分簇协议，基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法

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本文导读目录：

1、分簇协议，基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法

2、分簇协议，韩宇星团队：认知无线传感器网络分簇路由算法及在农业物联网中的应用现状

分簇协议，基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法 ♂

基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法

朱亚东，高翠芳

（.江苏联合职业技术学院 信息中心，江苏 南京；.江南大学 理学院，江苏 无锡）

为了平衡能量消耗，延长网络寿命，提出基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法——-。-路由的目的是使节点能耗均衡，进而延长网络寿命。首先，将发送节点的传输范围划分几个转发子区域，然后再结合进化博弈论( )，从平衡负载角度，从转发子区域内选择一个转发子区域，再利用贪婪算法从此转发子区域内选择一个节点作为下一跳的转发节点。通过进化博弈论和贪婪算法( )平衡负载，缩短传输距离，有效地降低地能量消耗速度，进而延长网络寿命。仿真数据表明，提出的-协议能够有效地平衡能量消耗，扩延了网络寿命。

无线传感网；路由；能量均衡；进化博弈理论；贪婪

中图分类号：

文献标识码：

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中文引用格式： 朱亚东，高翠芳. 基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法[].电子技术应用，，()：-，.

英文引用格式： ， . - - []. ，，()：-，.

引言

提高节点能量利用率、扩延网络寿命成为无线传感网络( ，)的研究热点[]。通过协调节点间通信来平衡网络能量消耗，是提高网络寿命最为有效的技术之一[-]。在这些技术中，路由决策起着重要作用，因为路径的选择直接影响到节点能量消耗[-]。

由于地理路由协议( ，)无需建立路由表，也无需进行路由发现和路由维护，使得非常适用于无线传感网络。典型的地理路由协议有( )[]、[]、[]、[]、[]、( )[]、[]、[]。地理路由协议的不足之处在于它没有从全局考虑网络信息，对于无线传感网络而言，能量利用率是非常重要的性能指标[]。

为此，本文针对地理路由协议的特性及其不足，利用进化博弈理论( ，)，平衡了网络能量消耗。通过建立平衡能量消耗的方案，进而扩延网络寿命。此外，能够在全局信息未知的环境下进行正确的决策。

-算法

-算法目的是平衡网络能量消耗，使得节点的能量消耗速度相近。依据节点密度，源节点将其传输范围划分为个子区域。首先利用基于的区域选择算法(- ，-)选择下一个转发子区域，然后再利用贪婪地理算法选择转发节点。

如图所示，源节点将它向目的节点的传输方向的邻居节点划分了个区域，分别为、、、。然后，利用-算法，为当前数据包选择了一个转发区域。假定选择了作为当前数据包的转发区域，最后，再在区域，利用贪婪转发算法选择离目的节点最近的节点作为转发节点。

. 基于的区域选择算法-

复制动态在每个博弈理论间隔进化一个新的数据包分布矢量[]，不断进化，直到得到最优的分布矢量*。实际上，计算分布矢量*的关键在于设计适度函数( )，适度函数()的定义如下：

其中、分别节点接收、发送一个数据包所需的能量。

. 复制动态

从子区域到子区域的切换概率，()，其与两个子区域、的适度函数相关，如式()所示。

从子区域到其他所有子区域的转换概率之和应等于：

因此，复制动态的差异值反映了子区域的流入和流出的数据包净差：

因此，对于仅有两个子区域的场景，利用式()，可计算过渡概率矩阵：

当所有子区域的流入和流出数据包相等时，系统就到达稳定状态。

. 进化均衡

性能分析

利用++.网络仿真器建立仿真平台，仿真参数如表所示。传感节点随机分布于二维的× 区域。

提出的-协议与种随机选择方案进行比较。这种随机选择方案分别为：()随机+随机（+）：表示随机选择转发区域，并且也随机地选择转发节点；()（-+）：利用-算法选择转发区域，然后再从转发区域内随机地选择转发节点；()随机+（+）：随机地选择转发区域，然后再利用贪婪算法从区域内选择转发节点。

. 网络寿命

本次实验中，数据包产生率为 /，节点数从～变化，仿真结果如图所示。

从图可知，网络寿命随节点数的增加呈上升趋势。正如预期的，+方案的寿命最短，依次为+、-+，而提出的-协议最高。原因在于-+方案利用-算法选择转发区域，平衡网络能量消耗速度。此外，从图可知，提出的-协议的网络寿命比+、-+分别提高了近%、%。

. 平均每个数据包的能量消耗

本次实验分析向目的节点传输一个数据包所消耗的平均能量，实验数据如图所示。从图可知，提出的-的能量消耗比+下降了约%。原因在于：-协议中的每个节点利用纳什均衡做出最优的转发决策，从能量均衡角度选择转发区域，而随机选择增加了能量消耗。

结论

针对无线网络路由问题，本文提出了基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法-。-算法通过平衡网络能量消耗，提高网络寿命。-首先将数据包携带节点的传输范围划分几个转发子区域，然后再利用进化博弈算法，从中选择一个子区域作为转发区域，再从选择的子区域内，利用贪婪算法选出下一跳转发节点。仿真结果表明，提出的-协议的网络寿命比随机选择下一跳转发节点(+)高了近%，能量消耗下降了%。

参考文献

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[] 罗四维，侯孟书，周益民.一种新的基于能量消耗速率模型的分簇路由协议[].计算机科学，，()：-.

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分簇协议，韩宇星团队：认知无线传感器网络分簇路由算法及在农业物联网中的应用现状 ♂

韩宇星团队：认知无线传感器网络分簇路由算法及在农业物联网中的应用现状

本文节选自：

汪进鸿, 韩宇星. 用于作物表型信息边缘计算采集的认知无线传感器网络分簇路由算法[]. 智慧农业（中英文）, , (): -.

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认知无线传感器网络分簇路由算法及在农业物联网中的应用现状

分簇路由

自年，等首次在研究论文中提出，其对分簇路由协议的研究就从未停止过。王继红和石文孝在年对近年的分簇路由协议按时间触发和事件驱动两个方面进行了分类综述总结。相关的分簇路由协议前人已经做了大量工作，然而，针对农业物联网的分簇路由算法的考虑因素、考虑频谱可用性变化、保护主用户、跨层设计、数据通信等方面还有待开发。本节将从网络的重新分簇机制、能耗均衡研究以及簇内与簇间通信的设计模式方面对近年的分簇路由的研究进展进行介绍。

重新分簇机制只在少数几篇文献中提到，对其如何检测主用户活动以及触发机制细则没有进行详细说明；年，在等提出的分布式频谱感知分簇（ - ，）文献中，首次提到主用户活动和节点位置变化引发重新分簇；年，的事件驱动频谱感知分簇路由 （- - ，）只对频谱变化的局部区域进行重新分簇，从重新分簇覆盖面积方面进行了优化；—年，相继问世的认知低功耗的自适应分簇层次结构（ ，）、基于的集中式概率分簇算法（ ，-）和低能耗自适应非均匀分簇算法（- ，）等因为是低能耗自适应分簇协议（ ，）的认知无线电扩展版本，所以也继承了高频重新分簇而消耗大量能量的缺点；年，能量感知的事件驱动分簇路由协议（ - ，） 和分布式事件驱动聚类路由针对重新分簇的频率进行了优化，它们选择公共数据信道时考虑了每个信道主用户出现的概率和平均空闲时间，从而降低了更改公共数据信道和重新分簇的频率。本研究为了保护主用户和提高监测任务的通信服务质量提出一种基于频谱变化和通信服务质量（ ，）的自适应重新分簇机制。

的分簇路由采用的能耗均衡策略主要有种：（）同构网络通常采用非均匀分簇在拓扑控制层面增大网络的能耗均衡性，即通过调整竞争半径令离越近的簇覆盖的簇成员节点（ ，）数目越少，使得靠近区域更多节点担任一个簇头节点（ ，）分解转发的压力。（）将能耗均衡性与分簇机制、触发原因、簇数、空闲信道、节点度、节点剩余能量和距离等因素之间的关系进行建模优化。（）采用异构网络节点，调整异构节点的比例或令靠近区域需要频繁数据转发的节点由固定的高能量节点担任簇头。本研究针对同构多跳传输网络中能耗均衡性与低能节点空间分布的关系——靠近区域易出现频谱空洞引起能耗不均衡，提出一种去能耗中心化的能耗均衡策略。

在簇内与簇间通信的方案设计上，分簇路由的簇内汇聚主要采用时分多址（ ，）调度机制，由簇头节点在簇信道上对簇成员节点进行调度，对于大面积规模的网络簇内节点单跳无法传输簇头节点的情形目前还没有解决方案。和冲突和能量感知路由方法（ ，-）是从相邻的簇头节点中选取网关节点进行簇间中继，但它们均没有考虑相邻的簇头节点不在彼此通信半径内的情况，没有说明当具有多个相邻簇头节点如何选择；年的频谱感知的分簇路由（- - ，）、高效的多媒体频谱感知分簇路由（- ，）和年的的簇间通信是采用网关节点多跳传输至，但也没有交待具体路由选择机制，例如是选取簇内、簇外还是簇边缘节点作为网关节点；也不能保证簇间传输具有公共信道。据文献统计，目前真正针对多跳建簇且说明路由选择原则的只有年的认知无线传感器网络的机会集中式时隙分配（ ，）和年的。其中，的簇间通信是选取一跳邻居在簇外的成员节点作为中继网关节点，但其没有考虑一跳邻居在簇外的成员节点为空的情况。通过相邻节点合并构建分簇可以保证节点簇间通信的至少有一条公共信道，同时采用主次网关节点（网关节点和包转发节点）中继通信选择机制考虑了的不足，即主网关节点为空的情况；它只是针对簇间传输的解决方案。本研究提出将簇内汇聚按节点能否单跳传输至簇头节点分为直传和簇内中继转发两种形式。

在农业物联网中应用现状

近年，在基于农业物联网的作物表型信息采集系统中，凭借其高效的频谱利用特性逐渐引起了学者的关注。年， .无线区域局域网（ ，）工作组成立，负责认知无线电物理层和协议标准的制定，包括制定认知设备在电视频谱中使用的标准;年，阿尔及利亚的研究人员设计了一种利用蜂窝频段进行传输的智能农业远程监测和控制灌溉系统，并通过仿真对提议的方法进行验证;年，美国联邦通信委员会（ ，）已允许将~ 频谱范围内的认知无线电设备用于农业机械和农业设备的数字农业应用;年等开发的系统是以基于物联网平台获取大量特征数据后的生物性状分析算法为研究对象，但具体关于该平台如何从密集部署的传感器节点避免频谱拥堵，以较小的延迟、能耗以及丢包率完成数据的传输，且在固定的电池能量耗尽前，尽量持久地完成作物表型检测任务，即对传统的物联网平台在密集部署的终端中暴露出的路由传输问题，没有进行详细说明;年，等在平台的基础上开发了具有分布式植物表型信息交互和集中式数据管理两部分功能的系统，系统采用的有线和无线两种数据传输方式。有线传输的方式可以避免出现平台的路由问题，但需要较高的成本;同年，和介绍了数字农业在认知物理层的合作叠加方法，所提认知直接序列扩频（ ，）方法通过在非认知用户之间进行信息交换来获取频谱同步、多用户解码、中继和协作。

国内在植物表型组学和一些保护性农业中的物联网研究也具有较大的进展。丁么明和夏洪星分析了农业物联网及其面临的频谱资源危机，并提出用认知无线电技术组建传输网与感知子网来缓解其频谱危机。杜红等分析了农业物联网中的频谱资源的使用情况和认知无线电在农业物联网中的应用可行性，并介绍了一种基于认知的农业物联网的网络架构;同诗杨等探讨了在农业物联网中的两种认知频谱检测算法，即改进型的双门限协作频谱检测算法和基于信噪比加权的改进型算法。从年开始，国内逐渐出现基于蜂窝授权频段的窄带物联网（ ，-）与无线传感网相结合的现代农业物联网的研究进展，包括基于-的节水灌溉系统和基于电信-平台的作物监测系统；张敏设计了一种基于认知无线电的网络结构。由南京农业大学作物表型组学交叉研究中心和荷兰的、和公司联合开发高通量多光谱植物激光三维扫描测量系统、温室传送型高通量植物表型平台和高通量小型植物光合表型测量系统可对植物进行深入的高通量表型信息测量，由于植株之间的间隙较小，多个密集部署的传感器节点在进行图像等高通量数据的无线传输时必然会引起频谱冲突，因此引起认知无线电的农业物联网恰恰可以缓解这一传输瓶颈。同年，等介绍了终端设备所要面对的复杂恶劣的监控环境和限制传感器网络在智慧农业中大规模应用的重要因素——成本问题。此外，提到为了避免频繁的更换电池，迫切需要开发低功耗的采集设备、节能的路由协议和能量平衡的通信算法。

目前认知无线电与农业物联网的融合大多还处于理论研究阶段，还未发现有将应用于作物表型信息采集的例子。认知农业物联网的理论研究主要是集中于物理层和数据链路层协作频谱感知算法，其网络层路由选择算法相关的研究成果相对较少。本研究就针对在作物表型信息采集中的应用，综合考虑了密集节点触发产生的高通量数据传输的困境和其它农业物联网领域未来极大可能出现频谱缺乏趋势，结合前人的相关研究，建立了基于边缘计算事件驱动的表型信息采集仿真模型，提出了一种动态频谱和能耗均衡的分簇路由算法。具体贡献如下。

（）、-和继承了可能存在簇的大小差异很大的缺点，由试验证实各个分簇大小的差异性是影响网络频谱利用率和能耗的重要指标，但传统的聚类分簇路由很少考虑该因素。算法在分簇过程中对各分簇大小的平衡性引入奖励和惩罚因子，提升网络各分簇平均频谱利用率，也有利于能耗均衡。

（）文献中提到现有的事件驱动分簇路由协议没有解决与主用户信道可用性变化兼容的问题。算法在数据路由过程中，持续性地进行主用户行为监测，一旦检测到可用信道改变即触发重新分簇。提出基于频谱变化和的自适应重新簇：基于主用户行为变化引起的可用信道改变，或分簇效果不佳对通信服务质量产生的干扰，触发进行自适应重新分簇。

（）本研究监测区域以为中心，考察网络中能耗均衡性与低能节点分布的关系——靠近区域过早地出现能量空洞而引起能耗不均衡。为此提出一种新的能耗均衡策略去能量消耗中心化，即在网关或簇头节点选取计算式中引入与节点到的距离成正比的权重系数，从而削弱越靠近的节点具有越大概率当选网关或簇头节点的趋势，提高网络的能耗均衡性。

（）本研究采用层次聚类的相似度选择机制虽然有考虑节点距离这个因素，但在大规模的农业物联网应用中，这种分簇算法由于融入簇头轮换和重新分簇机制，经常会出现簇内节点单跳无法直接与簇头进行通信的情况。本研究将簇内节点单跳传输至簇头节点划分为两种情形：簇头节点在当前簇成员节点传输范围内，以直接传输至簇头的方式传输；簇头节点位于当前簇成员节点的通信半径以外，从簇内其它簇成员节点中选择一个靠近簇头节点的上行节点为网关节点进行中继转发。

作者简介

韩宇星 教授

韩宇星，博士，华南农业大学电子工程学院教授，博士生导师，广东省杰青。韩博士于年在香港科技大学电子工程专业取得学士学位，年在美国洛杉矶加州大学 () 电子工程专业取得博士学位。韩教授的主要的研究方向为智慧农业、人工智能、边缘计算、区块链、大数据、视频图像处理等方面，其论文作为第一作者与通讯作者被余个国际顶尖会议期刊收录，其中 论文余篇，最高影响因子.，论文总引用余次，最高单篇引用余次。担任世界传媒论坛理事会成员兼中国区主席，世界虚拟现实论坛中国区主席，国际精准农业航空学报执行主编。曾荣获全球著名测评机构 & 评选的年度全球最佳科技应用奖，连续荣获年和年日内瓦国际发明博览会金奖，荣获年 最佳论文奖（为我国首次获得该奖项）

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《智慧农业（中英文）》（季刊）是由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院农业信息研究所主办，《智慧农业（中英文）》编辑委员会学术指导，《智慧农业（中英文）》编辑部编辑出版的国内外公开发行的农业科学类学术期刊。期刊聚焦农业信息技术发展前沿与热点，刊载和传播国内外最新研究成果，通过搭建高水平学术交流平台，引领学术研究方向，服务行业科学决策，培养高水平创新人才，促进学科发展。期刊于年被评为“中国农林核心期刊”。

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