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专利号: 2019113490158
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-10-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、初始化阶段,各节点获得网络的基本状态信息并得到节点间的配置参数;

S2、根据网络配置信息,利用无线体域网体内外信道的统计特性,推导出节点间的路由安全中断概率的表达式以及连接成功概率的表达式;

S3、根据路由安全中断概率和连接成功概率,建立离散马尔科夫链优化模型;

S4、利用拉格朗日乘子法,将有约束的优化问题转化为无约束的优化问题;

S5、针对无约束的优化问题,根据贝尔曼优化理论,采用改进的实时动态规划算法获得低时延的传输调度方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S1中的初始化阶段,节点获取位置信息的方法如下:节点之间的参数包括邻居节点的信息,通过HELLO包交互获取邻居节点的位置信息,节点通过邻居节点的位置信息可以计算得到与邻居节点之间的距离,以及交换彼此的操作权限信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S2中,推导出发送节点n的安全中断概率q(n)的表达式如下:其中,P[·]为概率算子;C(·)表示链路的瞬时频谱效率,其单位是bit/s/Hz;n和z分别代表发送节点和体外窃听者;ζ表示发送速率;d为发送节点与体外窃听者之间的距离;α为路径损耗因子;ρ表示单位距离的发送信噪比;gO定义为窃听信道的信道增益,其服从均值为1的指数分布。

4.根据权利要求3所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S2中,推导出从发送节点n到接收节点m的连接成功概率p(n,m)的表达式如下:其中,n和m分别代表发送节点和接收节点;d为发送节点与接收节点之间的距离;ζ和分别表示发送速率和保密速率;gI定义为从发送节点n到接收节点m的信道增益,服从对数正态分布;μ和σ分别表示对数正态分布的均值和标准差;erf(·)为误差函数,令

5.根据权利要求4所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S3中,马尔科夫链状态的定义如下:系统的状态x由 这两个因素决定, 表示为在x状态时之前所有已经解码保密消息的节点集合,表示全部合法节点的集合;ω(x)表示为保密消息是否被窃听者窃听,当在x状态下保密消息被窃听到,则ω(x)=1;否则为0;

A(·)代表传输调度策略,即可作为下一跳发送机的节点;此时,离散马尔科夫链由状态x转移到状态y有以下四种情况:情况1:由 ω(x)=0的状态x,转移到ω(y)=0, 的状态y;

情况2:由 ω(x)=0的状态x,转移到ω(y)=1, 的状态y;

情况3:由 ω(x)=1的状态x,转移到ω(y)=1, 的状态y;

情况4:由 的状态x,转移到 的状态x;

其中,g表示目标节点;

从状态x到另一状态y的转换是一个随机事件,具体取决于在x状态下的所有可选择的动作πxy(a)表征在采取动作 的前提下,从状态x转移到状态y的状态转移概率;

对于满足上述四个状态转移情况的状态转移概率表达式如下:

其他不满足上述四种状态转移情况的转移概率为零;其中,m代表从状态x转移到状态y过程中新增的已解码消息的节点,q(a)表示当发射节点为a时的安全中断概率,p(a,m)表示从发送节点a到接收节点m的连接成功概率。

6.根据权利要求5所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S3中,根据节点间的路由安全中断概率和连接成功概率,建立离散马尔科夫链优化模型,其形式如下:其中,目标函数定义为平均时延,i表示第i次状态转移, 表示在第i次状态转移后的已解码节点集合,E[·]为数学期望算子,c(·)表示状态转移过程中的产生的代价;第一个约束条件为保密性约束, 表示整条路由的安全中断概率,平均安全中断概率的阈值为∈;第二个约束条件为时延约束,目标节点解码消息时时延为0,否则时延为1;第三个约束为策略约束, 集合表示在没有安全中断概率约束的情况下的所有可能策略集;

根据离散马尔科夫链模型,在路由选择策略A(·)下,将无线体域网的安全中断概率HA(·)(x0)重新定义为如下表达式:

其中,

在式(7)中,x0代表初始状态,xi代表第i次状态转移后的状态,δ(·)代表在马尔科夫链模型中安全中断的定义,ω(·)表示在某一状态下保密消息是否被窃听,若未被窃听其值为0,否则其值为1;

根据重新定义的安全中断概率,优化模型转化为:

7.根据权利要求6所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S4中,利用拉格朗日乘子法将有约束的优化问题转化为无约束的优化问题:其中,

表示在策略A(·)下的代价函数,

表示安全中断概率约束,λ是拉格朗日乘子;

对于给定的λ,将选取动作a时状态x转移到状态y的时延成本函数 重新定义为:其中,c(·)表示原成本函数,δ(·)表示安全中断函数;

相应的,在策略A(·)下给定λ的无约束目标函数 表达式如下:

8.根据权利要求7所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S5中,根据贝尔曼优化理论中的价值迭代,获得贝尔曼方程如下:其中,γ∈[0,1)是贝尔曼方程中的折扣因子, 表示状态x的邻居状态集合,y代表邻居状态,A*(·)表示最优的路由选择策略。

9.根据权利要求8所述的一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法,其特征在于,所述步骤S5中,采用改进的实时动态规划算法获得低时延的传输调度方法,包括以下步骤:(1)随机产生一个无线体域网拓扑,计算出节点间的距离;根据式(1)和式(2)计算出安全中断概率和连接成功概率,并且初始化所有状态值的上限V;

(2)初始化S为初始状态,此时已解码节点只有源节点且保密消息未被窃听;

(3)根据贝尔曼方程,以概率1-θ选取状态S的最佳动作a;概率θ随机选取状态S的动作集合A(S)中的其他动作;

(4)执行选取的动作,依据状态转移概率随机选择一个状态S',重复步骤(3),直到S'为吸收状态,转至步骤(5);

(5)根据贝尔曼方程,回溯更新从初始状态到吸收状态转移过程中每一状态值V;

(6)重复步骤(2)至(5),直到初始状态值V(S0)与前一次探索试验的差值小于阈值τ,则停止运行,并且返回最佳调度策略。