[發明專利]一種具有信噪比約束的無線傳感器網絡滾動時域信噪比估計方法

有效

• 申請號: 201210063706.3
• 申請日: 2012-03-12
• 公開（公告）號: CN102594747A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 俞立;劉安東;歐林林;張文安;陳博;張丹;宋海裕
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H04L25/03
• 分類號: H04L25/03;H04W84/18
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;王利強

1.一種具有信噪比約束的無線傳感器網絡滾動時域信噪比估計方法，其特征在于，具體步驟如下：

(1)、利用信噪比公式，功率控制算法和流速控制算法，得到如下無線傳感器網絡狀態空間模型：

γ‾(k+1)=(1-α)γ‾(k)+αγ^(k)+n(k)]]>

式中，為dB尺度的無線傳感器網絡節的信噪比水平，為dB尺度的無線傳感器網絡節點期望信噪比水平，α為功率調節參數，n(k)為隨機白噪聲，為流速調節參數，c為網絡阻塞率，d(k)為流速增量，，H為無線傳感器網絡信道帶寬；

(2)、以為無線傳感器網絡模型的狀態變量，設定無線傳感器網絡信道容量為F，則最大信噪比為設定信號發送閾值為得到無線傳感器網絡的信噪比約束為得到具有信噪比約束的無線傳感器網絡模型：

xk+1=Axk+wkyk=Cxk+vkxk∈[γ‾min,γ‾min]]]>

式中，

A和C為權重參數矩陣，A=1-αα01-n~c,]]>C=1001;]]>

w_k為無線傳感器網絡的系統噪聲，wk=n(k)n‾d(k);]]>

y_k為無線傳感器網絡的測量輸出信號；

v_k為測量噪聲；

(3)、設定權重矩陣∏，Q和R，設定滾動時域窗口N＝1，狀態變量x_k由初始狀態x_k-1和擾動噪聲w_k-1決定，而x_k-1與w_k-1不相關，將無線傳感器網絡滾動時域信噪比估計轉化為等價的不等式約束最小化問題：

minθ1Ψk(θ1)]]>

s.t.Ψk(θ1)=||xk-1-x^k-1||Π-12+||wk-1||Q-12+||yk-1-Cxk-1||R-12]]>

x_k＝Ax_k-1+w_k-1

y_k-1＝Cx_k-1+v_k-1

γ‾min≤xk≤γ‾max]]>

式中，

θ₁＝(x_k-1，w_k-1)表示決策變量；

表示歐幾里得范數；

為k-1時刻的先驗估計值即參考值，為k-1時刻的估計誤差，

表示對估計值的信任度；

表示對擾動信號的估計；

(4)、將步驟(3)設定的不等式約束最小化問題轉化為近似等價的等式約束優化問題：

minθ1L]]>

s.t.L=Ψk(θ1)-μΣi=1nlogαi-μΣi=1nlogβi-λTΣi=1n(xk-1i-αi-γ-imin)]]>

-λTΣi=1n(γ-imax-αi-βi)]]>

x_k＝Ax_k-1+w_k-1

y_k-1＝Cx_k-1+v_k-1

xk-1-α=γ‾min]]>

α+β=γ‾max]]>

式中，μ為障礙參數，λ為Lagrangian乘子，αⁱ，βⁱ，λⁱ，和分別為向量α，β，λ，x_k-1，和的第i個元素；

(5)、通過LOQO內點法求解步驟(4)中設定的等式約束優化問題，具體步驟如下：

S1-1：初始化，設定測試時間長度K，在可行域的區間范圍內，任意初始化k-1時刻的變量y_k-1和序列{x_k-1，w_k-1，α，β，λ}；

S1-2：根據一階KKT最優化條件，以和{x_k-1，w_k-1，α，β，λ}為初始迭代點，計算出估計增量Δx_k-1和Δλ：

Δxk-1=T-1(-▿xk-1Ψ-(2A+B)-1Λrλ+2μ(2A+B)-1e)]]>

Δλ=HxT-1(2μ(2A+B)-1e-(2A+B)-1Λrλ)+(I-HxT-1)▿xk-1Ψ-λ]]>

式中，μ=0.05(2α+β)Tλk,]]>T＝H_x+(2A+B)^-1Λ，Hx=▿xk-12L=Π-1+CTR-1C]]>為Hessian矩陣，矩陣A，B和Λ分別表示以αⁱ，βⁱ和λⁱ元素的對角矩陣，e為元素都為1的列向量，▿xk-1Ψ=2Π-1(xk-1-x^k-1)-2CTR-1(yk-1-Cxk-1),]]>

rλ=▿λL=xk-1-2α-β-γ‾min+γ‾max;]]>

S1-3：計算估計增量Δw_k-1，Δα和Δβ：

Δwk-1=-Hw-1rw]]>

Δα＝-0.5Λ^-1A(r_α+2Δλ)

Δβ＝-Λ^-1B(r_β+Δλ)

式中，Hw=▿wk-12L=Q-1]]>為Hessian矩陣，rw=▿wk-1L=2Q-1wk-1,]]>

rβ=▿βL=μe-BΛe;]]>

S1-4：更新估計值{x_k-1，w_k-1，α，β，λ}：

x_k-1＝x_k-1+ρΔx_k-1

w_k-1＝w_k-1+ρΔw_k-1

α＝α+ρΔα

β＝β+ρΔβ

λ＝λ+ρΔλ

式中，ρ為LOQO內點法求解器設定的搜索步長且ρ＝0.35；

S1-5：采用Matlab中的LOQO內點求解器判斷估計值是否滿足精度要求，如果滿足精度要求，則估計值{x_k-1，w_k-1，α，β，λ}為最優估計值，然后轉到S1-6；如果不滿足則轉到S1-2；

S1-6：基于滾動優化原理，根據最優估計值x_k-1，w_k-1計算當前k時刻的最優估計

xk*=Axk-1+wk-1]]>

S1-7：更新x^k-1=xk*;]]>

S1-8：判斷終止條件，如果k＝K，結束，得到信噪比估計最優值；否則，k＝k+1，轉到S1-2。