无线体域网间基于博弈论的干扰协调关键技术研究

论文摘要

无线体域网（WBANs）作为一种新的医疗模式为传统医疗行业的改革带来了机会和希望。为了保证数据可靠传输,各个无线体域网内采用时分多址（TDMA）或者频分多址（FDMA）方式来避免同网内传感器节点之间的干扰,本文将采用这两种接入方式的体域网分别简称为TDMA-WBANs和FDMA-WBANs。然而,无线体域网用户的移动性和社交性,以及网络可用资源的有限性,使得多个体域网聚集在一起时会引发严重的干扰问题,导致网络性能下降。对应用于医疗健康监控的无线体域网来说,不可靠通信甚至会危及到用户的生命安全。因此,本文针对共存无线体域网间的干扰问题,研究基于博弈论的干扰协调关键技术;并根据无线体域网用户之间是否相互信任,分别研究合作共存与非合作共存两种应用场景。具体而言,本文的研究内容及创新点主要包括以下三个方面:（1）针对TDMA-WBANs在合作共存场景中的网间干扰问题,提出了一种基于讨价还价博弈模型的功率控制机制（PCBG）。该机制设计了紧急指数和能耗因子来分别衡量当前感知数据的异常性和过去传感器节点的能效性,并将最大化网络纳什积模型等效转化为凸优化模型以得到纳什讨价还价解（NBS）。仿真结果表明,PCBG机制缓解了网间干扰,通过使传感器节点根据紧急指数和能耗因子动态调整自身的发送功率提高了异常数据传输的可靠性和实时性以及网络能效性;并且与基于传统优化模型的功率控制机制相比较,PCBG机制均衡了网络整体效用和网间资源分配的公平性,与近几年研究中提出的功率控制机制相比较,PCBG机制能够以较低的功耗得到较高的数据传输质量。（2）针对FDMA-WBANs在合作共存场景中的网间干扰问题,提出了一种基于讨价还价博弈模型的网间容量分配机制（CABG）;并在此基础上提出了一种基于斯坦科尔伯格博弈模型的网内功率控制机制（PCSG）。在PCSG机制中,协调器通过定价来调控同网内传感器节点的发送功率以满足CABG机制带来的网络容量约束;并设计了非统一定价算法和统一定价算法。另外,本文通过增加约束条件将非凸优化定价问题转化为凸优化问题以得到斯坦科尔伯格均衡（SE）,且考虑了传感器节点的优先级。仿真结果表明,CABG机制可以在避免网间干扰的同时满足各个体域网的最小速率需求,保证数据的优先级。PCSG机制与传统的无优先级的功率控制机制相比较,虽然带来了34.61%的额外功耗,但是可以满足数据对传输数率的多样性需求;而与无定价的功率控制机制相比较,PCSG机制将功耗降低了71.3%。（3）针对TDMA-WBANs在非合作共存场景中的网间干扰问题,提出了一种基于斯坦科尔伯格博弈和贝叶斯博弈模型的功率控制机制（PCSBG）。一方面,为了减小协调器端承受的干扰信号强度,同时提高传感器节点的数据速率,本文建立斯坦科尔伯格博弈模型来描述相邻体域网内协调器与传感器节点之间的交互关系;另一方面,由于非合作的TDMA-WBANs之间不能完全掌握彼此的时间调度信息,因此构建贝叶斯博弈模型来描述相邻体域网内传感器节点之间的交互关系。另外,该机制定义传感器节点的优先级并设定正相关于优先级因子的节点唤醒概率,以保证采集数据的时效性。仿真结果表明,PCSBG机制缓解了网间干扰,折中了网络传输速率和网间公平性,并且可以快速收敛至均衡解;与现有的BGPC机制相比较,PCSBG机制通过设计动态定价函数提高了网络的能效性。综上所述,本文主要针对共存无线体域网间的干扰问题,提出了基于博弈模型的分布式干扰协调机制。根据不同的共存场景,建立了相应的框架模型,并设计了实用性算法。通过理论分析和仿真结果验证了本文研究工作的可行性和有效性,为无线体域网的应用提供了参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 无线体域网概述
•     1.1.2 无线体域网的网络架构和网内拓扑
•     1.1.3 无线体域网的特点
•     1.1.4 本文的研究意义
•   1.2 博弈论概述
•     1.2.1 合作博弈与纳什讨价还价解
•     1.2.2 非合作博弈与纳什均衡
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 非基于博弈模型的干扰协调机制
•     1.3.2 基于博弈模型的干扰协调机制
•     1.3.3 已有研究存在的不足及面临的挑战
•   1.4 本文研究内容和组织结构
•     1.4.1 本文主要研究内容
•     1.4.2 论文组织结构
•   参考文献
• 第二章 合作共存TDMA-WBANs中的功率控制
•   2.1 系统模型与问题描述
•     2.1.1 系统模型
•     2.1.2 问题描述
•   2.2 基于讨价还价博弈模型的功率控制机制
•     2.2.1 效用函数设计
•     2.2.2 纳什讨价还价解
•   2.3 PCBG机制的可行性分析与性能评估
•     2.3.1 PCBG机制的可行性分析
•     2.3.2 PCBG机制的性能评估
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 合作共存FDMA-WBANs中的联合子信道分配与功率控制
•   3.1 系统模型与问题描述
•     3.1.1 系统模型
•     3.1.2 共存无线体域网间的子信道分配问题
•     3.1.3 无线体域网内的功率控制问题
•   3.2 基于讨价还价博弈模型的网间容量分配机制
•   3.3 基于斯坦科尔伯格博弈模型的网内功率控制机制
•     3.3.1 基于非统一定价的功率控制机制
•     3.3.2 基于统一定价的功率控制机制
•     3.3.3 基于定价的功率控制机制的实现过程
•   3.4 仿真分析
•     3.4.1 CABG机制的可行性分析与性能评估
•     3.4.2 PCSG机制的可行性分析与性能评估
•   3.5 本章小结
•   参考文献
• 第四章 非合作共存TDMA-WBANs中的功率控制
•   4.1 系统模型与问题描述
•   4.2 基于斯坦科尔伯格博弈和贝叶斯博弈模型的功率控制机制
•     4.2.1 效用函数设计
•     4.2.2 斯坦科尔伯格均衡解
•   4.3 PCSBG机制的可行性分析与性能评估
•     4.3.1 PCSBG机制的可行性分析
•     4.3.2 PCSBG机制的性能评估
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 总结与展望
•   5.1 论文总结
•   5.2 研究展望
• 附录 缩略语表
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王静贤

导师: 孙咏梅

关键词: 共存无线体域网,干扰协调,功率控制,子信道分配,博弈论

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 数学,电信技术

单位: 北京邮电大学

分类号: TN92;O225

总页数: 124

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