基于博弈论的无线自组织网络功率控制技术研究

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无线自组织网络,又称为无线Ad Hoc网络,是由若干个具有无线通信功能的节点组成的,不依赖于任何固定基础设施的,通过节点间相互协作进行网络互联的一种多跳自组织临时性自治网络系统。功率控制作为无线自组织网络的关键技术之一,承担着降低节点能量消耗,延长节点和网络寿命,同时调节节点发射功率,减少对邻居节点的干扰进而提高网络吞吐量的任务。   近年来,博弈论越来越多地被运用于通信网络的研究,本文主要研究了博弈论在无线自组织网络功率控制方面的应用,希望通过将功率控制建模为博弈过程研究和改善自组织网络的性能。   论文首先对无线自组织网络及博弈理论进行了简要的介绍,并概述了现有的基于博弈论的功率控制算法研究。   其次,本文研究了基于非合作博弈的功率调度算法。针对分布式的无线自组织网络,节点具有自治的特性,符合博弈论对参与者理性、自私的假设,设计了以链路吞吐量为优化目标的效用函数,将自组织网络的空时功率调度建模为非合作博弈,并证明了博弈纳什均衡的存在性和唯一性。为了防止节点的盲目竞争行为影响网络性能,本文在效用函数中引入了一种考虑信道质量的代价函数,以限制自私节点的不合理行为。仿真结果表明,非合作博弈算法在获得网络吞吐量的帕雷托改善的同时,以较低的计算复杂度实现了功率的分布式调度,更符合无线自组织网络分布式自治的特性及节约能耗的需求。   然后,本文研究了基于合作博弈的功率调度算法。非合作博弈理论的前提决定了其参与者的自私本质,这种相互竞争关系不利于集体利益的提升。有鉴于此,本文介绍了合作博弈的基本概念与纳什议价解的主要思想,进而提出了一种基于合作博弈纳什议价解的功率调度算法,并采用梯度投影方法求该算法的最优解。仿真结果表明,合作博弈功率调度算法在保证节点间公平性的同时,提高了网络吞吐量,优化系统整体性能,实现了资源分配上效率与公平的折衷。   最后,本文设计了基于重复博弈的功率调度机制。在进行了非合作博弈和合作博弈两种一次性博弈研究的基础上,本文提出更符合网络实际情况的基于重复博弈理论的空时功率调度机制。通过将功率调度建模为无限重复博弈,设计了一种在重复博弈过程中迫使非合作节点选择合作策略的惩罚机制,并进行了机制的有效性分析。实验结果表明,本文设计的惩罚机制能有效检测出节点的背离合作行为,进而对该自私节点进行孤立惩罚,促使节点自愿地采取合作策略,实现网络长期高效的功率调度。
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