一种基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法技术

本发明专利技术提供了一种基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法，基于双级轮询和数据聚合的工业传感器网络模型包括传感器、聚合器和监视器，基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法包括以下步骤：步骤1：根据传感器节点间的空间相关性将传感器节点分为K组；步骤2：为每一组传感器配置一个聚合器；步骤3：传感器节点轮询的向聚合器发送信息更新，每组中的传感器节点按照聚合器的轮询周期，轮询的选择节点将数据信息传输到聚合器，此次轮询为一级轮询；步骤4：聚合器收集组内节点的数据，并进行聚合；步骤5：聚合器通过轮询的方式将聚合后的数据转发到监视器，此次轮询为二级轮询。本发明专利技术有效提高传感器网络系统的时效性。效提高传感器网络系统的时效性。效提高传感器网络系统的时效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法


[0001]本专利技术涉及数据传输领域，尤其涉及轮询方法进行数据传输。

技术介绍

[0002]信息年龄
[0003]信息年龄与传统通信系统中的时延有着较大的差异。它们分别从不同的角度对一个系统的时效性进行衡量，时延从发射方的角度进行考虑，描述信息从产生到传输完成的时间，而信息年龄在接收端对系统的时效性进行量化，指的是接收端接收到的信息从产生到目前所经历的时间。在实时监测系统或控制系统中，不仅仅要求信息传输速度快，更加关注终端接收到的信息的时效性，因为过时的信息无法为终端的下一步决策提供充分的有效信息。因此，信息年龄可以有效的对终端的信息时效性进行量化描述，在实时系统中发挥着重要的作用。
[0004]考虑如图1所示信息更新系统，由发送端、信道和目的节点D三部分组成，其中发送端包含有源节点S，发送服务器和缓冲队列各一个。假设源节点的实时采样信息生成服从随机过程X(t)，目的节点需要源节点的实时信息。因此，源节点需要不断地通过发送服务器发送信息更新包，然后经过通信链路到达目的节点，其中每个信息更新包的数据包括源节点的采样信息X(t
i
)以及第i个信息更新包的生成时刻t
i
。当发送服务器处于繁忙状态时，即当前发送服务器正在进行信息更新包的传输，新到达的信息更新包将进入缓冲队列，按照到达顺序依次进入发送服务器进行数据传输。假设信息更新包在源节点发射机进行传输完成后，将通过无差错的通信链路发送到目的节点。当信息更新包到达目的节点时，就意味着接收端完成了信息更新，即系统的信息年龄同时进行更新。
[0005]在图1中的信息更新系统中，源节点产生的所有信息更新包i＝1,2,3
…
，需要传输到目的节点。假设信息更新包从产生到达队列的时间可以忽略，即信息更新包生成与信息更新包到达队列在此模型中含义相同。将信息更新包的生成建模为平均速率λ的泊松过程，数据包的传输时间服从平均速率为μ的指数随机过程。
[0006]系统任意时刻的信息年龄描述的是目的节点最新信息更新包字产生之后所经历的时间。假设信息更新包在时刻t1,t2,
…
,t
i
,
…
生成，相应地，在时刻t
′1,t'2,
…
,t
′
i
,
…
到达目的端，在t时刻，目的端接收的信息更新包的最大索引为：
[0007]k＝max{i|t
′
i
∈t}
ꢀꢀ
(0
‑
10)
[0008]最新更新产生的时间戳为：
[0009]U(t)＝t
k
ꢀꢀ
(0
‑
11)
[0010]在时刻t，信息年龄的数学表达式如下：
[0011]Δ(t)＝t
‑
U(t)
ꢀꢀ
(0
‑
12)
[0012]图1系统所对应的系统信息年龄变化如图2所示。第i个信息更新包产生和接收的时刻分别用t
i
和t
′
i
进行表示。X
i
表示第i个和第i+1个信息更新包的到达间隔，其大小与信息更新包的到达速率λ有关。S
i
表示第i个信息更新包的服务时间，其大小取决于发送服务
器的服务速率。Y
i
表示接收端接收第i个和第i+1个信息更新包的时间间隔。A
i
表示接收端接收到第i个信息更新包时所达到的最大信息年龄。Q
i
表示第i个数据包接受时所产生的梯形面积，例如图2中阴影部分Q3中表示第三个信息更新包接收时产生的梯形面积。Δ0表示系统起始信息年龄。
[0013]由图2可见系统的信息年龄曲线为锯齿状，当有新的信息更新包到达时，系统的信息年龄得到更新，信息年龄降低。在不存在信息更新包到达的过程中，信息年龄呈线性增长的趋势。
[0014]系统的平均信息年龄表达式如下：
[0015][0016]轮询调度策略
[0017]当信息更新系统中有多个更新源时，所有的更新源按照预先给定的顺序依次发送信息更新包进行信息更新。
[0018]在工业智能生产与监测中，需要保证生产环境数据的实时采集，控制指令的精确可靠。信息年龄在高信息时效性应用场景下被提出，与时延相比，可以更加全面有效的对工业传感器网络时效性进行衡量。由于传感器节点的高密度特点，(此处的高密度理解数量为尽量多，但又不浪费，不需要是个固定的数值，是所述
的技术人员根据实际需求进行选择的一个数值范围)，导致相邻传感器节点采集的数据存在大量冗余，大量冗余数据的传输会导致系统信息时效性下降等问题。目前关于信息年龄的研究主要集中在不同的系统模型和信息传输策略以及由干扰导致的信息更新包丢失对系统信息年龄性能的影响。而且目前该领域的研究均为考虑利用数据相关性来提高系统信息年龄性能，且目前的研究局限于单级信息更新系统。

技术实现思路

[0019]为了解决现有技术中问题，本专利技术提供了一种基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法，基于双级轮询和数据聚合的工业传感器网络模型包括传感器、聚合器和监视器，基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法包括以下步骤：
[0020]步骤1：根据传感器节点间的空间相关性将传感器节点分为K组；
[0021]步骤2：为每一组传感器配置一个聚合器；
[0022]步骤3：传感器节点轮询的向聚合器发送信息更新，每组中的传感器节点按照聚合器的轮询周期，轮询的选择节点将数据信息传输到聚合器，此次轮询为一级轮询；在每个聚合器轮询周期中，每一组传感器轮询的选择节点将数据信息传输给聚合器；
[0023]步骤4：聚合器收集组内节点的数据，并进行聚合；
[0024]步骤5：聚合器通过轮询的方式将聚合后的数据转发到监视器，此次轮询为二级轮询。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，还包括步骤6：将系统建模为有限状态的离散马尔可夫过程，分析系统的状态转移与马尔可夫过程相对应的详细参数信息，并借助随机混合系统理论对系统的平均信息年龄进行求解与分析。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，随机混和系统将一个排队系统建模为有限状态 (q
(t),x(t))的变化过程，其中q(t)∈Q＝{0,1,2,
…
,m}表示一个连续时间有限状态的马尔科夫链，用来描述排队系统的各种排队情况，x(t)＝[x0(t),x1(t)...x
n
(t)]∈R
1x(n+1)
也是一个连续过程，用来在接收端记录相应过程的年龄变化；因此可以通过将想要求解的源进行标记，然后随着系统状态的更新在接收端用x(t)跟踪标记的源的信息年龄；x(t)是一个线性增长的分段函数组成的向量，其增长率可通过下式进行求解：
[0027][0028本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
(t),π1(t)
…
π
m
(t)]将会收敛到稳态状态向量与此同时π(t)满足下列关系式：列关系式：在马尔科夫链遍历性假设条件下，状态相关向量v
q(t)
收敛到非负的极限对于任意状态q，当t
→
∞，以下结论恒成立：最终平均信息年龄可通过下式进行求解：4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法，其特征在于：将传感器按照位置特性进行分组。5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种基于双级轮询的高信息时效性数据传输方法，其特征在于：步骤4中，由于同一组传感器节点的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱旭，黄永高，蒋宇飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：