[发明专利]一种无人机辅助物联网中复杂状态信息更新优化方法

说明书

本发明公开一种无人机辅助物联网中复杂状态信息更新优化方法。在推导的平均峰值信息年龄、平均物联网设备能耗和平均无人机能耗下界下建立优化问题；根据优化变量特点和问题结构将原始优化问题划分为五个子问题并提出优化方法交替解决五个子问题。在本发明所提优化方法中，贪婪算法以低复杂度解决接入策略和状态更新策略优化问题；连续凸逼近方法可有效解决复杂非线性的块长度和无人机位置优化问题；复杂状态信息更新请求速率的最优值以闭式解形式给出。本发明所提优化方法可以获得原始优化问题的次优解。

技术领域

本发明涉及无线通信状态信息更新领域，特别涉及一种无人机辅助物联网中复杂状态信息更新优化方法。

背景技术

随着物联网(IoT)的稳定发展，一些新兴物联网应用(如工业物联网和健康监测)需要不断检测并更新现实环境物理量(状态信息)。在状态更新期间，应保证状态信息的新鲜度，而由S.K.Kaul等人提出的信息年龄(AoI)(S.K.Kaul,R.D.Yates,and M.Gruteser,“Real-time status:How often should one update？”in Proc.IEEE INFOCOM,2012,pp.2731–2735.)是反映信息新鲜度的重要性能指标。现有文献主要研究仅包含通信过程的传统状态更新。然而，一些应急应用(如野火蔓延预测和火灾气体监测)的状态信息需要经过原始数据的复杂计算而获得，并且状态信息需要传输到控制终端进行后续处理。因此，本发明将状态信息需通过原始数据复杂计算获得的状态更新过程定义为复杂状态信息更新。然而，能量有限的物联网设备可能难以承受复杂状态信息更新期间执行计算任务产生的能耗。多接入边缘计算(MEC)允许物联网设备将计算任务卸载到附近的地面边缘服务器，从而有效降低物联网设备能耗。近年来，无人机辅助应急通信已成为有效的通信方式，搭载计算服务器的无人机可以帮助物联网设备在应急情况下完成复杂状态信息更新。因此，本发明旨在研究无人机辅助物联网中复杂状态信息更新。

在无人机辅助物联网中实行复杂状态信息更新需要考虑三种性能指标。首先，峰值AoI可以反映复杂状态信息更新期间状态信息的最小新鲜度。第二，由于某些应急应用(例如野火蔓延预测)的持续时间不短，甚至长于物联网设备的生存时间。因此，物联网设备能耗是一种重要性能指标。第三，由于无人机也是能量有限设备，无人机能源消耗也必须考虑。此外，由于物联网设备采集的数据量较小，物联网设备与无人机之间的通信采用短包通信。在短包通信中，块长度(即通信所使用时频资源的度量指标，表示为传输时间*信道带宽，单位为channel use)是有限的。在有限块长度情况下，性能指标优化时需考虑以下两个问题。

第一，在有限块长度情况下，误包率不为零。因此，在复杂状态信息更新期间，丢包事件可能随机发生，则三种性能指标瞬时值是随机的。为了有效地优化三种性能指标，如何从统计上获得三种性能指标的平均值表达式是一个重要问题。第二，三种性能指标与卸载过程和无人机部署过程相关。其中，接入策略、状态更新策略、块长度和复杂状态信息更新请求速率与卸载过程相关并影响性能指标。在无人机部署过程中，无人机位置会影响误包率，进而影响三种性能指标。因此，应考虑上述变量的联合优化。然而，误包率是一个关于块长度和无人机位置的复杂非线性函数。此外，接入策略、状态更新策略和块长度都为整型变量。可见，上述多种变量的联合优化问题是一个棘手的混合整数非线性问题。因此，如何在有限块长度情况下实现多变量的有效联合优化是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于面向短包通信场景提供一种无人机辅助物联网中复杂状态信息更新优化方法，在所刻画的性能指标框架下有效优化多种变量以实现无人机辅助物联网中的高效复杂状态信息更新。

实现本发明目的的技术解决方案为：提供一种无人机辅助物联网中复杂状态信息更新优化方法，包括以下步骤：

步骤1：建立无人机辅助物联网中复杂状态信息更新优化问题；