基于博弈论的无线传感网络协作分析毕业设计.docx

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基于博弈论的无线传感网络协作分析毕业设计

西安邮电大学

毕业设计（论文）

题目：

基于博弈论的无线传感网络协作分析

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

毕业设计（论文）诚信声明书

本人声明：

本人所提交的毕业论文《基于博弈论的无线传感网络协作分析》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。

本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。

论文作者签名：

时间：

年月日

指导教师签名：

时间：

年月日

西安邮电学院

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

刘昕谦

指导教师

张新

职称

教授

学院

电子工程学院

系部

电子与信息工程

专业

电子信息工程

题目

基于博弈论的无线传感网络协作分析

任务与要求：

开始日期

2013年3月4日

完成日期

2013年6月14日

主管院长（签字）

年

月

日

任务：

无线传感网络可以为各种特殊环境提供应用服务，在实际应用中，通过引入具有资源丰富且可移动的反应节点,可增强现有的无线传感器网络的应用范围。

在实际的节点部署中，节点间协作机制是近年来无线传感器反应网络研究的热点，这是一种决策，可以利用博弈论来分析。

要求了解无线传感器反应网络的特点及网络架构设计需求，分析Sensor与Actor节点之间协作机制设计中存在的困难及主要解决方案，探讨基于博弈论的节点协作机制。

要求：

1.查阅相关无线融合网络和博弈论的资料。

2.分析Sensor与Actor节点之间协作机制设计中存在的困难。

3.结合博弈论，给出Sensor与Actor之间协作机制的解决方案。

4.给出结论。

西安邮电学院

毕业设计（论文）工作计划

学生姓名

刘昕谦

指导教师

张新

职称

教授

学院

电子工程学院

系部

电子信息工程

专业

电子信息工程

题目

基于博弈论的无线传感网络协作分析

工作进程

起止时间

工作内容

3.4～3.14

查阅资料，汇总前期读书笔记，与课题组内同学交流，完成开题报告。

3.14～4.5

深入查阅收集的课题相关资料，明晰概念，能阐述博弈论以及无线传感器网络的相关知识。

4.5～4.25

研究基于博弈论的无线传感网络协作分析的相关技术要点。

4.25～5.16

建立自己的模型，给出基于博弈论的无线传感网络协作分析的实现方案。

5.16～6.1

撰写论文，完善论文内容及格式，严谨修改，准备装订。

6.1～6.10

准备并完成答辩工作。

6.10～6.14

毕设资料汇总上报院部。

主要参考书目（资料）

博弈论相关资料；

无线传感网络相关资料；

资源网站的相关资料。

主要仪器设备及材料

能上网查阅资料，个人电脑。

相关软件。

论文（设计）过程中教师的指导安排

每周二、四下午与学生见面交流，平时要求学生每周写读书笔记，教师完成查阅工作。

对计划的说明

学生应按照工作计划中的时间安排及时完成相应的任务。

西安邮电大学

毕业设计（论文）开题报告

课题名称：

基于博弈论的无线传感网络协作分析

电子工程学院电子与信息工程系（部）

电子信息工程专业电子0905班

学生姓名：

刘昕谦学号：

05091166

指导教师：

张新

报告日期：

2013年3月11日

1.本课题所涉及的问题及应用现状综述

●博弈论

博弈论是指某个个人或是组织，面对一定的环境条件，在一定的规则约束下，依靠所掌握的信息，从各自选择的行为或是策略进行选择并加以实施，并从各自取得相应结果或收益的过程，在经济学上博弈论是个非常重要的理论概念。

●无线传感网络

由不熟在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感网络的三个要素。

●WSN的协同主要是指资源的协同、任务的协同、信号与信息的协同。

●无线传感器网络研究具有重大的科学意义及应用前景。

协作技术是其重要组成部分。

通过介绍无线传感器网络协作技术，对协作技术研究中的一些热点问题进行分析，展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。

2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析

●关键问题

无线传感器网络的特点，以用户节点之间的协作转发功率作为可共享资源,基于协作博弈论提出一种无线传感器网络中的协作通信功率分配方案及传感节点间的协作。

●解决思路

首先建立用户节点基于分组转发功率的协作博弈;然后证明所提出的博弈存在唯一的纳什议价解,并对求解算法的复杂度和可行性进行分析。

仿真结果表明,所提出的协作博弈模型及其纳什议价解能够在优化系统性能的同时,保证节点之间资源共享的公平性。

1）建立系统模型：

为方便表示，将任意数据源节点si（sj）与其目的节点di（dj）所组成的通信组合称之为用户i（j）。

在徐彤中，节点sj（si）相比于数据源节点si（sj）更靠近si的目的节点di（dj），因此节点sj和si之间就有了相互协作的可能性。

2）中继协作策略和博弈建模：

在协作通信系统中，每个用户必须通过彼此协商做出中继决策，从而才能获取最优化个体性能双赢策略，符合协作博弈论的分析框架。

3）博弈求解：

协作中继博弈C={K,Q}，在无线传感网络中，尽管分布在汇聚节点周围的传感器节点的计算能力较差，且携带能量有限，但是，汇聚节点在无线传感器网络中作为集中式协调点具有较强的计算能力和相对充足的能量，它可以执行相关的策略搜索算法，再将解得的值反馈个个用户节点。

4）仿真举例分析：

所提出的协作博弈模型能够在优化系统的性能的同时，保证站点之间协作功率分配的公平性，其公平性体现在节点参与协作中继的程度依赖于它的协作伙伴能够为其提供的有效信噪比增益。

3．完成本课题的工作方案

3.4～3.14

查阅资料，汇总前期读书笔记，与课题组内同学交流，完成开题报告。

3.14～4.5

深入查阅收集的课题相关资料，明晰概念，能阐述博弈论以及无线传感器网络的相关知识。

4.5～4.25

研究基于博弈论的无线传感网络协作分析的相关技术要点。

4.25～5.16

建立自己的模型，给出基于博弈论的无线传感网络协作分析的实现方案。

4．指导教师审阅意见

该生已查阅相关资料，了解了论题的相关内容，同意开题。

指导教师（签字）：

　　　　　　2013年3月13日

附件14

西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表

学生姓名

刘昕谦

性别

女

学号

05091166

专业班级

电子信息工程0905班

课题名称

基于博弈论的无线传感网络协作分析

课题

类型

科研

项目

难度

较难

毕业设计（论文）时间

2013年3月4日～6月14日

指导教师

张新（职称教授）

课题任务

完成情况

论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；

其它（含附件）：

指导教师意见

分项得分：

开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分

指导教师审阅成绩：

　　　　指导教师（签字）：

　　　　　　　　　年　月　日

评

阅

教

师

意见

分项得分：

选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；外文翻译分

评阅成绩：

　　　　评阅教师（签字）：

　　　　　　　　年　月　日

答

辩

小组

意

见

分项得分：

准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分

答辩成绩：

答辩小组组长（签字）：

　年月日

成绩计算方法

（填写本系实用比例）

指导教师成绩（％）评阅成绩（％）验收成绩（％）答辩成绩（％）

学生实得成绩（百分制）

指导教师成绩评阅成绩验收成绩

答辩成绩总评

答辩委员会意见

毕业论文（设计）总评成绩（等级）：

院答辩委员会主任（签字）：

学院（签章）

年月日

备

注

西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）

摘要

无线传感网络是一种新型的信息获取及处理技术，已然是国内外研究的热点，有着无限广阔的应用前景。

无线传感网络中，分布在环境中观测的传感器的节点能量是有限的，

目前业界对协作中继的研究时间较短，研究内容尚不够深入，研究领域也相对较狭窄，其中一个重要的表现就是大多数研究都是基于无线节点的无私性。

利用博弈论解决自私性无线节点协作中继的资源分配问题，从而促使自私节点积极主动参与协作，这已被证明是个行之有效的途径，也是本论文研究的核心工作。

本文首先对经典的无线传感器网络分层路由协议LEACH进行了分析，然后针对自私性无线网络有效开展协作中继的问题，本文在自私性无线节点协作中继的博弈策略研究方而做了些工作，主要是利用博弈论、最优化理论等数学知识，研究了不同系统模型及应用环境下的多种通信资源在协作节点间的优化分配问题，目的就是提高系统资源利用率及满足个体用户公平性。

本文的工作为协作中继技术在未来无线网络中的应用做了些有益的探讨。

关键词:

无线传感器网络，分层路由协议，博弈论，自私性节点，博弈建模

Abstract

Asanewinformationacquisitionandprocessingtechnology,thewirelesssensornetwork（WSN）isthecurrentdomesticandforeignresearchingfocusandhasawideapplicationprospect.IntheWSN,thesensornode'senergydistributedintheobservationenvironmentislimited.

Nowadaysintheacademicarea,aboutcooperativerelay,theresearchtimeisrelativelyshort,theresearchfieldsarefairlynarrow,andtheresearchdepthisnotenoughtoo.

Thegametheoryhasbeenprovedaneffectivewaytoaddressresourceallocationissueinselfishwirelesscooperativerelaynetworks.Also,itisthecoreresearchstuffofmypaper.

Inthispaper,theclassicWSNhierarchicalroutingprotocolLEACHisstudiedfirst.Aimingatgamestrategiesoncooperativerelayforselfishwirelessnetworks,westudydifferentcooperativerelaysystemmodelsandapplicationscenariosbytheknowledgeofbargaingametheory,optimizationtheoryandthelike.Bytheabovemathematictools,ourresearchgoalsaretoimprovethewirelesscommunicationsystemefficiencyandtokeeptheper-nodefairness.Wehopeourworkcansomeusefuldiscussionsonapplicationofcooperativerelaytechnologyinpresentfuturewirelessnetworks.

KeyWords:

WirelessSensorNetwork;HierarchicalRoutingProtocol;GameTheory

第一章引言

1.1研究背景及意义

无线传感网络由部署在监测区域内的大量微型传感节点组成，采用无线通信的方式形成一个单跳或多跳的自组织网络系统，网络中的传感器节点可以监测、采集、处理、传输被监测对象的信息并将之报告给用户。

用户也可以发布对网络的各种控制信息。

无线传感器网络使人们可以通过网络来直接的感知现实世界，极大地丰富了人们获取现实世界中各种信息的内容和方式，被认为是二十一世纪最重要的技术之一。

早在1999年，商业周刊便将传感网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一，麻省理工学院的《技术评论》（TechnologyReview）杂志更是将无线传感器网络评为对人类未来生活将产生深远影响的十大新兴技术之首，美国《今日防务》认为无传感器网络将带来一场军事技术革命和未来战争的变革。

传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官被称为全球未来的三大高科技产业潮。

近年来，随着传感技术和通信技术的发展，无线传感网络的应用越来越广泛，受到军事、医疗、环境监测、智能交通、智能家居等各个领域的广泛重视。

例如在军事领域，无线传感网络可以用来监控战场情况、敌方兵力及装备部署变化等。

无人值守地面传感器对现代战争的作用不言而喻，声学、压电和震动传感器均能布置在战场中联网工作，获取关键及时的战场情报;在医疗卫生应用中，己经出现了可以增强或替代人体器官的基于传感器的电子设备，这些生物医疗传感器甚至可以让盲人重见光明、帮助聋人获得听力。

无线传感器网络技术的巨大科学意义和应用前景己经引起世界各国军事界、工业界以及学术界的广泛关注。

发达国家相继启动了许多针对无线传感器网络技术的研究计划。

我国在2006年发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中为信息技术确定的三个前沿方向中，智能感知和自组网技术就是直接与无线传感器网络技术相关的。

无线传感器网络虽然有着传统有线和无线网络无法比拟的优势，但也由于自身的特殊性，存在着一些瓶颈:

无线传感器网络中传感器节点的能量资源、计算能力、存储能力和带宽均非常有限，且节点分布密集，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络路由协议设计的首要问题。

路由协议是网络节点相互通信的基础，是网络层的关键技术，无线传感器网络的特点，决定了其路由协议的特点必定不同于传统有线和无线网络的路由协议，无线传感器网络的路由协议应更多关注传感器节点能量的有效性，使整个网络内的所有节点能耗速度趋于相同，否则某些节点过早死亡，会使得整个网络在短时间就出现覆盖空洞，失去对监测区域的监测意义。

因此，设计合理的路由协议对降低及平衡网络中传感器节点的能耗，延长网络的生存时间有着重要意义。

1.2国内外研究现状

有关无线传感器网络的研究最早起源于上世纪70年代，在当时，通过将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构了传感器网络的最初雏形，被称之为第一代传感器网络。

随着相关学科的不断发展和进步，传感器的功能口益强大，通过与传感控制器相联，构成了具有综合信息处理能力的传感器网络，被称为第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

发达国家非常重视无线传感器网络技术的发展，目前，美国几乎所有的著名院校都有研究人员在进行无线传感器网络技术方面的研究。

除此之外，军事领域的应用需求也是无线传感器网络发展的主要推动力量之一，受到了很多军事发达国家的普遍重视。

由于传感器节点分布密集、成本低、部署方式多样，有很强的容错能力，不会因为个别或少数节点遭受恶意攻击而导致整个网络崩溃和失效，因而非常适合应用在恶劣的战场环境中。

在美国，早在2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，美国海军也确立了“传感器组网系统”研究项目。

这些应用都是基于无线传感器网络技术，其目的是为了可以更为详尽、准确的获取战场情况，使情报侦察与获取能力大为提高。

近年来，美国更是在战斗识别、无人值守地面传感器群、目标定位网络嵌入式系统技术、防生化网络等方面不断加大投入，取得了很多很有价值的研究成果。

在我国，无线传感器网络技术的研究与应用几乎与发达国家同步启动，近年来，许多科研单位和院校都成立了相关的研究机构，如中国电子科技集团49所、清华大学和哈工大等，在理论和实践方面都取得了一定的成就。

目前，无线传感器网络技术的研究主要集中在路由协议方面，路由协议是网络层的关键技术，针对无线传感器网络的特殊性，目前己有多种路由协议，按网络结构可以大致分为两类:

平面路由协议和分层路由协议。

在平面路由协议中，网络中的各个传感器节点在路由功能上相同，路由方式比较简单，其优点是网络中没有特殊的节点，流量均匀的分散在网络中，路由算法易于实现，缺点是可扩展性不强，不适用于规模较大的无线传感器网络。

比较典型的算法有DD,SPIN协议，Rumor协议,SAR协议等。

与平面路由不同，分层式路由协议采用簇的概念将网络进行分层，网络中的传感器节点根据成簇算法组成大小相等或不等的簇，每个簇内有一个簇首，簇内成员节点只与簇首通信，将采集数据发送至簇首，簇首根据路由协议，在进行数据融合后或将数据直接发至汇聚节点或发至其它簇首转发至汇聚节点。

分层式路由协议相对于平面式路与协议，消除了泛洪广播控制消息的能耗，大大减少了网络通信量，分层式路由在均衡网络负载方面也有较好的表现，由能量高的传感器节点担任簇首，可有效避免前期能量消耗较快的节点过早死亡，均衡了网络能耗，从而延长网络生存时间。

分层式路由协议也具有很好的可扩展性，但需注意的是成簇过程中需要一定的能耗，成簇算法不宜太过复杂。

典型的分层式路由协议有LEACH,TEEN,HEED,SolarLEACH,PEGASIS等。

第二章无线传感器网络及博弈论

2.1无线传感器网络简介

无线传感器网络由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，传感器节点间采用无线或红外、光等通信的方式形成一个单跳或多跳的自组织网络系统，网络中的传感器节点感知、采集其感兴趣的信息，并将之发送给用户，用户也可以发布对网络的各种控制信息。

与传统的无线网络相比，无线传感器网络具有如下特点，这些特点成为其路由协议设计的主要依据。

1.传感器节点资源有限:

这里的资源主要是指传感器节点本身的硬件资源，因为受限于成本、体积等，传感器节点本身的计算能力、存储能力和带宽等资源都十分有限。

2.传感器节点能源有限:

绝大多数传感器节点都是由自身携带的电池供电的，而电池的容量是有限的，一旦电量用完则无法补充，传感器随即失去作用，虽然目前有学者研究为传感器配备可用太阳能充电的充电电池，但也要受限于天气等其他因素的影响。

3.传感器节点数量多，分布范围广:

在很多应用环境下，如环境监测、森林火灾监测和战场无人值守地面传感器群等需要在监测区域内投放大量的密集分布的传感器节点，这使得整个网络的维护变得十分困难甚至是不可行的，这就要求整个无线传感器网络的软、硬件必须具有很高的强壮性和容错性。

4.网络拓扑不稳定:

无线传感器网络的拓扑具有较强的不稳定性，无论是传感器节点本身还是监测对象都很可能具有移动性，且原有的传感器节点可能会因为能量耗尽退出网络，因为工作需要又可能有新的传感器节点加入，无线传感器网络的拓扑结构可能会随时发生变化，因此，无线传感器网络自身必须具有可重构性和自调整性。

5.网路结构简单:

在无线传感器网路中，监测区域内没有专门的路由器、交换机等网络设备，路由、转发等功能都由传感器节点完成。

传感器节点部署到监测环境后，通过路由协议或分布式算法可以自动的组成网络，并在运行过程中动态的维护网络拓扑。

6.不安全性:

在很多应用环境中，传感器节点被部署在开放的现实世界中，没有或无法进行专门的服务与维护，且无线传感器网络主要采用广播通信的方式，使得无线传感器网络非常易于遭受窃听、路由欺骗、消息篡改和拒绝服务等攻击。

2.1.1无线节点协作中继

2.1.1.1分集技术

信道质量是影响无线通信效能的一个重要因素，而其中多径衰落对无线传输速率与质量的影响尤为明显，对抗多径衰落的一个有效措施便是采用分集。

分集可分为两类：

接收分集和发送分集。

接受分集是指在若干个支路上接收相互间相关性很小的且载有同一消息的信号，然后通过特定技术将各个支路信号合并输出，便可在接收终端上提高裁决准确度，大大降低多径衰落对接收质量的影响；发射分集是指在发射端通过使用多个独立天线来主动为接收端提供多个独立衰落的样本，从而可