[发明专利]一种基于贪婪算法的MQTT协议QoS机制选择方法

说明书

一种基于贪婪算法的MQTT协议QoS机制选择方法，利用贪婪算法探索三种机制在不同信道状态下的平均丢包率与能耗，搭建MAB（Multiple‑Armed Bandit，多臂赌博机）模型，将赌博机的摇臂抽象为三种服务质量机制，给每个机制分配一个奖励值，第一轮对每个机制分别选择进行传输，得到奖励初始值；其次选择奖励值最大的机制进行传输，或以一定概率对各个机制进行探索。每一轮决策都是根据上一轮数据包传输后的更新结果，并对奖励值进行更新，以此类推。配电网环境中传感器设备可以动态选择合适的QoS机制来实现采集数据到服务器的传输，以达到对能耗和丢包率的要求，提高数据传输的可靠性的同时，降低传输能耗。

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种基于贪婪算法的MQTT协议QoS机制选择方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网以及物联网的迅速发展，在实际应用环境中存在海量终端设备接入网络的需求，物联网设备必须连接到互联网，设备间才能相互协作，并与后端服务协同工作。而在大规模的通信需求下，传统的请求/回答模型不再适用，基于发布/订阅模型的MQTT协议应运而生。MQTT是一种轻量级跨平台消息传输协议，报文轻便，对网络和计算资源的要求低。其设计原理是最小化网络带宽和设备资源要求，同时确保可靠性和一定程度的交付保证，对于物联网中对带宽和续航有要求的设备来说是理想的选择。

MQTT协议具备保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传等步骤，提供了三种不同的服务质量(Quality of Service，QoS)机制，定义为QoS0、QoS1和QoS2，分别具有不同的可靠性保障。QoS0机制下的消息发布完全依赖底层TCP/IP网络，发布者只会发布一次消息，对此等级的应用消息不需要回应确认，没有重传机制，导致消息可能丢失。QoS1机制能够确保消息到达，如果发送者在指定时间内没有收到回传的确认报文，之前发送的消息会被重复发送。在此机制下，接收端可能会重复收到消息，需自行去重。QoS2机制通过两套请求/应答流程，能够确保消息到达且只到达一次，即不允许消息的丢失与重复。在配电物联网环境下，传感器采集数据上传质量会影响终端服务器对于信息的处理。如何在降低数据传输能耗的同时，尽可能降低数据的丢包率，已成为配电物联网环境下传感器数据传输亟需解决的问题。

因此，需要一种动态的服务质量(QoS)机制选择方法，来平衡协议数据传输的可靠性及能耗性能。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种依据信道特性，对三种服务质量(QoS)机制做出动态调整，以实现满足能耗要求的同时尽可能降低数据的丢包率的QoS机制选择方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于贪婪算法的MQTT协议QoS机制选择方法，包括如下步骤：

a)将一个MQTT协议数据包定义为一个大数据包，将智能终端上的I个大数据包的任务数据用集合表示，第i个大数据包在m传输机制下的能耗为m取0时为QoS0机制，m取1时为QoS1机制，m取2时为QoS2机制，第i个大数据包在m传输机制下的丢包率为

b)将每个大数据包分为J个小数据包进行传输，J个小数据包表示为集合表示，通过公式计算第i个大数据包中第j个小数据包在QoS1及QoS2机制下的第n次传输时的信道增益g_i,j,n，式中H_i,j,n为第i个大数据包中第j个小数据包的第n次重传时的信道频率响应，N₀为噪声功率；

c)判断第i个大数据包中第j个小数据包是否丢包，计算QoS0机制下第i个大数据包内的丢包总个数，通过公式p计算QoS0机制下第i个大数据包中第j个小数据包的传输能耗式中g_i,j,0为第i个大数据包中第j个小数据包在QoS0机制下的信道增益，p为传输功率，S为小数据包的数据量，B为信道带宽；