[發明專利]一種無線傳感網中能量有效的統計時延服務質量保障方法

有效

• 申請號: 201610860418.9
• 申請日: 2016-09-28
• 公開（公告）號: CN106686605B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 王熠晨;徐文文;任品毅;杜清河;孫黎;高貞貞
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W24/06;H04W28/02;H04W52/26;H04W84/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種無線傳感網中能量有效的統計時延服務質量保障方法，其特征在于，包括：

首先，建立主發射機(PS)時延服務質量保護系統模型，通過主發射機(PS)的隊列時延門限違反概率來進行描述；然后，提出優化問題為：在最大化無線傳感網中傳感器節點的平均能量效率同時滿足：a.主發射機的統計時延服務質量要求、b.傳感器節點的平均數據傳輸速率要求、c.傳感器節點的平均發射功率限制、d.傳感器節點的峰值發射功率限制，并對此優化問題建立相應的數學問題表達式；其次，通過分式規劃理論把分式結構的數學問題轉化成帶有參數結構的非凸優化規劃問題，再采用凸包和概率傳輸理論將帶有參數結構的非凸優化規劃問題轉化成等價的凸優化問題，并通過拉格朗日法求得最優解；最后，通過Dinkelbach法得到傳感器節點的最優能量效率以及相應的最優功率分配方案；

系統模型的建立過程為：無線傳感網共享授權給主網絡的一部分頻譜資源，主網絡中包括一個主發射機(PS)和一個主接收機(PR)，無線傳感網包括一個融合中心和K個無線傳感器節點；這些傳感器節點收集環境的信息并把收集到的信息發送給融合中心，k個傳感器節點作為次級發射機(SS)，融合中心作為次級接收機(SR)；主發射機(PS)和主接收機(PR)之間、第k個次發射機(SS)與第k個次接收機(SR)之間、主發射機(PS)與第k個次接收機(SR)之間以及第k個次發射機(SS)與主接收機(PR)之間的信道增益分別表示為h_PP,h_ss,h_ps,h_sp，其中k∈{1,2,…,K}；所有的信道增益是獨立的，平穩隨機的塊衰落過程并且服從瑞利衰落模型；每個幀的時長T_f中，所有的信道增益保持不變，從一個幀到另一個幀的變化是獨立的，主發射機(PS)采用常功率發射，次發射機(SS)的發射功率是變化的；無線傳感網與主網絡保持同步，無線傳感網中的所有傳感器節點知曉每個幀起始和結束的瞬間；在每一個幀開始，無線傳感網中的每一個傳感器節點以P_acc的概率嘗試接入授權給主網絡的頻譜，任何一個傳感器節點嘗試接入該節點，該節點將該信息成功的發射給融合中心，否則融合中心發生沖突或者所有的傳感器節點保持沉默；因此給定傳感器節點把信息成功發射給融合中心的概率表示為P_succ，由式(1)決定：

P_succ＝P_acc(1-P_acc)^K-1 (1)

在主發射機(PS)端建立隊列，使主發射機(PS)的上層把數據交付給鏈路層，鏈路層把這些數據劃分成鏈路層幀，存放在隊列中；主發射機(PS)把這些鏈路層幀劃分成比特流并交付給物理層進行傳輸；基于統計服務質量保障理論，主發射機(PS)的統計服務質量用隊列長度門限違反概率來描述，如表達式(2)：

P_r{Q_P≥Q_th}≤P_th (2)

Q_P代表主發射機的隊列長度，Q_th代表主發射機的預定義隊列長度門限，P_th代表所需的違反概率；式(2)要求主發射機的隊列長度Q_P超過給定門限Q_th的概率不大于目標概率；將隊列長度門限違反概率轉化成相應的隊列時延門限違反概率，得到表達式(3)：

P_r{D_P≥D_th}≤P_th (3)

D_P代表主發射機的隊列時延，D_th代表主發射機的預定義隊列時延門限；式(3)要求主發射機的隊列時延D_P超過給定門限D_th的概率不大于目標概率P_th；D_P和D_th的值越大意味著時延要求更寬松，D_P和D_th值越小則時延限制越嚴格；根據大離差定理，主發射機的隊列時延門限違反概率近似表達為式(4)：

Pr{DP≥Dth}≈e-θPEBPU(θp)Dth---(4)]]>

式中，θ_P為主發射機的服務質量指數，為主發射機的數據到達過程的有效帶寬；有效帶寬是指在滿足給定時延服務質量要求的前提下，該隊列系統的隨機數據到達過程所需的最小常服務速率；假設主發射機(PS)端有一個恒定的數據到達速率R_A(nats/s/Hz)，有若表達式(3)成立，得到表達式(5)：

θP≥-1EBPU(θp)Dthlog(Pth)---(5)]]>

主發射機的時延服務質量要求通過服務質量指數θ_P來定量的描述，D_P和D_th值越大導致θ_P值越小，反之D_P和D_th值越小導致θ_P值越大，θ_P值較小意味著寬松的時延服務質量要求，θ_P值較大意味著嚴格的時延服務質量約束；當θ_P→0，主發射機(PS)能夠忍受任意長的時延，當θ_P→∞，主發射機(PS)不能忍受任意時延；

對于一個具有隨機數據離開速率過程的穩定系統，有效容量是指在滿足給定服務質量要求的前提下，該隊列系統的隨機數據離開過程所能支持的最大常到達速率，主發射機的服務速率過程的有效容量的表達式(6)如下：

ECPU(θp)=-1θPlog(E{e-θPTfBRP})---(6)]]>

主發射機恒定的離開速率不小于恒定的到達速率，若滿足下面的有效容量要求(7)式：

ECPU(θp)≥TfBRA---(7)]]>

主發射機的隊列時延門限違反概率限制即能得到滿足；

數學問題表達式的建立過程為：對于任意給定的幀，主發射機(PS)和主接收機(PR)之間以及第k個次發射機(SS)與第k個次接收機(SR)之間的服務速率分別表示為R_P(P_s(θ_p,h))(nats/s/Hz)和R_S(P_s(θ_p,h))(nats/s/Hz)；

其中，是網絡增益向量(NGV)，P_P是PS的恒定發射功率，P_s(θ_p,h)是θ_P和h的函數，是SS的發射功率；σ²是加性高斯白噪聲的方差；

主發射機(PS)的有效帶寬表示成式(10)：

ECPU(θP)=-1θPlog(Psucc·E{e-θPTfB log(1+hPPPPhSPPs(θp,h)+σ2)}+(1-Psucc)·E{e-θPTfB log(1+hPPPPσ2)})---(10)]]>

按照在最大化無線傳感網中傳感器節點的平均能量效率同時滿足：a.主發射機的統計時延服務質量要求、b.傳感器節點的平均數據傳輸速率要求、c.傳感器節點的平均發射功率限制、d.傳感器節點的峰值發射功率限制；建立數學問題表達式(P1)：

Ps(θp,h)≤Ppk,∀h---(15)]]>

其中，

f(Ps(θp,h))=-Psucc[1+hPPPPhSPPs(θp,h)+σ2]-β-(1-Psucc)[1+hPPPPσ2]-β---(16)]]>

β＝T_fBθ_p代表主發射機(PS)的歸一化服務質量指數，R_th代表第k個次發射機(SS)與第k個次接收機(SR)之間鏈路所需的最小發射速率，ξ是放大器的系數，P_cir代表硬件的功率消耗；P_av和P_pk分別代表第k個次接收機(SR)的最大允許平均發射功率和最大允許峰值發射功率；(12)式表示主發射機(PS)的有效容量約束。