无线传感器网络中多信道分配问题研究

摘要

随着无线传感器网络技术的日益成熟,无线传感器网络的各种应用不断涌现。这必然导致多个不同应用的无线传感器网络共存于一个地理区域的趋势,由于传感器网络本身节点的密度就很高,这一趋势必然进一步增加同一区域的节点密度,加剧无线传感器节点之问的通信干扰。这样,传统的单信道通信方式就不能够处理这种急剧增加的干扰状况,因而在无线传感器网络中引入多信道技术并设计多信道分配算法成为降低通信干扰的一种必要手段。
　　 尽管在一般无线网络中关于信道分配问题的研究已经非常成熟,但是在无线传感器网络中信道分配的研究具有新的挑战:节点的能量有限、计算存取能力有限以及通信能力有限等。这些限制要求设计具有能耗小、抗干扰效率高以及计算复杂度低等特点的信道分配算法.本文针对这些挑战做了如下工作:
　　 本文设计了一种高效的静态分配算法。静态分配算法产生的额外通信量非常少,但往往抗干扰的效率不高。本文构造了一个静态分配重复博弈,并基于最佳回应策略设计了一个静态分配算法(GBCA).并把GBCA的适用范围从最初的树型路由结构网络扩展到一般路由结构网络。理论分析表明GBCA能够在多项式时间内收敛到一个纳什平衡点,并界定了该纳什平衡点的次优度.仿真表明了GBCA获得了非常好的网络性能(如吞吐量、传递率、信道访问时延以及单位能耗),有着良好的抗干扰效果。
　　 本文还设计了一种轻量级动态分配算法.动态分配算法抗干扰的效率很高,但往往要交换很多信息,造成额外的通信量。本文构造了一个动态分配重复博弈,基于后悔度匹配策略设计了一个动态分配算法(RMCA).理论分析表明该算法能收敛到一个相关平衡点,仿真也表明了RMCA在获得良好抗干扰性能的同时极大地降低了额外通信量。除此以外,本文还对RMCA的性能进行了实验评估,实验结果表明RMCA在实际应用中具有良好的网络性能。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 无线传感器网络概述

1.1.1 无线传感器网络的主要应用

1.1.2 无线传感器网络的主要优点和限制

1.2 信道分配问题概述

1.2.1 广泛存在的信道分配问题

1.2.2 信道静态分配

1.2.3 信道动态分配

1.3 无线传感器网络中的信道分配问题概述

1.3.1 无线传感器网中使用多信道的必要性

1.3.2 无线传感器网络中多信道分配问题的难点

1.3.3 已有的无线传感器网络多信道分配算法

1.4 论文结构

第二章 博弈论基础知识介绍

2.1 博弈的形式化描述和基本概念

2.2 典型的收敛机制和效率评价

2.2.1 最佳回应策略和较佳回应策略

2.2.2 梯度回应策略

2.2.3 后悔度匹配回应策略

2.2.4 博弈的效率

2.3 博弈论在无线传感器网络中的应用

2.4 本章小结

第三章 无线传感器网络中的信道静态分配

3.1 多信道静态分配问题描述

3.1.1 传感器节点间干扰关系的描述

3.1.2 多信道静态分配问题的形式化描述

3.1.3 多信道静态分配是NP-hard问题

3.2 基于博弈的信道静态分配算法

3.2.1 构造信道静态分配博弈

3.2.2 信道分配博弈的理论分析

3.2.3 基于最佳回应策略的多信道静态分配算法

3.2.4 仿真结果

3.3 一般路由结构情况的研究

3.3.1 虚拟节点的引入及静态分配算法的扩展

3.3.2 仿真结果

3.4 本章小结

第四章 无线传感器网络中的信道动态分配

4.1 多信道动态分配问题的描述

4.1.1 传感器节点干扰的度量指标

4.1.2 构造信道动态分配博弈

4.2 基于后悔度匹配的信道动态分配算法

4.2.1 基于后悔度匹配的分配算法设计

4.2.2 仿真结果

4.3 信道动态分配实验

4.3.1 实验设置

4.3.2 实验结果

4.4 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 主要工作总结

5.2 研究展望

参考文献

附录:作者硕士期间发表论文及参与项目情况