本文關鍵詞：基于博弈論的無線傳感器網絡路由協(xié)議研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我們處在一個信息化技術高速發(fā)展的現代社會，未來的世界是物聯(lián)網的世界，人類的生活離不開智能感知設備。作為物聯(lián)網通信感知層的支撐基礎，無線/有線傳感器網絡技術的研究就顯得意義重大。本文首先研究了無線傳感器網絡（WSN）的體系結構，對WSN的構成實現有了直觀的認識。從模塊化的視角分析了節(jié)點設計的硬件構成，以及WSN網絡的幾大特點，這些特點說明無線傳感器網絡的研究不同于傳統(tǒng)有線網絡。接下來，研究了WSN的關鍵技術以及主要的性能指標。進一步地，研究分析并總結了無線傳感器網絡的經典路由協(xié)議，包括洪泛、直接擴散路由、Rumor路由、基于梯度的路由協(xié)議，IDSQ路由等，對多種不同分類形勢下的WSN路由協(xié)議進行了研究與分析，旨在體會協(xié)議的設計思路與亮點，為設計提出獨特的改進路由算法儲備了知識。 經過深入的研究與分析，對經典的分簇路由LEACH協(xié)議中涉及到的公式，其中參數的設置意義，協(xié)議的構成進行了剖析。指出了LEACH協(xié)議中存在的幾點嚴重問題：1.節(jié)點通信存在迂回2.不考慮剩余能量3.不考慮節(jié)點的歷史貢獻4.不夠高效的通信選路。這些問題是制約LEACH協(xié)議網絡性能的瓶頸，影響節(jié)點的能耗和生存周期。 通過研究博弈理論，及博弈理論的相關知識，大量調研博弈理論在WSN通信領域的應用實例，本文提出了一個基于夏普利值的改進算法LEACH-SV。協(xié)議主要優(yōu)化了以下3個方面： 1.變更了選舉簇頭的方式。從傳統(tǒng)的隨機數方式，，改換到以一個考慮剩余能量，節(jié)點位置，和歷史貢獻的函數來選舉備選簇頭，進行預分簇，得到備選簇頭。這種使用備選簇頭的選舉機制較LEACH協(xié)議原始機制考慮了更多的制約因素，解決了隨機選簇頭的不合理問題。 2.分簇后在備選簇頭中尋找三個指標相對較高的節(jié)點并進行聯(lián)盟博弈。根據夏普利值得到的貢獻值引入Bankruptcy Game模型，最終確定了節(jié)點對簇頭、休眠以及普通節(jié)點的角色分配。這樣，使節(jié)點的通信更加趨于均衡以及高效。發(fā)揮了博弈論中夏普利值公平分配的特性 3.考慮到節(jié)點向基站通信的可能性，為了防止通信路徑迂回造成的能量浪費，LEACH-SV改進算法設計了一種就近通信的機制。節(jié)點可以選擇向基站通信還是向備選簇頭通信，這取決于哪個通信代價更大。為了防止基站負荷過重，設置了開關閾值控制這一機制。 利用MATLAB工具對協(xié)議進行了詳盡的實驗，經過精心的設計與耐心的數據收集處理，得到了極為詳實的實驗結果。通過對比LEACH協(xié)議以及與之相近的DCHS協(xié)議，LEACH-SV算法在死亡節(jié)點數指標上有約27%的性能優(yōu)于LEACH，約19%優(yōu)于DCHS；在平均剩余能量指標上，網絡出現拐點晚于LAECH約140輪，晚于DCHS約100輪；發(fā)包數指標的表現相對較弱，約是LEACH和DCHS簇頭發(fā)包數的10倍，基站的發(fā)包數分別為二者的1.8～2倍；能量分布方面，LEACH-SV改進算法更加均勻出現等高線顏色突變較晚于二者；仿真運行時延上，表現較差，LEACH-SV要明顯慢于對比的LEACH和DCHS約10%（500輪的實驗）。 通過切實的實驗數據與數據分析，本文論證了LEACH-SV算法在網絡能耗，節(jié)點存活能力，生命周期等方面優(yōu)于LEACH以及DCHS算法，但是不可避免地在一些指標上有所下降，實驗證明協(xié)議完成了最初的設計目標，使網絡能耗更加均衡合理。
【關鍵詞】：無線傳感器網絡 LEACH協(xié)議 夏普利值 博弈論
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國內外研究現狀11-13
• 1.3 本文主要內容及結構安排13-16
• 第2章 無線傳感器網絡基礎概述16-22
• 2.1 無線傳感器網絡的體系與結構16-18
• 2.1.1 網絡結構16
• 2.1.2 傳感器節(jié)點結構16-18
• 2.2 無線傳感器網絡特點18-19
• 2.3 無線傳感器網絡的關鍵技術以及性能參數19-21
• 2.3.1 WSN 的關鍵技術19-20
• 2.3.2 WSN 的性能參數20-21
• 2.4 本章小結21-22
• 第3章 無線傳感器網絡路由相關技術研究22-38
• 3.1 無線傳感器網絡路由協(xié)議特點22
• 3.2 WSN 路由協(xié)議的分類22-29
• 3.2.1 平面路由協(xié)議23-25
• 3.2.2 分層路由協(xié)議25-28
• 3.2.3 地理信息路由協(xié)議28-29
• 3.3 LEACH 協(xié)議研究與分析29-37
• 3.3.1 LEACH 協(xié)議算法流程29-32
• 3.3.2 LEACH 協(xié)議所涉及的模型32-36
• 3.3.3 LEACH 協(xié)議的局限36-37
• 3.4 本章小結37-38
• 第4章 基于博弈論的改進算法研究38-50
• 4.1 博弈論的基本概念38-40
• 4.2 博弈論在路由技術中的應用40-43
• 4.3 基于 Shapley Value 的改進 LEACH-SV 改進算法43-49
• 4.3.1 路由協(xié)議的改進43-45
• 4.3.2 基于 Shapley Value 的網絡角色分配模型45-48
• 4.3.3 優(yōu)化的通信傳輸機制48-49
• 4.4 本章小結49-50
• 第5章 改進算法仿真及性能分析50-62
• 5.1 仿真環(huán)境及參數設置50-52
• 5.2 網絡性能指標52-60
• 5.2.1 死亡節(jié)點數的仿真實驗52-54
• 5.2.2 平均剩余能量與輪數的仿真實驗54-55
• 5.2.3 節(jié)點向簇頭和基站發(fā)包數的仿真實驗55-57
• 5.2.4 能量分布趨勢實驗57-60
• 5.2.5 協(xié)議運行速度與時延60
• 5.3 本章小結60-62
• 第6章 總結與展望62-64
• 6.1 工作總結62-63
• 6.2 未來工作及展望63-64
• 參考文獻64-70
• 作者簡介及科研成果70-71
• 致謝71

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本文編號：381292