一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法技术

本发明专利技术公开了一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法。该方法包括：首先考虑各类信息内容的信息年龄(AoI)，该度量指标用于捕捉物联网场景中信息内容的新旧程度或者及时性；然后在此基础下建立效用模型，假设物联网节点采集的信息是第一次缓存在基站中的，并且在每个节点都能被其他节点共同观察的情况下，决策节点如何上传信息内容到基站中，使得系统整体效用最大化。由于此问题是NP难问题，本发明专利技术提出了一个满足近似比的高效算法来解出最优决策方案。该方法能够降低处理信息内容的时间复杂度；本发明专利技术提出的方法虑了信息价值、传输成本和信息时效性之间的权衡；本发明专利技术提出的方法同时考虑了节点之间相互干扰，更接近现实情况。

【技术实现步骤摘要】
一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法
本专利技术涉及物联网
，特别是涉及一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法。
技术介绍
近年来，5G和物联网(IoT)结合的新兴应用提高了对及时、可靠的信息更新以实现远程监测和控制的需求。以自动驾驶系统为例，车辆一般需要掌握自身的实时位置、速度和行车交通信息，才能实现交叉、避碰、组队驾驶等驾驶辅助应用。这里的关键问题是保持数据尽可能的新鲜，因为自动驾驶的安全性严重依赖于最新的状态信息。这种对数据新鲜度的要求也可以在许多其他应用程序中看到，包括新闻更新、股票报价、购物促销等。为了表征信息的新旧程度，引入了一个名为信息年龄(Ageofinformation,AoI)的新指标，该指标被定义为度量从源节点(SN)生成此信息以来经过的时间。此外，由于硬件设置和通信距离的异构性，即使是相同类型的内容，它们的生成/通信成本也可能不相同。因此，一个有效的信息更新机制除了简单考虑内容的AoI外，还应该考虑源节点提供的信息内容的服务质量和成本。传统的解决方案大多数都没有考虑到AoI对信息产生采集产生的影响，并且都是基于源节点产生的信息是独立的假设，没有共同的观察。该假设在现实中难以实现，因为大部分物联网业务信息之间会有一定的关联性。He提出了一种先来先服务(FCFS)的信息分组方法，即先到达的信息内容有最高的优先处理级别，但这种方案只考虑了信息的时效性，并没有考虑对信息内容的不同评价指标(Q.He,D.YuanandA.Ephremides,“Optimallinkschedulingforageminimizationinwirelesssystems,”IEEETransactionsonInformationTheory)。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法。本专利技术提供的物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，能够在每个源节点都能被其他源节点共同观察的情况下，解决将节点中的内容上传到基站中的信息传输调度问题。在优化AoI的同时，本专利技术还考虑了源节点在感知质量和代价上的异质性。本专利技术把物联网设备视作源节点(SN)，基站(BS)看作目的节点，基站将根据这些源节点传送过来的信息内容的AoI、信息的价值、传输的成本建立分组包的传输模型，这个模型目标是最大化效用和最小化信息年龄AoI，而源节点之间的相互观测和相互影响且每个节点所能上传的信息内容数量是有限的。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。本专利技术提供的物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，首先确定多源节点与单个服务器的到达和协作服务过程，确定源节点收集的信息内容以及评估这些信息内容的价值，源节点将信息内容处理成数据包，数据包里包含了该信息内容的生成时间、信息价值、传输到基站所要花费的成本等参数，然后根据基站执行的算法确定需要传输哪些信息包，之后存储在自身维持的一个缓冲队列中，该缓冲区用于存储需要发送至基站的信息内容；基站根据每个信息内容的信息年龄、价值成本之差等指标建立效用模型，约束条件还包括源节点间的相互监测、网络资源的限制等，之后能够证明使用最优算法求解的话会导致一个巨大的时间成本；但由于最优算法所花费的时间成本巨大，基站将采取一种近似算法做出决策，该算法的性能可以很好的逼近最优算法的性能；然后基站得出每个源节点的最优调度结果，各源节点将根据此方案将信息内容放进自身维持的缓冲区中，并将这些信息内容传输到基站上。所述确定多源节点与单个服务器的到达和协作服务过程是为了确定源节点传输到基站的信息传输总量。确定了多源节点与单个服务器的到达和协作服务过程，就可以根据源节点的传输能力对源节点的信息传输总量进行约束或者人为限定源节点的信息传输总量。源节点sj的所采集到的信息内容i的价值标识为vi，j，该信息内容从生成到被传输所经过的时间为ti，j，将其看作是信息内容的信息年龄，而源节点间相互监测场景可以表示为其中表示源节点sj可以生成的信息内容集合，即每个源节点所能采集的信息内容能够重叠，而且每个源节点传输的信息内容数量是有限的，表示为|Dj|＜rj，其中rj为源节点sj所能够上传信息内容的最大数量，可以看作源节点的传输能力有限。最大化系统效用模型可以看成是综合考虑了最大化信息的价值和最小化信息内容的最差AoI两个方面的性能指标。本专利技术提供的方法，是从从单个源节点开始，求出其净效用值如下式表示：遍历源节点集合求得最大效益的源节点sj*后，从源节点集合中排除该节点。在剩余的源节点中继续选取具有最大u(j，D0)的源节点，如果u(j*，D0)＞0，则意味着源节点能够有正向的收益，紧接着循环以上步骤，直到剩余的源节点带来的收益小于0或所有源节点都被选中为止，算法结束。在计算单个源节点的最大效益的时候，尝试所有可能的最差AoI，只需将备选信息内容的AoI按照从小到大的顺序先排好，然后在接下来的每一个轮次中，根据轮次l与源节点sj的最大传输量rj的大小比较，确定存入中的消息内容，接下来计算的净效用值，即：在得出最优轮次l*的同时得到该节点sj所要传输的内容集合本专利技术提供的物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，具体包括如下步骤：(1)源节点sj能够采集的信息集合为设D0为基站需要的信息内容集合；标记集合A里信息内容的个数大于等于1；(2)对步骤(1)所述信息内容A中的每一个信息按照信息年龄从小到大排列，依次编号为(3)基站约束该源节点的信息传输总量，该限制阈值标记为rj，rj不小于1；(4)设一个下标k从1开始循环，直至k等于集合A中信息的数量结束；该循环包括：首先将集合A中第k个信息放入中，然后从A中取出信息内容标记为集合B；当k≤rj时，B中所有信息内容都放入集合中；当k＞rj时，先将集合B中的元素按照净效用值从大到小排序，然后从中选取rj-1个内容放入集台中；(5)当步骤(4)的循环结束时得到一系列备选信息内容集合分别将这些信息内容集合分别代入以下公式进行计算，得到各信息集合的效用值；选取效用值最大的信息集合，将该集合的信息内容作为该源节点sj要向基站传输的信息集合Dj，向基站输出信息集合Dj；其中，ci，j表示传输信息内容的传输成本；di表示集合中第i个信息内容；表示源节点sj收集的信息内容集合A中第k个信息内容的信息年龄；vi，j表示信息内容di的价值；α表示一个调节参数，用于平衡信息价值和年龄之间的权重；D0表示基站所需要的信息内容集合；表示源节点sj能够采集到的信息内容集合；表示第k次循环时所产生的备选信息集合；Dj表示源节点sj最后所确定要传输到基站的信息内容集合；j表示源节点si的序号，j为正整数；(6)当所述源节点的数量大于1时，逐一将各源节点的信息进行按照上述方法进行计算，得到各源节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)源节点s

【技术特征摘要】
1.一种物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)源节点sj能够采集的信息集合为设D0为基站需要的信息内容集合；标记集合A里信息内容的个数大于等于1；
(2)对步骤(1)所述信息内容A中的每一个信息按照信息年龄从小到大排列，依次编号为
(3)基站约束该源节点的信息传输总量，该限制阈值标记为rj，rj不小于1；
(4)设一个下标k从1开始循环，直至k等于集合A中信息的数量结束；该循环包括：首先将集合A中第k个信息放入中，然后从A中取出信息内容标记为集合B；当k≤rj时，B中所有信息内容都放入集合中；当k＞rj时，先将集合B中的元素按照净效用值从大到小排序，然后从中选取rj-1个内容放入集合中；
(5)当步骤(4)的循环结束时得到一系列备选信息内容集合分别将这些信息内容集合分别代入以下公式进行计算，得到各信息集合的效用值；选取效用值最大的信息集合，将该集合的信息内容作为该源节点sj要向基站传输的信息集合Dj，向基站输出信息集合Dj；



其中，ci，j表示传输信息内容的传输成本；
di表示集合中第i个信息内容；

表示源节点sj收集的信息内容集合A中第k个信息内容的信息年龄；
vi，j表示信息内容di的价值；
α表示调节参数，用于平衡信息价值和年龄之间的权重；
D0表示基站所需要的信息内容集合；

表示源节点sj能够采集到的信息内容集合；

表示第k次循环时所产生的备选信息集合；
Dj表示源节点sj最后所确定要传输到基站的信息内容集合；
j表示源节点sj的序号，j为正整数；
(6)当所述源节点的数量大于1时，逐一将各源节点的信息进行按照上述方法进行计算，得到各源节点效用值最大的信息集合，然后由各源节点分别向基站输出效用值最大的信息集合，完成物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化。


2.根据权利要求1所述的物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，其特征在于，当所述源节点的数量大于1时，源节点的总数标记为m，则




表示源节点sj能够采集到的信息内容集合；表示m个源节点中除了序号为j以外任意一个源节点sj′能够采集到的信息内容集合。


3.根据权利要求1所述的物联网中多源节点信息更新的信息年龄优化方法，其特征在于，步骤(3)中，基站约束源节点的信息传输总量是根据源节点的传输能力进行约束或...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓兆基，汪秀敏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44