后的初始联盟结构开始，经过迭代的合并-分裂运算法则来获得效用不可分特征型联盟形成博弈模型G_2，i的稳定的联盟结构，具体为：①合并运算a)联盟到联盟范围内的所有联盟构成当前被合并候选联盟集合，联盟在当前被合并候选联盟集合内按从联盟到联盟的顺序依次寻找符合合并条件的联盟，联盟一旦找到符合合并条件的联盟，就将它作为当前被合并联盟，联盟与该当前被合并联盟合并，形成当前合并联盟b)当前被合并联盟的下一个联盟到联盟范围内的所有联盟构成当前被合并候选联盟集合，当前合并联盟在当前被合并候选联盟集合内按从当前被合并联盟的下一个联盟到联盟的顺序依次寻找符合合并条件的联盟，当前合并联盟一旦找到符合合并条件的联盟，就将它作为当前被合并联盟，以实施合并运算，形成当前合并联盟c)重复步骤b)，直到当前合并联盟已尝试过与联盟合并为止，此时形成合并运算阶段的最终联盟其它剩下的簇内节点成员单独构成联盟，这样就形成了新的联盟结构所述的合并条件为：若联盟形成博弈模型G_2，i中的联盟结构下的任意联盟S_i，l与联盟S_i，m合并，形成联盟{S_i，l∪S_i，m}，若联盟{S_i，l∪S_i，m}帕累托顺序占优于联盟集合{S_i，l，S_i，m}，此时可记为则联盟S_i，l与联盟S_i，m实施合并，其中帕累托顺序占优是指在联盟{S_i，l∪S_i，m}内的各节点所获得的特征值不小于在联盟集合{S_i，l，S_i，m}内的各节点所获得的特征值，且其中至少有一个节点所获得的特征值是绝对大于的情况；②分裂运算罗列出联盟的除空集以外的所有可能的子集，分别构成针对联盟内的节点的联盟集合其中，为联盟的节点数目，寻找其中的联盟集合f为内的一正整数，它帕累托顺序占优于其它联盟集合，即且为内的一正整数，则联盟集合与新的联盟结构中除联盟外的所有联盟构成所获得的稳定的联盟结构其中含有簇头节点的联盟中的所有簇内成员节点就构成了协同节点集第六步：各簇C_i的簇头节点CH_i以发射功率将待发送的信息广播给协同节点集中的簇内成员节点，CH_i与协同节点集中的簇内成员节点一起对待发送的信息进行分布式空时编码，它们均以发射功率实现与汇聚节点的远距离协同通信。