基于博弈论的无线体域网QoS优化研究

摘要

近年来，随着微电子技术和无线通信技术的发展，无线体域网（Wireless Body Area Network, WBAN）在人们生活中的应用越来越广泛：医疗领域、运动娱乐和军事等方面。而由于全世界人口老龄化和慢性病患者数量迅速增长带来的危机，传统的医疗系统正面临着巨大的压力，WBAN作为一种新兴的技术，其在医疗领域中的应用能够大大缓解这一困境。 WBAN中的各个传感器节点负责监测人体不同部位的体征参数，它们类型各异，对网络的服务质量（Quality of Service, QoS）需求有差异。例如不同传感器节点对数据传输速率的需求不同，并且传感器节点参数的优先级随医疗应用场景变化而有所区别。所以在综合考虑优先级和传输速率的基础上对网络QoS进行优化，会在一些应用场景中使网络达到更好的性能。同时，由于无线体域网人体信道的特殊性，使得节点能够携带的能量有限。而在一些实际应用场景中，会出现同一区域内有多个WBAN共存的情况，在多网共存情况下的功率控制研究具有较好的理论研究和实际应用意义。 首先，针对WBAN节点异构，对数据速率需求不同的问题和需求，提出了一种基于协作议价博弈的数据速率分配算法。该算法基于医疗场景中的数据优先级、节点的传输失败概率和能耗比建立效用函数，旨在使综合优先级高的节点获得更高传输速率。除了考虑到优先级对传输速率的影响，本文还考虑了节点的传输失败概率和能耗比对传输的影响，建立起节点的综合优先级模型，在此基础上进行数据速率的分配。为了验证该算法的有效性，应用MATLAB软件对该算法进行仿真，经过大量仿真结果表明：该算法能够提高优先级高的节点的平均传输速率约10%。 其次，针对WBAN中能量有限的问题，提出了一种基于非协作博弈的功率控制算法。该算法利用定价因子、数据包传输率（Packet Delivery Ratio, PDR）和传输功率建立效用函数对WBAN中各节点进行功率分配。通过合理的选定定价因子，在数据包传输率和传输功率之间经过迭代达到纳什均衡。其中数据包传输率的定义考虑到了多个WBAN之间的网间干扰和单个WBAN内的人体阴影效应的干扰。为验证算法的有效性，应用MATLAB软件进行仿真，并与现有其他两种功率控制算法进行比较，仿真结果显示该算法与比较算法相比，能够在提高数据包传输率的同时减少功耗。

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摘 要

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注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状分析

1.2.1 无线体域网相关研究

1.2.2 无线体域网相关应用

1.3本文研究的主要内容以及结构安排

1.3.1主要工作

1.3.2内容安排

第二章 无线体域网系统建模

2.1 引言

2.1.1 系统架构

2.1.2 拓扑结构

2.1.3 无线体域网特点

2.2 基于协作博弈论的平均数据传输速率优化系统建模

2.2.1 系统模型

2.3 基于非协作博弈论的传输功率控制优化系统建模

2.3.1 系统模型

2.4 本章小结

第三章基于协作博弈论的平均数据传输速率优化

3.1 引言

3.1.1 协作博弈

3.1.2 纳什议价解

3.2 效用函数

3.3 纳什议价解

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第四章基于非协作博弈论的传输功率控制优化

4.1引言

4.1.1 非协作博弈

4.1.2 纳什均衡

4.2 效用函数

4.3 纳什均衡解

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2未来展望

参考文献

致 谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果