[发明专利]一种无线传感网中能量有效的统计时延服务质量保障方法

摘要

本发明公开了一种无线传感网中能量有效的统计时延服务质量保障方法，包括首先建立主用户时延服务质量保障的系统模型，通过主发射机的队列时延门限违反概率描述；然后按照优化问题目的是最大化无线传感网中传感器节点的平均能量效率同时满足a.主发射机的统计时延服务质量要求、b.传感器节点的平均数据传输速率要求、c.传感器节点的平均发射功率限制、d.传感器节点的峰值发射功率限制，建立数学问题表达式；通过分式规划理论把分式结构的数学问题转化成带有参数结构的非凸优化规划问题，再采用凸包和概率传输理论将带有参数结构的非凸优化规划问题转化成等价的凸优化问题，通过拉格朗日法求得最优解；最后通过Dinkelbach法得到传感器节点的最优能量效率及相应最优功率分配方案。通过仿真验证，本发明运行效果可靠。

主权项

一种无线传感网中能量有效的统计时延服务质量保障方法，其特征在于，包括：首先，建立主发射机(PS)时延服务质量保护系统模型，通过主发射机(PS)的队列时延门限违反概率来进行描述；然后，提出优化问题为：在最大化无线传感网中传感器节点的平均能量效率同时满足：a.主发射机的统计时延服务质量要求、b.传感器节点的平均数据传输速率要求、c.传感器节点的平均发射功率限制、d.传感器节点的峰值发射功率限制，并对此优化问题建立相应的数学问题表达式；其次，通过分式规划理论把分式结构的数学问题转化成带有参数结构的非凸优化规划问题，再采用凸包和概率传输理论将带有参数结构的非凸优化规划问题转化成等价的凸优化问题，并通过拉格朗日法求得最优解；最后，通过Dinkelbach法得到传感器节点的最优能量效率以及相应的最优功率分配方案；系统模型的建立过程为：无线传感网共享授权给主网络的一部分频谱资源，主网络中包括一个主发射机(PS)和一个主接收机(PR)，无线传感网包括一个融合中心和K个无线传感器节点；这些传感器节点收集环境的信息并把收集到的信息发送给融合中心，k个传感器节点作为次级发射机(SS)，融合中心作为次级接收机(SR)；主发射机(PS)和主接收机(PR)之间、第k个次发射机(SS)与第k个次接收机(SR)之间、主发射机(PS)与第k个次接收机(SR)之间以及第k个次发射机(SS)与主接收机(PR)之间的信道增益分别表示为hPP,hss,hps,hsp，其中k∈{1,2,…,K}；所有的信道增益是独立的，平稳随机的块衰落过程并且服从瑞利衰落模型；每个帧的时长Tf中，所有的信道增益保持不变，从一个帧到另一个帧的变化是独立的，主发射机(PS)采用常功率发射，次发射机(SS)的发射功率是变化的；无线传感网与主网络保持同步，无线传感网中的所有传感器节点知晓每个帧起始和结束的瞬间；在每一个帧开始，无线传感网中的每一个传感器节点以Pacc的概率尝试接入授权给主网络的频谱，任何一个传感器节点尝试接入该节点，该节点将该信息成功的发射给融合中心，否则融合中心发生冲突或者所有的传感器节点保持沉默；因此给定传感器节点把信息成功发射给融合中心的概率表示为Psucc，由式(1)决定：Psucc＝Pacc(1‑Pacc)K‑1   (1)在主发射机(PS)端建立队列，使主发射机(PS)的上层把数据交付给链路层，链路层把这些数据划分成链路层帧，存放在队列中；主发射机(PS)把这些链路层帧划分成比特流并交付给物理层进行传输；基于统计服务质量保障理论，主发射机(PS)的统计服务质量用队列长度门限违反概率来描述，如表达式(2)：Pr{QP≥Qth}≤Pth   (2)QP代表主发射机的队列长度，Qth代表主发射机的预定义队列长度门限，Pth代表所需的违反概率；式(2)要求主发射机的队列长度QP超过给定门限Qth的概率不大于目标概率；将队列长度门限违反概率转化成相应的队列时延门限违反概率，得到表达式(3)：Pr{DP≥Dth}≤Pth   (3)DP代表主发射机的队列时延，Dth代表主发射机的预定义队列时延门限；式(3)要求主发射机的队列时延DP超过给定门限Dth的概率不大于目标概率Pth；DP和Dth的值越大意味着时延要求更宽松，DP和Dth值越小则时延限制越严格；根据大离差定理，主发射机的队列时延门限违反概率近似表达为式(4)：Pr{DP≥Dth}≈e-θPEBPU(θp)Dth---(4)]]>式中，θP为主发射机的服务质量指数，为主发射机的数据到达过程的有效带宽；有效带宽是指在满足给定时延服务质量要求的前提下，该队列系统的随机数据到达过程所需的最小常服务速率；假设主发射机(PS)端有一个恒定的数据到达速率RA(nats/s/Hz)，有若表达式(3)成立，得到表达式(5)：θP≥-1EBPU(θp)Dthlog(Pth)---(5)]]>主发射机的时延服务质量要求通过服务质量指数θP来定量的描述，DP和Dth值越大导致θP值越小，反之DP和Dth值越小导致θP值越大，θP值较小意味着宽松的时延服务质量要求，θP值较大意味着严格的时延服务质量约束；当θP→0，主发射机(PS)能够忍受任意长的时延，当θP→∞，主发射机(PS)不能忍受任意时延；对于一个具有随机数据离开速率过程的稳定系统，有效容量是指在满足给定服务质量要求的前提下，该队列系统的随机数据离开过程所能支持的最大常到达速率，主发射机的服务速率过程的有效容量的表达式(6)如下：ECPU(θp)=-1θPlog(E{e-θPTfBRP})---(6)]]>主发射机恒定的离开速率不小于恒定的到达速率，若满足下面的有效容量要求(7)式：ECPU(θp)≥TfBRA---(7)]]>主发射机的队列时延门限违反概率限制即能得到满足；数学问题表达式的建立过程为：对于任意给定的帧，主发射机(PS)和主接收机(PR)之间以及第k个次发射机(SS)与第k个次接收机(SR)之间的服务速率分别表示为RP(Ps(θp,h))(nats/s/Hz)和RS(Ps(θp,h))(nats/s/Hz)；其中，是网络增益向量(NGV)，PP是PS的恒定发射功率，Ps(θp,h)是θP和h的函数，是SS的发射功率；σ2是加性高斯白噪声的方差；主发射机(PS)的有效带宽表示成式(10)：ECPU(θP)=-1θPlog(Psucc·E{e-θPTfBlog(1+hPPPPhSPPs(θp,h)+σ2)}+(1-Psucc)·E{e-θPTfBlog(1+hPPPPσ2)})---(10)]]>按照在最大化无线传感网中传感器节点的平均能量效率同时满足：a.主发射机的统计时延服务质量要求、b.传感器节点的平均数据传输速率要求、c.传感器节点的平均发射功率限制、d.传感器节点的峰值发射功率限制；建立数学问题表达式(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＝TfBθp代表主发射机(PS)的归一化服务质量指数，Rth代表第k个次发射机(SS)与第k个次接收机(SR)之间链路所需的最小发射速率，ξ是放大器的系数，Pcir代表硬件的功率消耗；Pav和Ppk分别代表第k个次接收机(SR)的最大允许平均发射功率和最大允许峰值发射功率；(12)式表示主发射机(PS)的有效容量约束。