基于博弈论的无线传感器网络节点合作性研究

发布时间：2020-08-08 06:23

【摘要】：无线传感器网络包含成千上万的传感器节点,这些无线传感器节点可以感知、测量和收集监测环境的数据,并且能够根据自身的资源条件来决策是否进行传输和转发感测数据。无线传感器网络不同于传统的网络,无线传感器网络的能量、处理与计算资源有限,由于资源的限制导致节点在做决策的过程中会以自身利益出发选择自私行为,而导致网络节点间缺乏合作,从而影响网络通信质量与性能。因此,如何在保证通信质量的同时提高网络能耗效率以延长网络生命周期是我们研究的重点。本文针对无线传感器网络资源有限,以及节点为节省自身资源而选择不合作、不转发的自私行为这两个方面的问题,做出以下研究内容:(1)针对无线传感器网络资源有限,尤其是能量受限且不易补充这一问题,提出一种基于CLARANS聚类的无线传感器网络分簇路由算法—MPCC,以提升网络的能耗效率,延长网络生命周期。该算法首先通过CLARANS聚类得到距离密集的K个簇,并得到各个簇的质心节点的位置以及簇内与质心节点相隔最远的节点的位置。分簇完成以后,节点依据收到的汇聚节点广播信息创建邻居表,表内包含节点所在簇内的其他节点的位置信息,然后计算出节点到质心节点的距离以及到汇聚节点的距离,从而确定出节点的簇头衡量函数值。综合考量节点剩余能量、节点到汇聚节点的距离以及节点到质心节点的距离这3个因素,合理选择各个簇的簇头节点,从而避免了簇头节点的过早死亡,而且延长了网络的生命周期。仿真结果表明:MPCC算法相较经典分簇路由协议LEACH提升网络寿命55.6%,相较DCHS协议提升网络寿命27.3%。(2)针对节点因资源有限而选择自私行为这一问题,本文将博弈论引入到节点行为的决断中,通过重复博弈理论规范分层网络节点的行为。在网络中建立一个基于节点数据传输可靠度的无限次重复博弈模型,针对分层路由中节点的自私行为主要发生在簇头节点处,本模型对簇头节点是否对簇内节点数据进行转发而进行博弈,同时基于节点的自我理性偏好分析以及多跳范围内的连通性,确定博弈方的收益函数。针对节点的自私行为引入最优惩罚程度的惩罚机制,在保证对自私节点产生足够震慑的同时,又避免对自私节点过度惩罚而造成节点的提早死亡,从而提升了网络数据传输整体效益。仿真实验结果表明:对节点的惩罚程度是存在一个最佳值的,当超过最佳值时,网络的生命周期与网络效用不仅得不到提升反而会下降。采取最优惩罚轮数的惩罚策略能够在保证最少的减小网络生命周期的前提下,最大程度的提升网络的整体效益约22.82%。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212.9;TN929.5

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