基于博弈論的QoS協(xié)作WSNs路由算法

郝貴和，張?zhí)鞁?，伍紅英，林家泉

（中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津　300300）

基于博弈論的QoS協(xié)作WSNs路由算法

郝貴和，張?zhí)鞁?，伍紅英，林家泉

（中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津300300）

摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間通信路由單一、無法充分調(diào)動合適的路由節(jié)點用于下一跳協(xié)作通信而浪費不必要的帶寬、時延和能耗，提出一種基于博弈論的QoS協(xié)作路由算法（QACR），通過研究各個傳感器節(jié)點的距離、能耗速度與QoS需求量之間的博弈關(guān)系，建立基于QoS需求的博弈模型。將協(xié)作通信和路由機制相結(jié)合，在博弈模型的理論基礎(chǔ)上為中心節(jié)點選擇一個或者多個中繼節(jié)點，共同協(xié)作將數(shù)據(jù)包發(fā)送至目的地址。仿真驗證結(jié)果表明，這種方法可以減少節(jié)點通信的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲，避免網(wǎng)絡(luò)由于能耗過快、節(jié)點死亡率過高而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)斷層或癱瘓，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性QoS需求。

關(guān)鍵詞：博弈論；QoS；協(xié)作通信；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議

0　引　言

在人機交互愈加頻繁的現(xiàn)代科技世界中，人類對事物感知的精確度和實時性需求越來越高，環(huán)境監(jiān)測、交通管理、國防軍事和國家安全以及一些應(yīng)急通信應(yīng)用需要優(yōu)良先進的網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)承載方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，并能自由地組網(wǎng)通信，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量有限，WSNs現(xiàn)在面臨最重要的問題是如何在不影響其自身通信性能的前提下有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，保證網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。

目前有大量學(xué)者在對改進WSNs性能方面做出了很大的貢獻。文獻［1］首次提出了著名的LEACH算法，利用分布式方法在傳感器節(jié)點群中以一定的概率競爭簇首節(jié)點（CHs），極大降低了節(jié)點在數(shù)據(jù)通信中耗費的能量，但無法在全局協(xié)同的情況下確定合適的CHs數(shù)量，維持CHs與成員節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)能量消耗速度以及節(jié)點壽命的平衡穩(wěn)定。博弈論用來研究某些活動參與者的行為在一些主動或被動作用的影響下的決策方式與均衡問題。它已被廣泛的應(yīng)用在WSNs的優(yōu)化和配置中，李明欣等人對非合作博弈的無線資源分配中的納什均衡點的存在性和惟一性進行論證［2］，用接入控制算法動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域分配的連接數(shù)量，保證通信的可靠性。鄢旭等人針對WSNs功率分配優(yōu)化需求［3］，利用非合作博弈原理，將功率分配問題轉(zhuǎn)換為信干噪比收益，利用節(jié)點移動特征在轉(zhuǎn)發(fā)過程中減少消息的復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，為節(jié)點提供發(fā)射功率策略，提高消息遞交率并降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

本文提出一種基于博弈論的QoS協(xié)作路由算法（QACR），針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間通信路由單一、無法充分調(diào)動合適的下一跳節(jié)點用于協(xié)作通信而浪費不必要的帶寬、時延和能量等問題，研究各個傳感器節(jié)點的距離、能耗速度、協(xié)作傳輸能力與QoS需求量之間的博弈關(guān)系，建立基于QoS需求的博弈模型；并將協(xié)作通信和路由機制相結(jié)合，通過為路由上的節(jié)點選擇一個或者多個中繼節(jié)點協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)包，以減少節(jié)點的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲，避免網(wǎng)絡(luò)由于能耗過快、節(jié)點死亡率過高而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)斷層或癱瘓，保證網(wǎng)絡(luò)可靠性和QoS需求。

1　網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信架構(gòu)

WSNs節(jié)點通常隨機散布于廣闊的監(jiān)測區(qū)域中，采用分簇協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信架構(gòu)

簇內(nèi)節(jié)點將采集到的信息發(fā)送到CHs經(jīng)數(shù)據(jù)融合后統(tǒng)一發(fā)送至基站（Sink），當(dāng)CHs無法與Sink直接通信時，就必須建立中繼節(jié)點連接CHs之間的通信。本文將協(xié)作通信與路由機制相結(jié)合，通過為路由中的節(jié)點選擇一個或者多個中繼節(jié)點協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)CHs間的協(xié)作通信。采用的WSNs模型具有以下特點：

（1）WSNs中的N個傳感器節(jié)點隨機分布在邊長為L的正方形區(qū)域中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)G（N，E，W）中存在節(jié)點ni及其鄰居節(jié)點mi；

（4）CHs負責(zé)數(shù)據(jù)融合和外界通信；Sink節(jié)點是固定的、可維護的并且有足夠的能量供應(yīng)；

（5）所有節(jié)點具有相同的規(guī)格和有限的能源供應(yīng)，都可以充當(dāng)CHs和成員節(jié)點。節(jié)點初始能量為Estart，并且所有節(jié)點的能量閾值都為Ethres，在經(jīng)過每輪的數(shù)據(jù)傳輸之后節(jié)點剩余能量為Eremain。

在數(shù)據(jù)傳輸之前，每個簇群需確定自己的協(xié)作傳輸單元來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的匯聚和發(fā)送。作為協(xié)作傳輸單元的成員節(jié)點（中心節(jié)點）在網(wǎng)絡(luò)簇群中有大量的鄰居節(jié)點（數(shù)目為n），當(dāng)n越大時，該中心節(jié)點就具有很強的能力來為內(nèi)部節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，因此中心節(jié)點就必須保證自己有足夠的剩余能量，用于維持作為協(xié)作傳輸單元的成員節(jié)點的能量消耗和生存時間。根據(jù)節(jié)點的舒適能量和剩余能量得出節(jié)點協(xié)作傳輸能力的評估公式為：

采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法中的Sigmoid函數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點的QoS統(tǒng)一量化［4］：

通過對QoS的統(tǒng)一量化，可以將QoS需求從一個抽象的概念轉(zhuǎn)化為形象具體的數(shù)據(jù)量用于之后建立準確的博弈模型。

2　基于博弈論的路由算法

網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點都有自私理性的偏向，每個傳感器節(jié)點都想使自身用于數(shù)據(jù)通信的能量最小化，以達到最長的壽命，對于自身檢測到的或中途轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)都會進行丟棄或者轉(zhuǎn)發(fā)的選擇。本文的路由協(xié)作算法在網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信的過程中對傳輸單元和鄰居協(xié)作傳輸單元進行不斷的博弈，最終為節(jié)點找到合適的路由，確定各個網(wǎng)絡(luò)元素的性質(zhì)，在滿足網(wǎng)絡(luò)QoS需求的前提下盡可能延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間和QoS需求。

2.1博弈模型

博弈論用來研究某些活動參與者的行為在一些主動或被動作用的影響下的決策方式，或者某種行為的均衡問題，它以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)研究行為活動中的參與者如何做出決斷從而獲得最大利益。傳感器節(jié)點的能耗、感知傳輸數(shù)據(jù)總量，以及網(wǎng)絡(luò)的生命周期和可靠度等都是衡量WSNs性能的標準。本文研究的主要對象是基于博弈論的思想設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點相互協(xié)作的路由算法，目的是使節(jié)點在合作路由的過程中能聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，保證其QoS效果，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此設(shè)定節(jié)點理性偏好為：

（1）盡可能保證網(wǎng)絡(luò)的運行周期和QoS效果［5］，防止節(jié)點過早死亡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，發(fā)生通信斷層；

（2）在保證自身能量消耗最低的前提下，將足夠多的感知數(shù)據(jù)量傳輸?shù)交尽?/p>

針對上述WSNs節(jié)點的理性偏好，結(jié)合節(jié)點位置、能耗情況、節(jié)點協(xié)作傳輸能力以及網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同架構(gòu)等方面，給出路由博弈模型：

網(wǎng)絡(luò)行動順序：當(dāng)節(jié)點被隨機部署在環(huán)境中開始感知數(shù)據(jù)便是一輪網(wǎng)絡(luò)博弈的開始，源節(jié)點選擇合適的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱惶?jié)點或者CHs，通過多跳傳輸?shù)交荆總€參與者都根據(jù)前面節(jié)點的策略，找到收益最高的路由策略，周而復(fù)始直至節(jié)點自身能量被消耗殆盡而中斷使用。

網(wǎng)絡(luò)策略：策略是指博弈成員可選擇的行為集合，當(dāng)節(jié)點接收到網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包時，可以放棄轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或選擇鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)兩種策略，用集合的形式表示為：Ti=｛ti1，ti2，…，tii-1，tii，…，tim｝。

網(wǎng)絡(luò)效益函數(shù)：同所有博弈模型一樣，網(wǎng)絡(luò)需要在花費一定代價的前提下才會有效益出現(xiàn)，因此必須權(quán)衡最優(yōu)的路由選擇作為博弈策略，以將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址為效益體現(xiàn)。

設(shè)需轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的CHs對QoS的需求量為Q=（Q1，Q2，…，Qi，…，Qk），不同節(jié)點QoS之間的競爭因子為η，η∈（0，1］時，備選節(jié)點QoS無差異；η=0時則說明這個節(jié)點的QoS具有極強的路由優(yōu)勢［6］。計算出節(jié)點ni對應(yīng)QoS需求向量的效率因子為：

網(wǎng)絡(luò)中的成員節(jié)點進行通信時能量消耗速度越大，則節(jié)點的生命強度就越弱，容易導(dǎo)致整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)過早衰竭或癱瘓。而中心節(jié)點ni與中繼節(jié)點nj之間的距離也是決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)作通信性能的重要原則之一，選擇合適的中繼節(jié)點可以避免不必要的數(shù)據(jù)冗余和延遲。本文提出的博弈模型的效用函數(shù)基于網(wǎng)絡(luò)QoS需求量Qi、節(jié)點的能耗速度vi，ni與nj之間的距離dij以及節(jié)點協(xié)作傳輸能力C，路由選擇博弈模型中的總效用函數(shù)為：

當(dāng)P（Q）的值最大時便可得到最佳的QoS需求量，對式（5）中的Qi求導(dǎo)得：

令式（6）為零，當(dāng)式（7）成立時，路由選擇博弈模型的總效用函數(shù)達到最大，此時，WSNs中的節(jié)點可以在能量消耗、通信延遲以及數(shù)據(jù)冗余最小的情況下，成功傳輸數(shù)據(jù)至目的地址。這樣便可延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，滿足網(wǎng)絡(luò)QoS需求。路由選擇發(fā)生時，中心節(jié)點與中繼節(jié)點之間就會開始一場選擇與判斷轉(zhuǎn)發(fā)的博弈過程。此時發(fā)送協(xié)作傳輸?shù)墓?jié)點與每一個鄰居協(xié)作傳輸節(jié)點成為博弈的參與者，根據(jù)節(jié)點的QoS需求量以及博弈效用值判斷路由決策，選擇合適的路由傳送數(shù)據(jù)。

2.2路由選擇機制

協(xié)作通信可以產(chǎn)生空間分集以抵抗信道衰落，提高信息發(fā)送成功率。本文將協(xié)作通信和路由機制相結(jié)合，通過為路由上的節(jié)點選擇一個或者多個中繼節(jié)點用于協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)包至目的地址，減少節(jié)點的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲，提高系統(tǒng)可靠性，保證其QoS效用。在前文研究WSNs協(xié)作通信模型和博弈效益模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮協(xié)作節(jié)點ni，nj之間距離、網(wǎng)絡(luò)QoS需求量以及博弈效用值等信息，提出一種基于博弈論的QoS協(xié)作路由算法（QACR），路由選擇機制的設(shè)計思路如下：

Step1：建立網(wǎng)絡(luò)博弈模型。包括元素主要有：參與者節(jié)點集合N、節(jié)點ni在每一輪選擇的路由策略集合Ti，以及博弈效用值 Pij；ni廣播自己的效用值消息P_msg給鄰居節(jié)點，建立鄰居節(jié)點信息集合；

Step2：簇內(nèi)通信的CHs選擇過程。所有的節(jié)點產(chǎn)生隨機數(shù)c，當(dāng)節(jié)點的隨機數(shù)小于T值時，該節(jié)點成為候選CHs，自己廣播成為候選CHs的消息Candi_msg給通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點；候選CHs比較自己和鄰居節(jié)點效用值Pij的大小，為保證博弈模型的效用最大，選擇Pij值較大的節(jié)點作為正式CHs，廣播成為正式CHs的消息；

Step3：選擇合適的下一跳CHs。作為中心節(jié)點的CHs，如果必須通過中繼節(jié)點間協(xié)作才能將數(shù)據(jù)送到目的地址，就首先需要評估與各個鄰居節(jié)點之間的博弈效用值Pij，以獲得最大的收益［7］。距離較近且Pij值越大的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的可能性更大，更有可能成為合適的協(xié)作傳輸單元；

Step4：簇間通信后的路由轉(zhuǎn)發(fā)過程，接收到數(shù)據(jù)的協(xié)作傳輸節(jié)點發(fā)送接收消息Recis_msg給中心節(jié)點，表示同意搭建路由協(xié)作傳輸上一跳的信息；

Step5：通過路由正式發(fā)送數(shù)據(jù)。CHs廣播建簇消息Estab_msg給簇成員節(jié)點和協(xié)作節(jié)點，節(jié)點ni接收CHs的確認和時間表，準備發(fā)送數(shù)據(jù)；CHs加入時分多址（TDMA）表，開始接收簇內(nèi)成員節(jié)點發(fā)來的感知數(shù)據(jù)，融合數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳送給Sink。

以上步驟之后進入穩(wěn)定傳輸階段，節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給CHs，再由CHs發(fā)送給下一跳的中繼節(jié)點，期間自身的能量慢慢減少直至消耗殆盡，節(jié)點死亡。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量減少，沒有被檢測到數(shù)據(jù)或者被遺漏的區(qū)域越來越多，最后網(wǎng)絡(luò)癱瘓，博弈代價體現(xiàn)。

2.3能耗分析

WSNs中的每個節(jié)點都是自私理性的，都想節(jié)約自己的能量實現(xiàn)自身效益的最大化。假設(shè)消息傳輸中電路發(fā)射端消耗的能量為Etrans，Eenlar為前一輪路徑衰減之后的功率放大能量，CHs之間直接通信k b數(shù)據(jù)所需的能量為：

簇間協(xié)作通信時，若源CHs選擇了（m-1）（m≥1）個協(xié)作節(jié)點向目標地址發(fā)送數(shù)據(jù)，將源CHs看作第m個協(xié)作節(jié)點［8］。采用協(xié)作路由的辦法進行數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送k b的通信量所需的總能量為：

式中：Ec是在給定誤碼率條件下接收端正確接收1 b數(shù)據(jù)所需的最低能量；Ecs，Ecr分別表示發(fā)送電路損耗和接收電路損耗。由式（9）可以得出，只有減少用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送和接收電路，即減少數(shù)據(jù)傳輸量或路由跳轉(zhuǎn)次數(shù)［9］，才能減小網(wǎng)絡(luò)能耗，延伸生命周期。

3　仿　真

本文在通過仿真實驗對算法性能進行評估，仿真環(huán)境為模擬監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中100個節(jié)點隨機分布在200單位的區(qū)域中，假設(shè)傳輸環(huán)境完全并且不受其他干擾因素影響，監(jiān)測網(wǎng)路能在除自身因素之外可靠運行［10］。MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議，具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表

圖2是將文獻［8］中的GARA算法、AODV算法、LEACH算法同QACR算法的平均跳數(shù)進行比較，當(dāng)源節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離一定時，節(jié)點都是通過多跳將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點，每個算法的平均跳數(shù)都在隨著距離的增加而增加。由圖2可以看出AODV，LEACH算法從一開始節(jié)點相距最近的時候跳數(shù)較大，QACR算法則一直保持基本穩(wěn)定的跳數(shù)并稍高于GARA算法。在距離最大的時候節(jié)點的跳數(shù)也達到極值，但QACR算法明顯低于其余三種算法，這是由于WSNs節(jié)點之間的協(xié)同通信以及通過博弈效用公式得到了非常合適的中繼節(jié)點。在多跳數(shù)據(jù)傳輸時，QACR通過博弈選擇協(xié)同中繼節(jié)點可以減少節(jié)點跳轉(zhuǎn)次數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)通信時延。

圖2　節(jié)點平均跳數(shù)

圖3是網(wǎng)絡(luò)能量消耗情況，網(wǎng)絡(luò)總能耗隨著通信輪數(shù)增大而增大，當(dāng)輪數(shù)到達極限時網(wǎng)絡(luò)能量消耗達到頂峰，出現(xiàn)節(jié)點死亡或網(wǎng)絡(luò)癱瘓等情況。由圖像的斜率可以得出QACR算法的能量消耗速率低于AODV，LEACH 和GARA。這是通過博弈模型選擇出合適協(xié)作節(jié)點可以降低網(wǎng)絡(luò)通信跳數(shù)，減少不必要的能量消耗和數(shù)據(jù)冗余，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，保證網(wǎng)絡(luò)的QoS質(zhì)量。

圖3　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總耗能

4　結(jié)　語

本文提出了基于博弈論的QoS協(xié)作路由算法，首先分析了傳感器節(jié)點的距離、能耗速度與QoS需求量之間的博弈關(guān)系，建立基于QoS需求的博弈模型；其次將協(xié)作通信和路由機制相結(jié)合，在博弈模型的理論基礎(chǔ)上為中心節(jié)點選擇一個或者多個中繼節(jié)點，共同協(xié)作將數(shù)據(jù)包發(fā)送至目的地址。最后仿真驗證，這種方法可以減少節(jié)點通信的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲，避免網(wǎng)絡(luò)由于能耗過快、節(jié)點死亡率過高而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)斷層或癱瘓，為網(wǎng)絡(luò)可靠性和QoS需求提供很好的保證。

注：本文通訊作者為張?zhí)鞁伞?/p>

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中圖分類號：TN915?34；TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1004?373X（2016）16?0108?04

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.16.029

作者簡介：郝貴和（1971—），男，遼寧阜新人，講師。主要研究方向為航空設(shè)備的在線檢測和智能控制。張?zhí)鞁桑?993—），女，陜西寶雞人，碩士研究生。主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

收稿日期：2015?12?14

基金項目：天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃（自然科學(xué)基金）（13JCYBJC42300）；國家自然科學(xué)基金委中國民航局聯(lián)合基金項目（U1333111）

QoS cooperative routing algorithm based on game theory

HAO Guihe，ZHANG Tianjiao，WU Hongying，LIN Jiaquan
（Aviation Automation College，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

Abstract：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 cooperative routing algorithm based on game theory is presented in this paper.A game model based on QoS demand is established by studying the game rela?tionship between energy consumption rate and distance of each sensor node，and demand of QoS.In combination with the coopera?tive communication and routing mechanism，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 and paralysis caused by excessive energy consumption，high node mortality caused，so as to improve network reliability.

Keywords：game theory；QoS；cooperative communication；wireless sensor network；routing protocol