一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法，包括以下步骤：S1、确定网络通信模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对网络通信模型影响决策的相关因素进行分析；S3、定义网络通信模型的状态空间和动作空间；S4、求解上行和下行数据队列的状态转移矩阵；S5、求解电池电量的状态转移矩阵；S6、求出系统的状态转移矩阵；S7、建立基于MDP的优化策略模型并求解该优化策略模型。本发明专利技术以保证一定的QoS为前提，基于马尔科夫决策过程建立了一个关于传输决策问题的决策类模型，采取适当的策略进行通信，设计出最优的数据和能量协同传输策略，以此达到系统吞吐量最大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法
本专利技术属于数能一体化通信网络
，特别涉及一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法。
技术介绍
随着无线网络技术的快速发展和移动设备的数量急剧增加，如手机和可穿戴设备等的用户设备(UEs)产生了巨大的数据量。如何为这些设备的无线供能成为一个具有挑战性的问题。无线能量传输(WirelessEnergyTransfer，WET)技术可以收集外在RF信号并通过电路设计将其转化为直流(DirectCurrent，DC)电路用于无线信息传输(WirelessInformationTransfer，WIT)，从而处理一些能量受限和不稳定网络的能量瓶颈问题。数能一体化通信网络(Dataandenergyintegratedcommunicationnetworks，DEINs)是一种能实现数据与能量协作传输的新型网络。在数能一体化网络中，能量和数据可以同时传输，亦可以通过传输能量信号为能量受限设备提供能量进行信息传输，延长网络寿命。在实际的无线通信网络系统中，通信网络环境是复杂的。以一个通信接入点和节点为例，通常节点具有一定的移动性，即移动节点位置的概率性，通信接入点具备一定的覆盖范围，接入点和节点之间存在一个有效的通信距离，接入点和节点之间又会存在通信数据包的丢失，通信数据包到达与传输的概率性等等，这些因素均可直接影响到通信质量的好坏，故采取适当的策略进行通信，使得利益最大化，是数能一体化传输网络的优化方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于分析讨论数能一体化网络中数能协同传输策略问题，即上行传输数据、下行传输数据，或者下行传输能量。考虑一般的数能一体化网络场景，本专利技术基于马尔科夫决策过程，以系统吞吐量最大为优化目标，建立了关于数能协同传输决策优化模型，从而得到最有数能协同传输策略。本专利技术提供了分析数能一体化网络中数能系统传输策略设计的模型化分析框架。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法，包括以下步骤：S1、确定网络通信模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对网络通信模型影响决策的相关因素进行分析；S3、定义网络通信模型的状态空间和动作空间；S4、求解上行和下行数据队列的状态转移矩阵；S5、求解电池电量的状态转移矩阵；S6、求出系统的状态转移矩阵；S7、建立基于MDP的优化策略模型并求解该优化策略模型。进一步地，所述步骤S1具体实现方法为：设立一个通信接入点和移动节点，通信接入点下行传输数据或能量至移动节点；移动节点使用电池中的能量进行上行传输数据和下行接收数据：移动节点通过消耗能量将数据上行传输至通信接入点，或者移动节点发送供能请求至通信接入点；若接入点下行传输数据，两者则产生下行数据通信过程；若接入点下行传输能量，两者则产生下行能量传输过程；移动节点产生的数据，并消耗一定的能量将其上行传输到接入点，同时移动节点也可能会发送能量传输请求至接入点，请求接入点供给一定的能量至移动节点，而请求多少能量则是概率性的，当移动节点收到接入点的能量后，将能量存在自身的电池中，设电池的最大容量为E；通信接入点和移动节点的上行信道和下行信道均有数据通信的需求，通信接入点和移动节点分别存在一个有限的队列，用于存储待发送的数据，队列大小分别表示为Qd和Qu。在数能一体化网络中，假设电池的能量仅仅来源于通信接入点下行信道传输的能量收集；若移动节点的电池电量为0，移动节点将自动的关机，就不能继续传输或接收数据；但是，为了本专利技术讨论简单起见，假设移动节点可以存储一点儿备用电量，当其电池电量为0时，移动节点仍然可以向接入点发送能量传输请求，请求进行能量供给，从而使得移动节点能够永远处于正常的运行状态；另外，本专利技术中所讨论的能量传输请求和接入点下行能量属于一个动作，可在一个时隙内完成。进一步地，所述步骤S2具体包括以下子步骤：S21、在该通信网络系统中，移动节点是具有移动性，即其概率性的改变位置；对移动节点移动性的考虑，规定一组移动节点位置的集合LS＝{0，1，...，l，...，L}，其中L表示位置的最大个数；移动节点在任何时间的位置l均在位置集合LS中，即l∈LS；移动节点在一个时隙内从位置l移动到位置l′的概率为P(Nl，l′)；设接入点的位置lA，其覆盖范围表示为LA；S22、进行无线能量传输：若移动节点所在位置l∈LA，且决定向接入点请求传输能量，则移动节点在位置l收集到能量e的概率表示为P(El，e)，其中e∈{0，1，...，Ce}，Ce为传输能量的最大值；移动节点收集到能量e表示其电池电量储存增加e；S23、计算数据包的到达和传输概率：对于上行数据队列和下行数据队列来说，若移动节点位于位置l，且存在m个数据包到达的概率分别表示为P(Ul，m)和P(Dl，m)；其中，m∈{0，1，...，Cm}，Cm为到达的最大数据包个数；若移动节点位置l处于接入点的覆盖范围之内，即l∈LA，并且通信系统决定移动节点上行传输数据至接入点，或者接入点下行传输数据至移动节点，其传输一个数据包的概率表示为P(Sl)；S24、定义决策的主要参考因素QoS指标，包括吞吐量和数据包丢失率两类指标，其中吞吐量指的是上行传输和下行传输的吞吐量。进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：S31、定义通信系统的状态空间：S＝{(L,E,Qd,Qu)；L∈LS,E∈{0,1,...,E},Qd∈{0,1,...,Qd},Qu∈{0,1,...,Qu}}其中：L表示移动节点移动位置的状态集合，E表示移动节点电池电量的状态集合，Qd表示下行数据传输队列长度的状态集合，Qu表示上行数据传输队列长度的状态集合；通信系统某一时刻的系统状态组合表示为s＝(l,e,qd,qu)∈S，系统状态表达式中的l,e,qd,qu分别对应于状态集合中的随机变量L,E,Qd,Qu；S32、定义通信系统的动作空间：若通信系统中移动节点的位置l在接入点的覆盖范围之内，即l∈LA，且移动节点的电池电量为正值，则两者可发生多种可能的通信过程；若在接入点的覆盖范围之内，但移动节点的电池电量为0，则两者只可能发生能量包通信过程；若不在接入点的覆盖范围之内，则不可能发生任何通信过程；故一般情况下，该系统模型的动作空间表示如下：其中，“0”表示下行传输数据包通信过程，“1”表示上行传输数据包通信过程，“2”表示下行传输能量通信过程。进一步地，所述步骤S4包括以下子步骤：S41、对于上行数据队列，讨论不上行传输数据包，只有待上行传输的数据包到达的情况；考虑若系统中的移动节点位置l∈Ls\LA，即移动节点不在系统接入点的覆盖范围之内，或者在覆盖范围之内但动作为下行传输能量，则系统就不上行传输数据包，而只存在待上行传输的数据到达的情况；在这种情况下，上行数据队列长度的变化只存在增加的情况，直到队列长度增加到最大值，上行数据队列的状态转移矩阵表示如下：其中，矩阵的每一行都表示上行数据队列的数据长度，即qd＝0,1,...,Qd；S42、对于上行数据队列，讨论上行传输数据包，且有待上行传输的数据包到达的情况；考虑若系统中移动节点的位置l∈LA，并且选择上行传输上行数据队列中的数据，于是，上行数据队列因为上行数据包的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定网络通信模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对网络通信模型影响决策的相关因素进行分析；S3、定义网络通信模型的状态空间和动作空间；S4、求解上行和下行数据队列的状态转移矩阵；S5、求解电池电量的状态转移矩阵；S6、求出系统的状态转移矩阵；S7、建立基于MDP的优化策略模型并求解该优化策略模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于QoS的数能一体传输策略设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定网络通信模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对网络通信模型影响决策的相关因素进行分析；S3、定义网络通信模型的状态空间和动作空间；S4、求解上行和下行数据队列的状态转移矩阵；S5、求解电池电量的状态转移矩阵；S6、求出系统的状态转移矩阵；S7、建立基于MDP的优化策略模型并求解该优化策略模型。2.根据权利要求1所述的基于QoS的数能一体传输策略设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现方法为：设立一个通信接入点和移动节点，通信接入点下行传输数据或能量至移动节点；移动节点使用电池中的能量进行上行传输数据和下行接收数据：移动节点通过消耗能量将数据上行传输至通信接入点，或者移动节点发送供能请求至通信接入点；当移动节点收到接入点的能量后，将能量存在自身的电池中，设电池的最大容量为E；通信接入点和移动节点分别存在一个有限的队列，用于存储待发送的数据，队列大小分别表示为Qd和Qu。3.根据权利要求2所述的基于QoS的数能一体传输策略设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下子步骤：S21、在该通信网络系统中，移动节点是具有移动性，规定一组移动节点位置的集合LS＝{0，1，...，l，...，L}，其中L表示位置的最大个数；移动节点在任何时间的位置l均在位置集合LS中，即l∈Ls；移动节点在一个时隙内从位置l移动到位置l′的概率为P(Nl，l′)；设接入点的位置lA，其覆盖范围表示为LA；S22、进行无线能量传输：若移动节点所在位置l∈LA，且决定向接入点请求传输能量，则移动节点在位置l收集到能量e的概率表示为P(El，e)，其中e∈{0，1，...，Ce}，Ce为传输能量的最大值；移动节点收集到能量e表示其电池电量储存增加e；S23、计算数据包的到达和传输概率：对于上行数据队列和下行数据队列来说，若移动节点位于位置l，且存在m个数据包到达的概率分别表示为P(Ul，m)和P(Dl，m)；其中，m∈{0，1，...，Cm}，Cm为到达的最大数据包个数；若移动节点位置l处于接入点的覆盖范围之内，即l∈LA，并且通信系统决定移动节点上行传输数据至接入点，或者接入点下行传输数据至移动节点，其传输一个数据包的概率表示为P(Sl)；S24、定义决策的主要参考因素QoS指标，包括吞吐量和数据包丢失率两类指标，其中吞吐量指的是上行传输和下行传输的吞吐量。4.根据权利要求3所述的基于QoS的数能一体传输策略设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：S31、定义通信系统的状态空间：S＝{(L,E,Qd,Qu)；L∈LS,E∈{0,1,...,E},Qd∈{0,1,...,Qd},Qu∈{0,1,...,Qu}}其中：L表示移动节点移动位置的状态集合，E表示移动节点电池电量的状态集合，Qd表示下行数据传输队列长度的状态集合，Qu表示上行数据传输队列长度的状态集合；通信系统某一时刻的系统状态组合表示为s＝(l,e,qd,qu)∈S，系统状态表达式中的l,e,qd,qu分别对应于状态集合中的随机变量L,E,Qd,Qu；S32、定义通信系统的动作空间：其中，“0”表示下行传输数据包通信过程，“1”表示上行传输数据包通信过程，“2”表示下行传输能量通信过程。5.根据权利要求4所述的基于QoS的数能一体传输策略设计方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下子步骤：S41、对于上行数据队列，讨论不上行传输数据包，只有待上行传输的数据包到达的情况；在这种情况下，上行数据队列长度的变化只存在增加的情况，直到队列长度增加到最大值，上行数据队列的状态转移矩阵表示如下：其中，矩阵的每一行都表示上行数据队列的数据长度，即qd＝0,1,...,Qd；S42、对于上行数据队列，讨论上行传输数据包，且有待上行传输的数据包到达的情况；考虑若系统中移动节点的位置l∈LA，并且选择上行传输上行数据队列中的数据，于是，上行数据队列因为上行数据包的传输，长度减小，又会因为一定数据包的到达，长度增加；该情况下的上行数据队列受到上行数据传输和相应数据包到达两个概率性因素的影响，其上行数据队列的状态转移矩阵Ul表示如下：考虑数据队列长度从i到j的变化，除了数据到达之外，还要考虑数据传输；因此，矩阵中p(l,m,m')的表达式如下：上式表示了队列状态转移受到数据传输概率和数据到达概率的影响，数据队列可以达到的最大长度即为该队列的最大有限长度Qd；S43、对于下行数据队列的状态转移情况；设下行不传输数据包且有数据包到达情况下的状态转移矩阵为表示如下：S44、对于下行数据队列，讨论下行传输数据包，且有待下行传输的数据包到达的情况；考虑若系统中移动节点的位置l∈LA，并且选择上行传输上行数据队列中的数据，于是，上行数据队列因为上行数据包的传输，长度减小，又会因为一定数据包的到达，长度增加；该情况下的上行数据队列受到上行数据传输和相应数据包到达两个概率性因素的影响，其上行数据队列的状态转移矩阵Dl表示如下：考虑数据队列长度从i到j的变化，除了数据到达之外，还要考虑数据传输；因此，矩阵中p(l,m,m')的表达式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：于秦，王伟东，
申请(专利权)人：成都瑞沣信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51