基于博弈论的水下传感器网络功率分配算法研究

摘要

水下传感器网络近年来在海洋数据收集、污染监测、灾难预防和海上救援等方面应用越来越广泛，但是由于水下环境的特性，通信距离受到了非常大的限制，功率资源十分短缺，严重制约了水下传感器网络的发展。将协作通信应用于水下传感器网络不仅能够扩大通信范围，而且可以缓解功率资源紧缺的现状，并且博弈论是解决协作通信网络中节点间的功率分配问题有效手段。同时，针对水下传感器网络能量受限的问题，提出基于节点剩余能量的功率分配算法，以平衡传感器节点的能量消耗，延长网络生存时间，提高网络通信性能。
　　首先，对水下传感器网络进行了简要介绍，分析了该网络中存在功率资源有限和能量消耗严重的问题，阐述了协作通信原理和中继传输协议。同时描述了博弈论的基本概念和分类，并且给出Stackelberg博弈数学模型。
　　其次，针对水下传感器协作通信网络中功率受限及集中式算法难以实现的问题进行了研究，将水下传感器协作通信网络功率分配问题构建为分布式的双层Stackelberg博弈模型，用户节点和中继节点分别为功率的买卖双方，合理地调整节点间的功率数量和功率价格，并且在理论上证明了Stackelberg博弈均衡解存在。
　　最后，研究了水下传感器协作通信网络的能量消耗问题，根据节点的剩余能量不同，其功率成本也不相同的情况，提出了基于节点剩余能量的Stackelberg博弈功率分配算法，使得剩余能量少的中继节点提供较少的功率进行转发服务，反之则提供较多的功率进行服务，从而平衡节点间的能量消耗。仿真结果也表明，该算法不仅平衡了中继节点间的能耗，延长了水下传感器协作通信网络的生存时间，而且提高了系统总的信道容量。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及结构安排

第2章 协作通信及博弈论研究概述

2.1 协作通信技术原理

2.2 中继转发协议

2.3 博弈论基本概念

2.4 博弈论分类

2.5 Stackelberg博弈模型

2.6 本章小结

第3章 基于Stackelberg博弈的UWSN功率分配

3.1 水下传感器网络协作通信模型

3.2 Stackelberg博弈模型建立

3.3 博弈的求解及分析

3.4 博弈均衡分析

3.5 仿真结果分析

3.6 本章小结

第4章 基于节点剩余能量的功率分配算法

4.1 基于剩余能量的博弈模型建立及求解

4.2 算法流程

4.3 仿真结果分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢