论文摘要
随着嵌入式系统、低功耗无线通信和微电子机械系统等技术的发展,传感器网络作为近几年新兴的研究热点之一,可应用于军事,商业,医疗,环境保护以及灾难拯救等许多重要领域,已经成为计算机学科一个活跃的研究分支。由于传感器节点体积微小,携带电量十分有限,因此一直以来,网络的节能性成为衡量传感器网络性能的一个重要指标。与处理和传感过程相比,通信过程消耗了传感器节点的绝大部分能量。而相对于通过数据融合技术降低数据载荷而言,节点标识的能耗开销显得比较突出。因此,研究如何减少地址标识的能量消耗,对于降低节点能耗、延长传感器网络的生命期有着十分重要的意义。本文围绕如何设计和实现高效的标识分配机制这一问题,开展了以下研究工作:针对传感器网络地址分配过程中为了避免地址冲突而导致通信能耗较大的问题,提出一种基于静态博弈模型的地址标识分配算法。在采用地址复用技术的基础上,算法将每个传感器节点看作博弈模型中的一个决策者,定义每个决策者的利益为分配到与其两跳范围内邻居不产生冲突的地址标识。模型的平衡状态即是指每个决策者的利益得到满足,各节点分配到局部唯一的地址标识。因此,算法可通过使博弈模型达到纳什平衡来解决传感器网络中的地址标识分配问题。在进行地址分配时,利用博弈模型中每个决策者根据其邻居节点信息可独立地进行决策的特性,算法避免节点间发送大量的交互信息,降低了地址分配算法的通信消耗。实验结果表明,与Proactive相比,MAAS算法的地址冲突率降低了61%,地址分配过程中传输的数据包数目减少了62%。针对传感器网络中地址标识分配未考虑节点传输频率从而增加了传输能耗的问题,基于合作博弈模型,提出一种适用于传感器网络的MAC地址分配算法。算法将数据传输频繁节点与其数据传输频率较低的邻居节点组成联盟进行地址分配。节点的Shapley值与其数据传输频率成正比,从而提高了传输频繁节点在联盟内部的利益比率,使其所分配到的地址长度小于其它节点,节省了数据传输中的能量消耗。实验结果表明,与Proactive和Reactive地址分配算法相比,CMAA在地址分配过程中传输的数据包数目分别减少了62%和31%;与全局地址分配相比,CMAA所分配的地址平均长度减少了约20%。针对传感器网络的整体效益优化的问题,在地址标识分配过程中,从网络整体出发,提出一种能量有效的MAC地址分配算法。在地址分配模型中,将所有节点的共同利益看作传感器网络的整体效益,并引入社会福利函数来解决传感器网络中的MAC地址分配问题。算法将每个传感器节点看作是福利经济学中的一个个体,定义传感器网络的整体效益函数为社会福利函数,并根据节点在数据传输过程中的能量消耗对其进行地址分配。通过对社会福利函数的求解,使得所有节点的地址能耗负载更加均衡,从而达到降低节点能量消耗、延长网络生命期的目的。针对当前地址标识分配算法没有对分配过程中影响能耗的因素进行评估的问题,基于对传感器节点工作能耗特点的分析和数据传输能耗模型,建立传感器网络地址标识分配能量评估模型,对影响地址分配算法能耗的因素进行分析评估,并比较分析不同分配算法的性能表现。
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标签：无线传感器网络论文; 标识分配论文; 地址分配论文; 静态博弈论文; 合作博弈论文; 社会福利函数论文; 福利经济学论文; 能量评估模型论文;