基于非合作博弈论的无线传感器网络能耗均衡的研究

作     者：蔡勇 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林晓辉

授予年度：2015年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无线传感器网络 博弈论 能量效率 负载分配 

摘      要：近年来,传感器技术、现代网络技术、无线通信等技术的进步共同推动了具有低能耗、多功能无线传感器网络的发展。无线传感器网络(以下简称WSN)是利用大量微型传感器组成的一个具有数据感知、数据处理、无线通信等功能的无基础设施网络。无线传感器网络的发展与逐渐成熟,使它在军事应用、环境科学、医疗健康、空间探索等方面具有广阔的应用前景。WSN是能量受限的网络,因为低成本的节点的电池能量非常有限,且不可重复充电。正因为如此,如何高效节能,最大化网络的生存周期是设计WSN的一项严峻挑战。我们清楚,在WSN中,节点之间不同的传输距离、变化复杂的无线通信环境将导致节点的剩余能量不同。如果某些重要节点过早的耗尽电池,将会引起WSN的覆盖范围减少、传输功能减弱。能耗均衡是有效提高WSN生命周期的非常具有前景的技术,其理念在于根据节点的状态公平分配传输任务,避免某些节点过早耗尽电池,保证网络的覆盖范围。本文首先介绍WSN以及能耗的相关研究背景,然后简洁地介绍博弈论。为了达到能耗平衡,必须根据节点的具体能量情况公平分配负载,实现剩余能量高的节点发送次数多,剩余能量少的节点发送次数少,从而达到能耗均衡的目的。在本文中,我们把节点的数据转发模拟成一个博弈,设计效用函数,推导出纳什均衡,最大化节点的收益。此外,引入惩罚机制可以防止节点为了保存能量而全部选择不转发数据,从而使得网络瘫痪,确保WSN的服务质量。最后的结果表明该方法有助于延长WSN的寿命。众所周知,簇头的能耗远大于普通节点,为了不让某些节点因为过多次数充当簇头而过早的耗尽电池,本文把簇头的选举模拟成一个博弈,根据节点的生存情况,计算节点充当簇头的概率,同时对于充当过簇头的节点,我们将会减少该节点充当簇头的概率,减少能量的消耗。最后的结果表明此方法可以均衡充节点充当簇头所引起的能耗,提高网络的使用寿命。