一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法技术

本发明专利技术涉及一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法，属于无线网络技术领域。该方法在多信道无线网络下针对多个源节点和多个目标节点的场景，以网络中的平均信息年龄为优化目标，逐时隙对链路进行调度。将信息年龄优化问题转换为对信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的优化，并将多信道的冲突问题转换为二分图匹配的问题，采用Kuhn‑Munkres算法获得多信道无线网络中的无冲突调度方案。本发明专利技术针对多个信道进行调度，提高了网络资源利用率，优化了网络的平均信息年龄；同时，由于目标节点无需提前获取源节点的数据包产生时间，还降低了节点间交互导致的能量消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法
本专利技术属于无线网络通信
，涉及一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法。
技术介绍
近年来，随着无线通信技术的快速发展，无线网络广泛应用在智能交通、工业生产等高实时性需求领域。在采用时隙通信机制的无线实时网络中，如何合理地逐时隙对通信链路进行调度，成为影响网络实时性的重要因素。单纯的根据数据包的传输时延设计调度方法，难以充分体现数据的及时性特性。因此从用户的角度来衡量信息年龄(AgeofInformation,AoI)，即目标节点最新接收到的数据包的生成时刻距离当前时刻所经过的时间，通过对网络中的平均信息年龄的优化，能够更加全面的刻画数据的及时性。因此，亟需一种既能提升网络信息传输的及时性，又能降低网络能量消耗的链路调度方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法，在考虑信道冲突影响的基础上，针对多个源节点和多个目标节点的场景，无需目标节点提前获取源节点的数据包产生时间，采用李雅普诺夫漂移优化方法和Kuhn-Munkres算法，形成无冲突的链路调度方案，提升网络信息传输的及时性，并降低网络能量消耗。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法，基于网络中平均信息年龄的优化，该网络模型下各源节点只与特定的目标节点进行通信，针对多信道无线网络中多个源节点与多个目标节点的通信关系，逐时隙对多个信道进行链路调度。该方法使得目标节点无需与源节点交互数据包的产生时间，根据数据包产生概率求解出各源节点的信息年龄期望值。针对网络中的多信道冲突的问题，将信道冲突问题转换为二分图匹配问题，使用Kuhn-Munkre算法求解无信道冲突的调度方案。该方法具体包括以下步骤：S1：获取待调度网络的参数，包括各源节点的信息年龄、信道信息、各源节点的数据产生概率，以及各源节点在不同信道上的传输成功率等信息；S2：根据各源节点的数据产生概率，依次计算各源节点的信息年龄期望值；S3：将信息年龄优化问题转换为对信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的优化，并求解各源节点在不同信道下的信息年龄期望的李雅普诺夫漂移；S4：依次计算各目标节点下，不同信道中信息年龄期望的最优李雅普诺夫漂移，从而构建目标节点和信道间的二分图，并通过Kuhn-Munkres算法求解无信道冲突的调度方案。进一步，步骤S2中，信息年龄是一种新提出的度量标准，用以从数据包的接收方去度量数据新鲜度，它表示为目标节点最新收到的源节点的数据包的产生时刻距离当前时刻的差值，表达式为Ai(t)＝t-Gi(t)；其中，Ai(t)表示源节点的信息年龄，Gi(t)表示目标节点最新收到的对应源节点i的数据包的产生时刻；目标节点无需提前获取各源节点的数据包的产生时间，通过数据包的产生概率，对信息年龄的期望进行计算。网络中的源节点产生数据包的过程符合伯努利分布且该过程独立同分布，于是各源节点在成功调度后信息年龄值及其概率为：则各源节点在成功调度后信息年龄期望值为：其中，αi表示源节点i的数据产生概率，Ti表示源节点i最近的一次成功调度时刻，Ai(t-1)表示源节点i在t-1时刻的信息年龄。进一步，步骤S3中，该网络需要逐时隙对链路进行调度，于是将信息年龄优化问题转化为对信息年龄期望的李雅普诺夫漂移优化问题，其中信息年龄期望的李雅普诺夫函数为：网络中不同源节点对应不同的信道的传输成功概率不同，且各概率独立同分布；于是网络中信息年龄期望的李雅普诺夫漂移为：其中，M表示网络中的源节点数目，di表示节点的调度决策，Pi,j表示i节点通过信道j发送数据的传输成功率；根据网络中平均信息年龄期望的李雅普诺夫漂移，为固定项，于是在进行链路调度时，在避免信道冲突的前提下，根据信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的变化项选出最小的调度的链路组合。进一步，步骤S4中，多信道无线网络中存在信道的冲突，针对同一目标节点只能分配一条链路进行数据包传输，且同一信道只能分配给一条数据链路，将多信道的冲突问题转换为二分图匹配问题；依次计算各目标节点下，不同信道中信息年龄期望的最优李雅普诺夫漂移的变化项，并将各值取反，构建二分图；通过Kuhn-Munkres算法对二分图的完备匹配的求解，得出无信道冲突的调度方案。进一步，步骤S4中，采用Kuhn-Munkres算法求解带权二分图的最大权匹配问题，具体包括以下步骤：S41：初始化顶标的值，对每一个目标节点xi的顶标值为L(xi)＝max{w(xi,yj)}，j＝0,1,2,...,d，信道yj的顶标值为L(yj)＝0，w(xi,yj)表示目标节点xi与信道yj所对应信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的变化项；对于一个二分图G(X,Y,E,W)，X为目标节点标号，Y为信道标号，W表示边的权值即信道和目标节点对应信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的变化项，E表示匹配的边；S42：保留L(xi)+L(yj)＝w(xi,yj)的边，即各目标节点下信息年龄期望的最优李雅普诺夫漂移的变化项对应的边；S43：依次判断各目标节点是否存在可增广路，递归判断其他目标节点是否有边满足L(xi)+L(yj)≥w(xi,yj)，若存在满足条件的未匹配边，则更新匹配边；若不存在，则根据递归过程形成的交错树，取所有目标节点xi被访问到而信道yj没被访问到的边，求解松弛量L(xi)+L(yj)-w(xi,yj)的最小值k；将交错树中的所有左端点的顶标减小k，右端点的顶标增加k，并重新进行该步骤；S44：根据找出的完备匹配，各匹配边代表各信道调度的目标节点所对应的源节点以及信道，求解出信息年龄期望的最优李雅普诺夫漂移的链路调度组合。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术的调度方法应用于多信道无线网络，提高了网络资源利用率，降低网络中的平均信息年龄，满足用户端对数据实时性的需求。2)本专利技术中，目标节点无需提前获取源节点的数据包产生时间，通过数据包的产生概率，对信息年龄的期望进行计算，降低了节点间进行额外交互的通信开销。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为无线网络的通信拓扑结构图；图2为无线网络中的信道冲突示意图；图3为目标节点和信道的二分图示意图；图4为本专利技术所述的支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法流程图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法，其特征在于，该调度方法针对多信道无线网络中多个源节点与多个目标节点的通信关系，逐时隙对多个信道进行链路调度；具体包括以下步骤：/nS1：获取待调度网络的参数，包括各源节点的信息年龄、信道信息、各源节点的数据产生概率，以及各源节点在不同信道上的传输成功率；/nS2：根据各源节点的数据产生概率，依次计算各源节点的信息年龄期望值；/nS3：将信息年龄优化问题转换为对信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的优化，并求解各源节点在不同信道下的信息年龄期望的李雅普诺夫漂移；/nS4：依次计算各目标节点下，不同信道中信息年龄期望的最优李雅普诺夫漂移，从而构建目标节点和信道间的二分图，并通过Kuhn-Munkres算法求解无信道冲突的调度方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法，其特征在于，该调度方法针对多信道无线网络中多个源节点与多个目标节点的通信关系，逐时隙对多个信道进行链路调度；具体包括以下步骤：
S1：获取待调度网络的参数，包括各源节点的信息年龄、信道信息、各源节点的数据产生概率，以及各源节点在不同信道上的传输成功率；
S2：根据各源节点的数据产生概率，依次计算各源节点的信息年龄期望值；
S3：将信息年龄优化问题转换为对信息年龄期望的李雅普诺夫漂移的优化，并求解各源节点在不同信道下的信息年龄期望的李雅普诺夫漂移；
S4：依次计算各目标节点下，不同信道中信息年龄期望的最优李雅普诺夫漂移，从而构建目标节点和信道间的二分图，并通过Kuhn-Munkres算法求解无信道冲突的调度方案。


2.根据权利要求1所述的多信道无线网络调度方法，其特征在于，步骤S2中，信息年龄表示为目标节点最新收到的源节点的数据包的产生时刻距离当前时刻的差值，表达式为Ai(t)＝t-Gi(t)；其中，Ai(t)表示源节点的信息年龄，Gi(t)表示目标节点最新收到的对应源节点i的数据包的产生时刻；网络中的源节点产生数据包的过程符合伯努利分布且该过程独立同分布，于是各源节点在成功调度后信息年龄值及其概率为：



则各源节点在成功调度后信息年龄期望值为：



其中，αi表示源节点i的数据产生概率，Ti表示源节点i最近的一次成功调度时刻，Ai(t-1)表示源节点i在t-1时刻的信息年龄。


3.根据权利要求2所述的多信道无线网络调度方法，其特征在于，步骤S3中，将信息年龄优化问题转化为对信息年龄期望的李雅普诺夫漂移优化问题，其中信息年龄期望的李雅普诺夫函数为：



网络中不同源节点对应不同的信道的传输成功概率不同，且各概率独立同分布；于是网络中信息年龄期望的李雅普诺夫漂移为：



其中，M表示网络中的源节点数目，di表示节点的调度决策，Pi,j表示i节点通过信道j发送数据的传输成功率；根据网络中平均信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，段思勰，羊婧琪，王平，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50