【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工业网络，涉及一种基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法。
技术介绍
1、在工业物联网中，例如，环境检测、工业生产等实时工业场景，设备对信息传输的及时性有着普遍需求。为了更准确地量化信息的时效性，信息年龄(age of information,aoi)作为一种新的数据新鲜度度量被提出，相较于时延只考虑了传输时间，它从目的地角度综合考虑了数据从生成到当前时刻为止的新鲜程度。
2、在工业物联网中，通常存在不同的到达模式的数据流以支撑不同的业务，相应的这些业务对信息传输的及时性存在不同的要求。通常周期性的传感数据用于精准的控制任务，若提供给控制中心的该类数据流的延迟超过适当的截止期，可能会导致错误决策。对于随机性数据，通常不具有严格的交付时限，更关心尽可能保证数据交付的及时性。因此，在具有混合数据流的工业物联网系统中，研究如何在时变信道下，满足周期数据流时延容忍度约束同时最小化随机数据流的信息年龄，实现确保周期到达的数据确定性传输，并且尽可能提高随机到达的数据的新鲜度，成为了一个重要的挑战。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，针对工业物联网同时存在周期性到达和随机性到达的数据，考虑时变信道的同时，保证周期性到达的数据满足时延容忍度约束的情况下，对随机性到达的数据的信息年龄最小化，有效降低网络随机性数据流的平均信息年龄，保证周期性数据的确定性传输。
2、为达到上述目的
3、一种基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，针对服从两状态马尔科夫链的吉尔伯特时变信道，在多节点向基站发送数据包的网络中，依据由一个主策略和两个子策略组成的多链路调度方案，逐时隙进行链路调度，满足具有周期到达的节点的时延容忍度约束，同时最小化具有随机到达的节点的长期平均信息年龄。
4、该方法具体包括以下步骤：
5、s1：获取工业物联网系统的参数信息，计算具有周期到达的节点的排队时延，根据具有随机到达的节点的信息年龄更新模型，得到对应节点的平均信息年龄，依据服从两状态马尔科夫链的吉尔伯特时变信道和上一时隙信道状态信息得到当前时隙所处某信道状态的概率；
6、s2：根据获取的各节点的信息年龄、排队延迟、上一时隙信道状态与时延容忍度相关的随机变量建立系统的状态空间、动作空间和单步成本函数，构建时延容忍度约束下长期平均信息年龄最小化的原优化问题，通过拉格朗日乘子对原优化问题解耦得到两类针对具有不同到达模式的节点的单节点优化子问题；
7、s3：针对两类单节点优化子问题，分别采用线性规划方法和基于时隙的李雅普诺夫漂移框架的启发式方法求解，具体为：
8、针对具有周期到达的单节点优化子问题，采用线性规划方法求解，包括：利用节点马尔可夫链的平稳状态分布和节点调度概率，将该类子问题转化为线性规划问题，通过线性规划求解器，获得节点在各时隙下的最优机会调度策略；
9、针对具有随机到达的单节点优化子问题，采用基于时隙的李雅普诺夫漂移框架的启发式方法求解，包括：通过定义李雅普诺夫函数，构建系统的李雅普诺夫漂移表达式，获得基于最小化系统李雅普诺夫漂移的启发式调度子策略；
10、s4：针对原优化问题，采用深度强化学习方法、截断式方法、最优机会调度策略与启发式调度子策略，得到由一个主策略和两个子策略组成的多链路调度方案；具体为：
11、在上层基于主策略的调度策略中，利用深度q网络对系统状态价值函数近似，通过深度强化学习方法获得调度机会分配主策略，即由主策略的调度网络输出当前时隙调度节点类型；
12、在下层基于两个子策略的调度策略中，根据上层调度的决策，即输出的被调度的节点类型，执行对应的子策略以决定具体被调度的某个节点，包括：针对调度具有周期到达的节点的决策，基于截断式方法和最优机会调度策略，获得截断式机会调度子策略；针对调度具有随机到达的节点的决策，采用启发式调度子策略。
13、进一步，步骤s1中，获取工业物联网系统的参数信息，得到信道状态转移概率、具有随机到达的节点的平均信息年龄以及具有周期到达的节点的时延容忍度，具体包括以下步骤：
14、s11：设由np个具有周期到达的节点和nr具有随机到达的节点构成集合以及一个基站组成的混合数据流工业物联网系统；每个时隙只能调度一个数据进行交付，对于具有随机到达的节点数据到达服从伯努利分布，到达概率为ri；对于具有周期到达的节点数据到达周期为pj，确定性截止时延为dj；令t∈{1,2,...,t}为时隙索引，uk表示基站的调度决策，为1则调度节点信道为基于两状态马尔科夫链的吉尔伯特时变信道，其中好状态为g，信道状态h(t)＝1，传输成功概率为1，坏状态为b，信道状态h(t)＝0，传输成功概率为0，状态转移矩阵如下：
15、
16、s12：根据步骤s11中具有随机到达的节点i数据包到达特性计算信息年龄，本地年龄为其中fi(t)＝1表示新数据包到达，目的地年龄表达式如下：
17、
18、其中，ui(t)表示时隙t时基站的调度决策，当ui(t)＝1则调度节点i，否则不调度节点i；当节点被调度且信道状态为好，则传输成功，目的地年龄更新为本地年龄，否则目的地年龄逐时隙增一；
19、s13：根据步骤s11中具有周期到达的节点j数据包到达特性计算节点的时延容忍度，节点排队时延为其中fj(t)＝1表示新数据包到达；令ωj(t)表示是否超过截止期而丢弃的数据包，为1则有数据包被丢弃，表达式如下：
20、
21、其中，表示节点的时间窗口；uj(τ)表示时隙τ时基站的调度决策，当uj(τ)＝1则调度节点j，否则不调度节点j；
22、令m＝t/pj，时延容忍度约束表达式如下：
23、
24、其中，bj为容忍的最大数据包丢弃率。
25、进一步，步骤s2中，建立系统的状态空间、动作空间和单步成本函数，构建带约束的原优化问题和解耦后的两类子问题，具体包括以下步骤：
26、s21：建立系统的状态空间为：
27、s(t)＝(δ(t),ω(t),h(t))
28、其中，δ(t)为时隙t处具有随机到达的节点数据包的信息年龄的集合，ω(t)为时隙t处具有周期到达的节点的ωj(t)的集合，h(t)＝h(t-1)为时隙t时已知的上一时隙的信道状态；
29、s22：系统的动作空间为且有表示基站在时隙t的调度决策；
30、s23：系统的单步成本函数包括时延容忍度成本信息年龄成本和传输成本
31、s24：根据步骤s23中建立的单步成本函数，构建时延容忍度约束下最小化信息年龄的原优化问题，表达式如下：
32、
33、
34、
35、其中，π*表示原优化问本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，针对服从两状态马尔科夫链的吉尔伯特时变信道，在多节点向基站发送数据包的网络中，依据由一个主策略和两个子策略组成的多链路调度方案，逐时隙进行链路调度，满足具有周期到达的节点的时延容忍度约束，同时最小化具有随机到达的节点的长期平均信息年龄；
2.根据权利要求1所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤S3中，针对具有周期到达的节点j的单节点优化子问题，定义随机变量φj(t)＝1表示节点j在时隙t已经成功传输数据包至基站，若数据包未曾成功交付至基站φj(t)＝0，表达式如下：
5.根据权利要求4所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤S3中，针对具有随机到达的节点i的单节点优
6.根据权利要求5所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，针对服从两状态马尔科夫链的吉尔伯特时变信道，在多节点向基站发送数据包的网络中，依据由一个主策略和两个子策略组成的多链路调度方案，逐时隙进行链路调度，满足具有周期到达的节点的时延容忍度约束，同时最小化具有随机到达的节点的长期平均信息年龄；
2.根据权利要求1所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤s1具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于信息年龄的时变信道工业物联网混合数据流调度方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所...
【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，王雨洁，谢鑫，谢昊飞，王平，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。