基于博弈论的平行结构分布式能量均衡路由算法

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由放置在目标区域的传感器节点组成，这些节点感应周围的环境信息并且自组织成网络向汇聚节点发送信息数据。由于技术在不断的发展，现在传感器网络已经在多个领域产生了巨大的实用价值以改善人们的生活，这些领域包括军事、工业、医疗、环境、灾害和农业等。一般节点都是通过电池对其提供能量，因此能量对网络的生命周期有很大的限制，再加上这些节点通常部署在野外或特殊区域，故反复充电也是不现实的。因此延长WSN的寿命是一个重要的研究课题。传感网络中，汇聚节点周围的节点不但要监测环境，还要帮远处的节点转发数据，因此能量消耗相对于外围节点消耗更快，当这些节点电量消耗完毕时，便产生了所谓的能量空洞。这时外围节点不得不以更大的功率发射数据，那么整个网络就好过早的死亡。因此，良好高效的能量均衡路由算法，在WSN的研究中有着很重要的地位。 本文从两个方面的角度来研究能量均衡的问题，首先在整个网络上采用层次结构来调节节点之间数据的发射功率。不同的层次之间，层距是不同的，而且层距之间的关系是通过严格的理论推导计算的，目的是为了让外层节点和内层节点的能量消耗达到均衡。同层节点之间相互不发送数据，所有节点只向上一层节点发送数据，最内层节点向汇聚节点发送数据，这样还可以天然的保证数据传递的方向性。 在外层节点向内层节点发送数据时，内层节点的选择问题就是从另外一个方面来研究能量均衡问题。本文采取的办法是通过引入马尔科夫博弈来解决这个问题。让内层节点通过竞争的方式来承担外围节点的数据转发的工作，假若自身能量不足，则尽可能选择低概率的转发策略来保证自身的能量，反之则采用高概率的策略。从理论分析和仿真实验可以看出，该算法有效的降低了节点的能耗，平衡了节点间的电能耗损，从而延长整个网络的存在时间。