无线传感器路由算法 专家报告 第35期 结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法

专家报告 第35期 结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法

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52监测网专家报告分享-第35期

结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法

谢美希、周广东 河海大学

目录

一、引言

二、研究思路与方法

三、仿真实验与分析

四、结论

一、引言

80年代中后期各种规模的桥梁健康监测系统开始建立！

英国在总长为552m的三跨变高度连续钢箱梁Foyle桥上布设传感器，是最早安装的较为完整的监测系统之一。进行实时监测、实时分析、数据网络共享。

我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立不同规模的结构健康监测系统！

1、健康监测系统

随着人们对结构安全性的重视以及各种监测技术的发展，结构健康监测技术已经成为保障土木工程结构安全运营的重要手段

2、传感网络寿命

无线传感节点一般采用电池供电，能量难以补充，节点能量消耗的快慢就成了影响无线传感网络寿命长短的决定性因素

3、无线传感网络

由于无线传感器网络具有不需布线、安装方便、成本低、具有分布式数据处理能力等突出优点，近年来在结构振动监测领域得到了广泛应用

4、网络寿命优化

需均衡消耗无线网络节点能量，避免某些节点能量消耗过快导致网络死亡，从而延长无线传感网络寿命

二、研究思路与方法

无线传感网络特征

传感节点一般根据结构测试的需要确定位置，布置完毕后就不再移动;

结构振动监测传感器一般采用连续采集方式;

无线传感网络的规模一般较小，节点数量不超过100;

无线传感网络持续性

无线传感网络中节点有限的能量能够得到充分利用，最大化网络寿命，实现工程结构的长期、连续监测。

无线传感网络服务性

合理分配无线传感网络的可用数据传输带宽，避免数据丢包和拥挤，保证工程结构的可靠、稳定监测。

算法实施步骤

初始化节点位置，并根据节点最大传输距离构建每个节点的邻近节点矩阵

设置每个节点的初始能量，并将N-1只萤火虫放置在N-1个节点

根据概率转移公式计算每个节点上的萤火虫飞向其邻近节点的概率，构建概率转移矩阵

采用轮盘赌法选择数据传输节点，根据每只萤火虫选择移动节点的情况，更新概率转移矩阵

形成每个节点到目的节点的M条有效路径

对每个节点到目的节点的M条有效路径用路由指标进行评价，并保留最佳传输路径方案

关键点

1、编码方式

采用整数编码，并对有效位数不足的路径，补0，保证每条路径跳数一致，方便运算；

2、概率转移公式

根据萤火虫转移情况，及时更新概率转移矩阵，避免在一条数据传输路径中，节点被重复选择，导致无用转发，从而影响网络性能；

3、路由评价指标

综合考虑无线传感网络连续性和服务性，保证数据有效，稳定的转发和处理；

4、能量通知机制

在进行一定数量数据包传输后，启用能量通知机制，从而产生新的数据传输方案，避免某些节点过量使用，导致能量消耗过快，网络过早死亡；

三、仿真实验与分析

最短路径算法下网络的能耗很不均匀，个别节点能量消耗很大，最大达到886mJ；

能量均衡算法的路径方案总能耗小于最短路径算法；

四、结论

在路径最优情况下，无线传感网络最多可运行8轮；而在能量均衡最优情况下，无线传感网络可运行12轮，数据传输量增加50%。

与路径最优情况进行对比，在能量均衡情况下，每个节点的能量消耗较均匀，这是因为数据进行传递时，总是选择剩余能量多的节点，从而保证网络中各节点能量的均匀消耗。

能量均衡算法的路径方案总能耗小于最短路径算法，这是因为在路径评价指标中，也考虑到了节点能耗，空闲程度，路径长度和跳数等因素，从而减少了每个节点的能量消耗。

结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法

谢美希、周广东 河海大学

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基于博弈论能耗均衡的无线传感网络路由算法

朱亚东1，高翠芳2

（1.江苏联合职业技术学院 信息中心，江苏 南京211135；2.江南大学 理学院，江苏 无锡214112）

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——EGT-EBGR。EGT-EBGR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EGT(Evolutionary Game Theory)，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GA(Greedy Algorithm)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EGT-EBGR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： TN925

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.029

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[J].电子技术应用，2017，43(7)：114-116，126.

英文引用格式： Zhu Yadong，Gao Cuifang. Energy-balanced routing algorithm based on Game-Theory for WSNs[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：114-116，126.

0 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(Wireless Sensor Networks，WSNs)的研究热点[1]。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[2-3]。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[4-5]。

由于地理路由协议(Geographical Routing Protocols，GRPs)无需建立路由表，也无需进行路由发现和路由维护，使得GRPs非常适用于无线传感网络。典型的地理路由协议有GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)[6]、GOAFR[7]、GRR[8]、GAR[9]、BVGF[10]、GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)[11]、OVCR[12]、VAA[13]。地理路由协议GRPs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[14]。

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

1 EGT-EBGR算法

EGT-EBGR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S将其传输范围划分为K个子区域。首先利用基于EGT的区域选择算法(EGT-based Regions Selection，EGT-RS)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1所示，源节点S将它向目的节点D的传输方向的邻居节点划分了4个区域，分别为R1、R2、R3、R4。然后，利用EGT-RS算法，为当前数据包选择了一个转发区域。假定选择了R2作为当前数据包的转发区域，最后，再在R2区域，利用贪婪转发算法选择离目的节点D最近的节点作为转发节点。

1.1 基于EGT的区域选择算法EGT-RS

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[16]，不断进化，直到得到最优的分布矢量X*。实际上，计算分布矢量X*的关键在于设计适度函数FF(Fitness Function)，适度函数Fk(X)的定义如下：

其中Etr、Etx分别节点接收、发送一个数据包所需的能量。

1.2 复制动态

从子区域l到子区域k的切换概率Pk，l(X)，其与两个子区域l、k的适度函数相关，如式(2)所示。

从子区域k到其他所有子区域的转换概率之和应等于1：

因此，复制动态的差异值反映了子区域k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(2)，可计算过渡概率矩阵P：

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。

1.3 进化均衡

2 性能分析

利用OMNeT++4.22网络仿真器建立仿真平台，仿真参数如表1所示。传感节点随机分布于二维的100×100 m2区域。

提出的EGT-EBGR协议与3种随机选择方案进行比较。这3种随机选择方案分别为：(1)随机+随机（Random+Random）：表示随机选择转发区域，并且也随机地选择转发节点；(2)（EGT-RS+Random）：利用EGT-RS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；(3)随机+GA（Random+GA）：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。

2.1 网络寿命

本次实验中，数据包产生率为2 packets/s，节点数从120～520变化，仿真结果如图2所示。

从图2可知，网络寿命随节点数的增加呈上升趋势。正如预期的，Random+Random方案的寿命最短，依次为Random+GA、EGT-RS+Random，而提出的EGT-EBGR协议最高。原因在于EGT-RS+Random方案利用EGT-RS算法选择转发区域，平衡网络能量消耗速度。此外，从图1可知，提出的EGT-EBGR协议的网络寿命比Random+Random、EGT-RS+Random分别提高了近38%、9%。

2.2 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3所示。从图3可知，提出的EGT-EBGR的能量消耗比Random+Random下降了约64%。原因在于：EGT-EBGR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。

3 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EGT-EBGR。EGT-EBGR算法通过平衡网络能量消耗，提高网络寿命。EGT-EBGR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EGT-EBGR协议的网络寿命比随机选择下一跳转发节点(Random+Random)高了近38%，能量消耗下降了64%。

参考文献

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