【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工业无线网络，具体涉及一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法。
技术介绍
1、在工业无线传感网中，数据传输对实时性和可靠性的要求远高于有线网络，这直接关系到生产效率、质量，以及工业安全与成本。近年来，引入了一个全新指标——信息年龄，它代表数据从产生到被接收的时间间隔，用于衡量数据的新鲜度。通过深入优化信息年龄，可以显著提高工业无线网络在数据传输方面的实时性能，确保数据及时、准确地服务于各类工业应用。
2、在工业无线传感网中，时隙和信道调度是确保数据传输实时性和可靠性的关键要素，而信息年龄作为衡量数据新鲜度的指标，其优化成为了研究的重要方向。然而，现有的时隙和信道调度算法在信息年龄优化方面仍存在一些不足：
3、1)目前工业无线网络信息年龄优化的研究多聚焦于单跳网络，对多跳网络的信息年龄优化调度方法的研究较为匮乏；
4、2)现有调度算法常关注单个数据包或节点的传输，未全面考虑网络整体需求，虽能满足局部传输需求，但整个网络的信息年龄优化效果有限。
5、因此，在多跳网络的应用场景下，为确保数据流的实时性，研究以减少数据流的信息年龄为目标的优化调度算法显得尤为必要。
技术实现思路
1、为了克服现有调度算法的不足，在工业无线传感网中保证每条数据流的各条链路所分配的时隙、信道无冲突的情况下，以优化网络的平均信息年龄，提高网络数据流端到端的实时性为目标，本专利技术提出一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，具
2、s1、统计各超帧内每条数据流的信息年龄变化，并基于数据流的平均期望信息年龄计算公式，将最小化整体平均期望信息年龄问题建模成时隙与信道分配的整数规划模型；
3、s2、构建由数据流-链路-时隙三维元组组成的三维冲突图，将时隙调度问题转换成最大权重独立集问题，求解得到时隙调度策略；
4、s3、在时隙调度策略的基础上，将信道维度添加到数据流-链路-时隙三维元中构成四维元组并构建四维冲突图，将信道分配问题转换成最大权重独立集问题来进行求解，求解得到信道分配策略。
5、进一步地，数据流的平均期望信息年龄计算公式表示为：
6、
7、其中，e[αf(tk)]表示数据流f在第k个超帧[kt,(k+1)t]内的平均信息年龄；αf(tk)表示数据流f在第k个超帧[kt,(k+1)t]内成功接收数据包时的平均信息年龄；δf表示数据流f的数据包能成功被目的节点接收的概率；αf′(tk)表示数据流f在第k个超帧[kt,(k+1)t]内未接收数据包时的平均信息年龄；tk表示在第k个超帧时源节点产生数据包的时间；tk′表示在第个k超帧时数据包到达目的节点的时间；tk+1表示在第k+1个超帧时源节点产生数据包的时间；af(tk)表示数据流f在tk时的信息年龄函数；δ为一个中间参数，表示为t为一个超帧的持续时间。
8、进一步地，将最小化整体平均期望信息年龄问题建模成时隙与信道分配的整数规划模型时，去除最小化整体平均期望信息年龄问题中的负数项和常数项，从而将最小化问题转换为最大化问题，转换后的目标函数表示为：
9、
10、其中，f为所有待调度数据流构成的数据流集合。
11、进一步地，数据流f的信息年龄函数表示为：
12、
13、其中，af(t)表示在t时刻数据流f的信息年龄；表示在t时刻数据流f源节点最新数据包的产生时间。
14、进一步地，构建三维冲突图的过程包括：
15、构建由数据流-链路-时隙组成的三维元组来描述一个数据流f的时隙分配情况，该三维元组表示为：τ表示数据流f中第i跳链路所分配的时隙为t，f为所有数据流的集合，lf为数据流f的链路集合，t为一个超帧的持续时间；
16、将每个三维元组τ作为节点构建用于时隙调度的三维冲突图gs(vs,es)，其中vs表示三维冲突图中的节点集合，每个节点为一个三维元组，es为三维冲突图中的边关系集合，若两个节点之间存在冲突则两个节点之间存在边关系；
17、通信设备之间的冲突包括：当配备半双工射频模块的通信设备被分配相同时隙且对应链路具有共同的通信设备时，共同的通信设备之间存在射频冲突；若同一数据流中的同一链路被重复调度，则两次调度之间存在链路重复调度冲突；若链路的调度顺序不是从源节点到目的节点的顺序，则两个通信设备之间存在链路顺序冲突。
18、进一步地，将时隙调度问题转换成最大权重独立集问题，即在三维冲突图中寻找一个最大权重独立集，保证三维冲突图的最大独立集元素与数据流集合中链路跳数总和相等，该最大权重独立集问题表示为：
19、
20、约束条件：
21、其中，nv表示三维冲突图中节点的数量；tk+1表示在第k+1个超帧时源节点产生数据包的时间；t(τi)为第i个节点τi的时隙项；λi为一个二元变量，若第i个节点τi在其最大独立集中则λi＝1，否则λi＝0；lf表示数据流f的链路集合；f为所有待调度数据流构成的数据流集合；|·|表示求集合中元素的个数。
22、进一步地，将时隙调度问题转换成最大权重独立集问题并进行求解的过程包括：
23、201、初始化迭代次数i＝0，获取三维冲突图gi＝gs(vs,es)；
24、202、若三维冲突图gi的边集合e(gi)为空集，则输出当前冲突图中的节点集合作为最大独立集；否则，执行步骤203；
25、203、计算三维冲突图gi中各节点的度，根据节点的度以及节点的权重值选择删除一个节点以及与该节点相连的边，选择节点的过程表示为：
26、
27、其中，ηi表示第i次迭代过程中选择删除的节点；v(gi)表示在第i次迭代的三维冲突图gi中所有节点的集合；w(μ)为三维冲突图中节点μ的权重值，表示为表示节点μ在第i次迭代的三维冲突图gi中的度；
28、204、删除节点ηi后更新三维冲突图的边关系集和节点集，并令i＝i+1，返回步骤202。
29、进一步地，将信道分配问题转换成最大权重独立集问题来进行求解的过程包括：
30、301、采取贪心策略将整体的信道分配问题分解为逐跳调度的子问题，从源节点到目的节点逐跳求解；
31、302、将逐跳调度的子问题转换为求解最大权重独立集问题，求解该问题得到在一跳中的信道分配策略。
32、进一步地，采取贪心策略将整体的信道分配问题分解为逐跳调度的子问题后，第i跳调度的子问题表示为：
33、
34、其中，pi表示第i跳调度的信道分配子问题；fi为数据流集合f中跳数大于等于i跳的数据流集合，表示为表示数据流f的第i跳链路所分配的时隙；表示链路传输成功的概率，表示数据流f的第k跳链路；表示链路传输成功的概率，表示数据流f的第i跳链路。
35、进一步地，将逐跳调度的子本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，数据流的平均期望信息年龄计算公式表示为：
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将最小化整体平均期望信息年龄问题建模成时隙与信道分配的整数规划模型时，去除最小化整体平均期望信息年龄问题中的负数项和常数项，从而将最小化问题转换为最大化问题，转换后的目标函数表示为：
4.根据权利要求2所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，数据流f的信息年龄函数表示为：
5.根据权利要求1所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，构建三维冲突图的过程包括：
6.根据权利要求1或5所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将时隙调度问题转换成最大权重独立集问题，即在三维冲突图中寻找一个最大权重独立集，保证三维冲突图的最大
7.根据权利要求6所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将时隙调度问题转换成最大权重独立集问题并进行求解的过程包括：
8.根据权利要求1所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将信道分配问题转换成最大权重独立集问题来进行求解的过程包括：
9.根据权利要求8所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，采取贪心策略将整体的信道分配问题分解为逐跳调度的子问题后，第i跳调度的子问题表示为：
10.根据权利要求8或9所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将逐跳调度的子问题转换为求解最大权重独立集问题，则第i跳调度的子问题转换为求解最大权重独立集问题后表示为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，数据流的平均期望信息年龄计算公式表示为：
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将最小化整体平均期望信息年龄问题建模成时隙与信道分配的整数规划模型时，去除最小化整体平均期望信息年龄问题中的负数项和常数项，从而将最小化问题转换为最大化问题，转换后的目标函数表示为：
4.根据权利要求2所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，数据流f的信息年龄函数表示为：
5.根据权利要求1所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，构建三维冲突图的过程包括：
6.根据权利要求1或5所述的一种基于多维冲突图的工业无线网络信息年龄优化调度方法，其特征在于，将时...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒲宬亘，黄明洋，王平，董昌杰，洪承镐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学工业互联网研究院，
类型：发明
国别省市：
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