基于博弈论的无线传感器网络路由协议研究
本文关键词：基于博弈论的无线传感器网络路由协议研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：我们处在一个信息化技术高速发展的现代社会，未来的世界是物联网的世界，人类的生活离不开智能感知设备。作为物联网通信感知层的支撑基础，无线/有线传感器网络技术的研究就显得意义重大。本文首先研究了无线传感器网络（WSN）的体系结构，对WSN的构成实现有了直观的认识。从模块化的视角分析了节点设计的硬件构成，以及WSN网络的几大特点，这些特点说明无线传感器网络的研究不同于传统有线网络。接下来，研究了WSN的关键技术以及主要的性能指标。进一步地，研究分析并总结了无线传感器网络的经典路由协议，包括洪泛、直接扩散路由、Rumor路由、基于梯度的路由协议，IDSQ路由等，对多种不同分类形势下的WSN路由协议进行了研究与分析，旨在体会协议的设计思路与亮点，为设计提出独特的改进路由算法储备了知识。 经过深入的研究与分析，对经典的分簇路由LEACH协议中涉及到的公式，其中参数的设置意义，协议的构成进行了剖析。指出了LEACH协议中存在的几点严重问题：1.节点通信存在迂回2.不考虑剩余能量3.不考虑节点的历史贡献4.不够高效的通信选路。这些问题是制约LEACH协议网络性能的瓶颈，影响节点的能耗和生存周期。 通过研究博弈理论，及博弈理论的相关知识，大量调研博弈理论在WSN通信领域的应用实例，本文提出了一个基于夏普利值的改进算法LEACH-SV。协议主要优化了以下3个方面： 1.变更了选举簇头的方式。从传统的随机数方式，，改换到以一个考虑剩余能量，节点位置，和历史贡献的函数来选举备选簇头，进行预分簇，得到备选簇头。这种使用备选簇头的选举机制较LEACH协议原始机制考虑了更多的制约因素，解决了随机选簇头的不合理问题。 2.分簇后在备选簇头中寻找三个指标相对较高的节点并进行联盟博弈。根据夏普利值得到的贡献值引入Bankruptcy Game模型，最终确定了节点对簇头、休眠以及普通节点的角色分配。这样，使节点的通信更加趋于均衡以及高效。发挥了博弈论中夏普利值公平分配的特性 3.考虑到节点向基站通信的可能性，为了防止通信路径迂回造成的能量浪费，LEACH-SV改进算法设计了一种就近通信的机制。节点可以选择向基站通信还是向备选簇头通信，这取决于哪个通信代价更大。为了防止基站负荷过重，设置了开关阈值控制这一机制。 利用MATLAB工具对协议进行了详尽的实验，经过精心的设计与耐心的数据收集处理，得到了极为详实的实验结果。通过对比LEACH协议以及与之相近的DCHS协议，LEACH-SV算法在死亡节点数指标上有约27%的性能优于LEACH，约19%优于DCHS；在平均剩余能量指标上，网络出现拐点晚于LAECH约140轮，晚于DCHS约100轮；发包数指标的表现相对较弱，约是LEACH和DCHS簇头发包数的10倍，基站的发包数分别为二者的1.8～2倍；能量分布方面，LEACH-SV改进算法更加均匀出现等高线颜色突变较晚于二者；仿真运行时延上，表现较差，LEACH-SV要明显慢于对比的LEACH和DCHS约10%（500轮的实验）。 通过切实的实验数据与数据分析，本文论证了LEACH-SV算法在网络能耗，节点存活能力，生命周期等方面优于LEACH以及DCHS算法，但是不可避免地在一些指标上有所下降，实验证明协议完成了最初的设计目标，使网络能耗更加均衡合理。
【关键词】：无线传感器网络 LEACH协议 夏普利值 博弈论
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-10
- 第1章 绪论10-16
- 1.1 研究背景及意义10-11
- 1.2 国内外研究现状11-13
- 1.3 本文主要内容及结构安排13-16
- 第2章 无线传感器网络基础概述16-22
- 2.1 无线传感器网络的体系与结构16-18
- 2.1.1 网络结构16
- 2.1.2 传感器节点结构16-18
- 2.2 无线传感器网络特点18-19
- 2.3 无线传感器网络的关键技术以及性能参数19-21
- 2.3.1 WSN 的关键技术19-20
- 2.3.2 WSN 的性能参数20-21
- 2.4 本章小结21-22
- 第3章 无线传感器网络路由相关技术研究22-38
- 3.1 无线传感器网络路由协议特点22
- 3.2 WSN 路由协议的分类22-29
- 3.2.1 平面路由协议23-25
- 3.2.2 分层路由协议25-28
- 3.2.3 地理信息路由协议28-29
- 3.3 LEACH 协议研究与分析29-37
- 3.3.1 LEACH 协议算法流程29-32
- 3.3.2 LEACH 协议所涉及的模型32-36
- 3.3.3 LEACH 协议的局限36-37
- 3.4 本章小结37-38
- 第4章 基于博弈论的改进算法研究38-50
- 4.1 博弈论的基本概念38-40
- 4.2 博弈论在路由技术中的应用40-43
- 4.3 基于 Shapley Value 的改进 LEACH-SV 改进算法43-49
- 4.3.1 路由协议的改进43-45
- 4.3.2 基于 Shapley Value 的网络角色分配模型45-48
- 4.3.3 优化的通信传输机制48-49
- 4.4 本章小结49-50
- 第5章 改进算法仿真及性能分析50-62
- 5.1 仿真环境及参数设置50-52
- 5.2 网络性能指标52-60
- 5.2.1 死亡节点数的仿真实验52-54
- 5.2.2 平均剩余能量与轮数的仿真实验54-55
- 5.2.3 节点向簇头和基站发包数的仿真实验55-57
- 5.2.4 能量分布趋势实验57-60
- 5.2.5 协议运行速度与时延60
- 5.3 本章小结60-62
- 第6章 总结与展望62-64
- 6.1 工作总结62-63
- 6.2 未来工作及展望63-64
- 参考文献64-70
- 作者简介及科研成果70-71
- 致谢71
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