新无线体域网

体域网1绪论1.1研究背景及意义近年来，随着经济的发展，人们对生活品质的需求不断提升。随着传感器技术的成熟，无线通信技术的不断发展，无线体域网的应用逐步进入人们的日常生活。以远程医疗监护为例，无线穿戴式医疗监护已成为了可能。根据需求，人们可通过将各种传感器置于身体各部位，组建所需要的无线体域网结构，通过传感器端的检测和发送数据来获到人体健康、运动等状况。对比传统医疗存在的不足，远程无线医疗监控通过在患者身体上布置无线体域网，将医护人员所需要的各种生理参数通过无线的方式传送至监控仪器，这样可以避免仪器线路的影响，也解决了仪器对病人活动空间的影响，也减轻医护人员24小时监护病患的工作量，工作数据记录也可完整无误。此外，无线监护系统的长期监控状态，在病理数据累积的过程中，起到了预防疾病的作用。对于正常的健康人，也可以通过这样便携的监护体系进行健康保健。同时，在一些特定的人群中，比如运动员，可以通过监测心律、体温以及运动速度强度等信息，来提示运动员控制训练强度，在无形之中监护系统也起到了健康体能教练的作用。同时，无线体域网也能帮助残疾人定位，进行行动导航。随着技术的成熟和发展，无线体域网在日常生活、医疗、娱乐、军事等领域也将有着重要的地位和应用。也就是说，无线体域网所涉及到的范围可以大致分为医疗应用和非医疗应用这两大类。无线体域网在多方面的应用都将发挥着显著的意义，因此对无线体域网的深入研究有着深远的意义。目前，越来越多的学者专家投入到无线体域网的研究领域，而随着应用当中越来越多的需要以及限制，对无线体域网的系统和架构的思考有了新的要求和挑战。例如，能量限制、数据传输速率的可变范围、可靠性和服务质量、针对医疗专业人士的易用性、互操作性、防干扰、安全性等。IEEE802.15.1是第一个将短距离作为重点的个域网标准，而IEEE802.15.4则将重点放在了低功耗的操作上。之前的研究表明，IEEE802.15.4只满足了低速率的医疗应用寿命要求，而事实上IEEE802.15.4标准却为医疗应用提供了一个解决方案[3]。2004年起，国际届每年会召开BSN（BodySensorNetwork）会议来交流探讨无线通信领域相关体系的技术细节。2007年11月，IEEE组织成立了IEEE802.15.6工作小组，该小组旨在制订专门用于无线体域网的通信标准。2010年5月，IEEE802.15.6工作小组创建了标准的初稿，并正在继续对其进行完整和发展。相关的文件中总结改进了各专家探讨提出相关的技术细节，旨在推动无线体域网这一交叉技术领域的进一步发展。然而，目前针对于无线体域网所提出的媒体接入方法还不能完全满足网络在应用过程中低功耗、可靠性等方面的需求，所以对无线体域网MAC层的深入研究对改善网络及系统性能很有必要。1.2.1无线体域网主要特征（1）低功耗无线体域网对于植入体内的传感器节点很难替换和充电，即便对于穿戴的体外传感器节点也便于经常更换电池和充电。所以，在能耗的利用上无线体域网的要求更加严格，对于无线体域网的网络协议设计，首要目标是保证能量的高效利用[5]。（2）可扩展性无线体域网不同于传统意义上的无线网络，无线体域网规模比较小，由人体体表或体内植入的几个到十几个传感器节点构成。可以这样理解，无线体域网是以人体为载体的无线传感器网络。另外，由于人体四肢的运动，网络拓扑在一定程度上会有相对的变化。所以无线体域网是一个动态的随人体活动变化的无线传感器网络。（3）可靠性基于人体为载体的无线体域网信号传输中的衰减也比较大。人体环境结构的特异性和阴影效应会造成信号传输过程中的极大路径损耗，也就是说无线体域网在通信过程中所需要的能量也比同规模的其它网络要大很大。与传统的以数据为中心无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)相比，WBAN有着如下特点:a)网络规模小。研究表明，人体体表或体内大约可以部署10～20个各类传感器节点［3］，因此它不可能像WSN那样，向目标区域随机部署大量的传感器节点，让它们以协作的方式完成对某一参数的采集任务，这样就增加了对单个节点数据处理能力和能耗的要求。b)能量高度受限。对于植入体内的传感器节点很难替换和充电，即便是对可穿戴式的传感节点进行替换也是对人体有侵害性的，而且影响人体的舒适度［1］，这就要求每个传感器节点利用有限的能量最大限度地延长自身的生命周期。c)信号传输的衰减快，由于人体组织结构的特异性和阴影效应，信号传输过程中会造成极大的路径损耗［4，5］，这也就意味着WBAN中通信所需要的能量要比同等规模的其他网络多得多。d)网络的异构性。WBAN中的每个节点因其功用不同而被部署在人体的特定位置，每个节点都以不同的频率和数据速率完成对不同目标参数的采集和发送，因此对单个节点的能耗要求更高。e)无线链路的时变性［6，7］。WBAN是以人体为中心的网络，人体姿势的轻微变化(尤其是人体四肢的活动)都会影响整个网络的拓扑结构，由此带来的通信中断而产生的数据重传以及网络拓扑的重构都会消耗大量的额外能量。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章功率控制技术及博弈论15在博弈论决策中，多个博弈参与者共同影响博弈的结果；而在最优化决策理论中，决策者自己就可以掌握决策结果。2.2.2博弈论的发展历程在历史发展进程中，博弈论的思想很早就出现：古代中国的“田忌赛马”蕴含着博弈的思想；JamesWaldegrave在1713年提出了两人博弈的极小极大混成博弈策略；古诺(Cournot)在1838年提出的产量竞争模型、埃奇沃思(Edgeworth)在1881年提出的契约曲线及贝特朗(Bertrand)在1883年提出的价格竞争模型都包含着博弈思想。然而，人们对博弈思想的理论化研究20世纪以后才真正深入。1928年，冯·诺依曼运用最小最大定理解出了二人零和博弈模型，为博弈论的发展指引了方向。随后，冯·诺依曼联合摩根斯坦恩共同出版了《博弈论与经济行为》，将他们定义的关于博弈理论的数学模型及工具进行总结，并提出了将参与者划为联盟的合作博弈思想，指引了博弈论新的研究方向。1950年，约翰·福布斯·纳什(JohnForbesNash)在他的博士论文《非合作博弈》中，将博弈论由整体利益转向个人利益，提出了非合作博弈的理论[22]，并详细阐述了纳什均衡(NashEquilibrium)的思想及其存在性。基于纳什均衡在复杂博弈模型中的局限性，塞尔顿在1965年提出了子博弈完美纳什均衡思想(SubgamePerfectNashEquilibrium)，扩大了纳什均衡理论的应用范围。此后，在1967年，考虑到不完全信息情况下纳什均衡的应用，海萨尼提出了贝叶斯纳什均衡(BayesianNashEquilibrium)理论。在此阶段，纳什均衡理论的基本思想及纳什均衡解的存在性和唯一性的证明得到迅速发展。20世纪60年代到80年代，博弈论得到进一步的丰富和发展，并逐渐走向成熟。在这一时期，学者们经过不断的深入研究，提出了“微分均衡”、“重复博弈”、“强均衡”以及完全信息动态博弈等概念，并产生了大量研究成果及文献。计算机技术的迅速发展，使博弈理论能够用于较复杂的模型中，得到其博弈解。比如博弈论已应用于政治学、军事学、生物学、统计学等多门学科中，逐渐成为人们解决决策问题的工具。近年来，博弈论不断得到发展和完善。1994年，诺贝尔经济学奖授予了塞尔顿、萨尼、和纳什三位博弈论学者，以表扬他们在非合作博弈领域里的杰出贡献；在不完全信息激励理论方面，米尔里斯(Mirrless)和维克里(Vickrey)获得了1996年的诺贝尔经济学奖；2005年，谢林(Schelling)和奥曼(Aumann)获得了诺贝尔经济学奖，以表彰他们将成熟的博弈理论成功运用于社会生活中，使人们对冲突与合作的关系更加了解。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章功率控制技术及博弈论172.2.4博弈论的分类实际中可从不同的方面对博弈进行划分，比如依据博弈参与者的数量多少，可分为双人博弈和多人博弈；依据博弈参与者选择决策行为的先后顺序，可分为动态博弈(DynamicGame)和静态博弈(StaticGame)；依据博弈参与者对其他参与者所了解信息的多少，可分为完全信息博弈(GamewithCompleteInformation)和不完全信息博弈(GamewithIncompleteInformation)；依据博弈参与者相互的合作关系，可分为非合作博弈(Non-CooperativeGameTheory)和合作博弈(CooperativeGameTheory)。如表2.1所示表示了常见的博弈分类。表2.1博弈的分类分类依据博弈类型参与者数量双人博弈；多人博弈博弈次序动态博弈；静态博弈参与者信息完全信息博弈；不完全信息博弈合作关系非合作博弈；合作博弈近年来博弈论的主要研究方向为非合作博弈及合作博弈。在非合作博弈中，根据博弈参与者的行为次序及在博弈中所获信息的不同，可将非合作博弈划分为：完全信息静态博弈、不完全信息静态博弈、完全信息动态博弈和不完全信息动态博弈。其中，完全信息静态博弈是由纳什提出的，对应的均衡即为纳什均衡；不完全信息静态博弈由海萨尼在1967年提出，在对其他博弈参与者类型进行预测时，需采用贝叶斯法则，因此对应的均衡为贝叶斯纳什均衡；赛尔顿在1965年提出了完全信息动态博弈，将完整博弈划分成若干个子博弈，所对应的均衡为子博弈精炼纳什均衡；不完全信息动态博弈由赛尔顿在1975年提出，所对应的均衡为精炼贝叶斯纳什均衡。如表2.2所示。表2.2博弈按参与者信息的分类时间次序信息静态动态完全信息约翰纳什纳什均衡赛尔顿子博弈精炼纳什均衡不完全信息海萨尼贝叶斯纳什均衡赛尔顿精炼贝叶斯纳什均衡在合作博弈中，每个博弈参与者采取的是一种合作的方式，或者说是一种妥协，目的是通过合作的方式使得每个博弈参与者及整个系统的收益都达到最优。合作博弈注重的是整体南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章功率控制技术及博弈论162.2.3博弈论的基本模型博弈论包含自身的博弈模型，其中，一个完整的博弈模型包含3个基本组成部分，即博弈参与方(Player)、策略行为集合(Strategyset)及效用函数(UtilityFunction,UF)。由此，可以从5个方面来对博弈论的基本模型做详细的描述，即G={P,A,S,I,U}。（1）P(player)，博弈的参与者，也可称为“局中人”“博弈方”，是指在博弈中独立决策、独立承担后果，并且使自身利益达到最好来选择策略行为的决策主体。其中，博弈的参与者可以是个人也可以是团体组织。无论参与者是个人还是团体，一旦参与博弈，各参与方互相平等，都必须按照一定的博弈规则确定自己的策略行为。（2）A(action)，所有博弈参与者的策略行为组成部分。指在博弈过程中，每个参与者在与其他参与者进行博弈时，可选择的行为策略。对于博弈局中人来说，在不同的博弈过程中可以选择的策略行为是不同的，即使同属于一个博弈过程中，可选择的策略行为也是不同的，可能是一种或是多种，甚至无限多种。（3）S(strategies)，博弈的次序。在实际的许许多多博弈决策中，当有许多博弈局中人需要进行决策行为时，有时这些博弈参与者需要在同一时间做出决策行为，以保证博弈方的公平性，而有时博弈参与者的决策行为要有不同的先后顺序，而且有的博弈参与者需要做出多次决策行为。因此，在博弈中，需要定义博弈参与者之间的次序，如果两个博弈仅仅次序不同，那么他们是不同的博弈。（4）I(information)，博弈信息。在博弈中，信息的掌握对于博弈方非常重要，信息掌握的越多，博弈参与者的决策行为就越准确。因此，博弈参与者应尽可能的掌握更多的博弈信息，在博弈选择决策行为时更为主动，从而确保决策行为的准确性。（5）U(utility)，博弈参与者的效用，又称为收益。是指博弈参与者选择策略行为后所获得的收益，对于每个博弈参与者来说是其策略行为的函数，是参与者最注重的，比如消费者所获得的收益、厂家所获得的利润。通常判断博弈结果的好