基于功率控制的无线体域网间同频干扰抑制

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人类老年化的进程促使人们把更多的注意力放在了电子健康领域(E-health),致力于普适医疗、监测、应急报警等于一体的无线体域网(Wireless Body Area Network, WBAN)应运而生。无线体域网工作在ISM公用频段上,除了和常见的蓝牙、Zigbee、WiFi等设备共享频段外,更在其大规模部署的医院、社区、车站等环境中面临无线体域网相互之间竞争有限的频谱资源问题。传统的基于时分和频分的资源分配策略方案都无法适用于这样的无线体域网密集分布环境,在这些共存策略失效之后,必然存在多个无线体域网占用相同信道同时工作,引发同频干扰问题,使得无线体域网传输的数据面临严重出错的危险,这对应用于人体生理数据检测、传输重要健康数据的无线体域网来说是无法容忍的。因此,设计出密集场景下的无线体域网间同频干扰抑制策略对于普适医疗的践行具有重大的意义。本文针对无线体域网大规模部署的密集应用场景下的同频干扰问题,提出通过控制发送功率来控制干扰问题,由于无线体域网间的独立性,调整自己功率的同时势必会造成对其他无线体域网的影响,因此我们引入博弈论的方法来解决同频干扰问题,将各个无线体域网模拟成博弈参与者,通过调整策略(发送功率),使得所有共存的无线体域网达到纳什均衡的稳定状态。在分析了无线体域网的内部多链路结构和异构性等重要特征之后,提出了基于服务质量(Quality of Service, QoS)功率控制的静止场景下的无线体域网间干扰抑制策略;此外,在考虑了真实场景下的移动性带来的影响之后,我们还提出了移动性场景下的无线体域网间同频干扰抑制策略,下而分别进行描述:1.在无线体域网间的相对位置保持不变的时候,基于无线体域网内部更真实的多链路情景,考虑不同应用节点的异构性QoS需求以及有限的节点能量,构建了基于QoS满意度的功率控制博弈模型。然后对该博弈模型纳什均衡解的存在性进行了证明,并推导出了保证唯一性纳什均衡解的允分条件;为了克服无线体域网间的相互独立性带来的无法获得其他无线体域网的有效信息问题,进而提出了一种纳什均衡解的近似求解算法。仿真结果证明了提出的博弈模型的高效性以及近似纳什均衡解求解算法逼近理论解的有效性。2.在此基础上,进一步考虑无线体域网固有的社会移动性带来的影响。构建了移动性场景下的功率控制博弈模型,即使移动性使得无线体域网信道增益是个动态变化的值,网间拓扑结构也在实时变化,但是本文构建的博弈模型被证明仍然存在至少一个纳什均衡解,并且保证唯一性纳什均衡的条件也被推导出来。最后设计了移动性场景下的求解纳什均衡解的收敛性算法,实验仿真结果显示了该算法仍然能够收敛到稳定的纳什均衡解。
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