基于合作博弈的无线体域网接入资源分配策略研究

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当今世界正经历百年未有之大变局,我国发展正面临着国内外环境深刻又复杂的变化。中国正在从数量时代迈向质量时代,面向国家在科技创新与人民生命健康方面的重大需求,亟需在智慧医疗、高端医疗装备等以人为中心的科技领域实现突破与发展。无线体域网(WBAN,Wireless Body Area Network)作为物联网(Io T,Internet of Things)的一个重要分支,是由位于人体内部、人体表面以及围绕人体附近的多个相同或不同功能的传感器节点构成的动态异构网络,是一项促进人民福祉的高附加值技术。位于网内的各个传感器负责感知人体及环境参数,并以无线通信的方式实现信息交互与数据传输。目前,无线体域网已经应用于医疗服务、汽车工业、智能穿戴、航空航天、智能家居等多个领域。无线体域网内节点发射电磁波的传输特性、辐射特点,决定了网内各节点的外观与材质应具备微型化和轻量化的特点。与此同时,随着应用场景的扩大化,网络内所包含的对象由单人拓展为多人,所包含的节点也由单一少量的节点扩展为多元大量的节点群。基于上述原因,无线体域网在系统能量受限、信息冗余等方面的问题日益凸显。如何在保证系统高速率、低时延可靠通信的同时,降低系统能耗并减少信息冗余成为了亟待突破的技术瓶颈。第五代(5G,5th Generation)移动通信技术等未来通信技术的逐步推进;柔性电子材料、可穿戴电子织物等新材料的创新突破;能量收集技术等新能源技术的逐渐成熟;博弈论、交替优化等数学理论的发展为这类问题的解决提供了关键性的技术支撑。针对上述问题,本文对基于合作博弈的无线体域网多人多点系统接入资源分配策略展开研究,主要的研究思路如下:首先,引入层级间通信概念,设计符合无线体域网信道特性的多人多点系统模型;其次,根据所构建的系统模型提出多人多点通信传输协议,推导出系统能耗的数学表达式;再次,针对所得能耗函数,提出基于合作博弈的接入资源分配策略即博弈匹配访问算法(GTMA,Game Theory Matching Access Algorithm);最后,在不同的参数条件下进行仿真实验,对所提接入策略的性能表现进行验证。本文的主要工作与贡献如下:一、针对应用场景的多元化与多人化趋势,构建了基于无线体域网的多人多点系统模型。该模型包括多个接入节点及不同类型与功能的传感器,以层级间通信的方式拓展无线体域网的网络结构。同时结合无线能量收集等关键技术,开展接入资源分配策略的研究,在保证系统正常工作的同时,降低系统冗余度。二、针对无线体域网中接入资源分配效率低、能量受限的问题,提出基于合作博弈的无线体域网接入资源分配策略即GTMA策略。基于具有能量收集功能的多人多点系统,提出系统时隙传输协议并推出系统能耗函数,所得到的优化问题为非线性整数规划问题。对该问题进行交替优化,结合博弈论、凸优化等数学理论提出基于合作博弈的无线体域网接入资源分配策略即GTMA策略,从而降低系统能耗,提升网络生命周期。针对上述接入分配策略,结合多人多点系统模型,进行仿真实验。结果显示结果表明,当传感器数目等于16时,GTMA比FA策略能耗低81.64%,比RSUGA低67.27%。在节点数目一定时,经过6次迭代后GTMA策略剩余能量仅仅比最理想的接入策略低10.67%,比随机接入策略高118.95%,比全接入策略高520.37%,优于其他传统接入策略。
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