一种认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法技术

一种认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法，包括发射功率控制，数据包结构设计，截断自动重传方案设计，迭代优化数据包长和重传次数，发送数据包进行状态更新。综合考虑过时信道状态信息和短数据包特点给系统状态更新带来的影响，使得模型能够更加准确刻画实际认知中继物联网系统中的状态更新过程。在提高系统状态更新性能方面，本发明专利技术一方面利用认知物联网中继和截断自动重传协议提高系统的覆盖范围和传输可靠性，提高了频谱资源的利用性能；另一方面通过分析状态更新数据包长度和最大允许重传次数对系统状态更新性能的折衷影响，优化数据包长度和最大允许重传次数进一步提高了系统整体的状态更新性能。次数进一步提高了系统整体的状态更新性能。次数进一步提高了系统整体的状态更新性能。

【技术实现步骤摘要】
Status Updates,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.20,no.12,pp.8423
‑
8437,Dec.2021.)研究了在重传协议下面向短数据包通信的中继辅助下的状态更新性能，我们可以通过采用截断自动重传协议进一步提高性能。另一方面，在实际认知物联网通信中，接收机很难提前获知准确的信道状态信息，特别是与长数据包通信相比，短数据包通信的导频与状态更新数据包长度的长度相当，不容忽视。此时，为每个数据包分配长导频以准确更新实时信道状态信息是不现实的。由于反馈延迟，当到达实际传输时间时，可能会发生用于发送器的瞬时信道状态信息实际上已经过时的情况。对此，我们研究认知中继物联网中受过时信道状态信息影响信息年龄，并基于黄金分割法，提出一种迭代优化状态更新数据包长度和重传次数的方法，进一步提高系统的状态更新性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种更加符合实际的认知中继物联网状态更新模型，并提出了一种认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法，以提高系统状态更新性能。该模型综合考虑短数据包通信的影响和过时信道状态信息的情况，更为准确地刻画系统状态更新的过程。所提方法将复杂的设计工作放在了计算能力强的服务器侧进行，能够适应认知中继物联网终端结构简单、计算能力低的实际情况。在次发射机和中继侧，只需通过感知信息控制最大发送功率保护主网络通信。要在服务器侧，服务器需要通过利用黄金分割算法，迭代优化状态更新数据包的长度以及截断重传次数，提升系统得状态更新性能。
[0007]一种认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：发射功率控制：在Underlay模式的认知物联网中，为保证主网络的通信服务质量，次发射机和中继的发射功率需要被限制在一个阈值内，以减少对主接收机的干扰。具体而言，次发射机和中继在发送信息前，需要通过感知主接收机受到的干扰，控制最大发送功率在可容忍干扰阈值内，如果干扰超过干扰门限，发射机要及时调节自身发射功率，以满足主网络的通信服务质量；
[0009]步骤2：数据包结构设计：次发射机确定发射功率后，服务器计算收到信息的信息年龄，利用一维黄金分割算法，优化次发射机的状态更新数据包长度，降低服务器的平均峰值信息年龄；
[0010]步骤3：截断自动重传方案设计：进一步，服务器利用基于确定数据包长的信息年龄采用二维黄金分割法来优化的截断自动重传方案中次发射机和中继设备最大允许传输次数，从而提高系统的状态更新性能。
[0011]步骤4：迭代优化数据包长和重传次数：服务器迭代优化状态更新数据包长度和最大允许重传次数直至算法收敛。之后，服务器将设计的状态更新数据包长度和最大允许重传次数广播给次接收机和中继；
[0012]步骤5：发送数据包进行状态更新：次发射机和中继根据该协议向服务器发送状态更新信息。在该协议中，用L1和L2表示在次网络中两跳内允许的最大重传次数。在第一跳时，次发射机发送状态更新信息给中继，中继如果成功接收数据包则反馈确认信息，如果在L1次传输后仍未能成功接收该数据包，则丢弃该数据包并等待新的状态更新。在第二跳中，中继采用译码转发方式转发数据包到服务器，当数据包被服务器成功解码时，则向次发射机和中继发送确认反馈，此次发送过程结束。如果数据包在L2次传输中没有被成功解码，则将
数据包丢弃，次用户发射机将等待新生成的更新并重复步骤5。
[0013]与现有提高系统状态更新性能的方法相比，本专利技术具有如下优点及显著效果：
[0014]本专利技术利用认知物联网中继和截断自动重传协议提高系统的覆盖范围和传输可靠性，并设计优化系统的传输包长和重传次数，进而提高认知物联网系统的状态更新性能。对系统模型做以下刻画：考虑一个认知中继物联网系统，次网络中的物联网设备采用Underlay的模式与主网络共享频谱。其中，主网络由一对主发射机和主接收机组成，次网络借助一个中继转发次发射机发送的数据包到远端服务器(后简称服务器)，以监控传感器网络的温度、湿度、风力等时间敏感信息。在状态更新过程中，两跳都采用截断自动重传协议进行传输，如果在允许的最大重传次数传输后接收机仍未能成功接收到数据包，则丢弃该包，并等待下一个包进行传输。
[0015]本专利技术考虑更为实际的通信模型，综合考虑了认知中继物联网中数据包长度短和接收端信道状态信息过时的情况，使得本模型能够更加准确地刻画认知中继物联网系统中的状态更新过程。另外，本专利技术在发射端不用进行复杂的数据包控制调度，只需要对简单的状态更新数据包长度和最大允许传输次数进行调整，而较为复杂的算法设计工作放在了计算能力强的服务器侧进行，这使得本专利技术适用于终端结构简单、计算能力低的认知中继物联网网络。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的系统模型图。
[0017]图2是认知中继物联网的状态更新过程示意图。
[0018]图3是系统平均峰值信息年龄随状态更新数据包长度变化关系图。
[0019]图4是系统平均峰值信息年龄随第一跳和第二跳最大允许重传次数变化关系图。
[0020]图5是所提方法与穷举搜索方法性能比较图。
具体实施方式
[0021]以下结合说明书附图对本专利技术专利作进一步的详细说明。如图1所示，一个认知中继物联网系统，次网络中的物联网设备采用Underlay的模式与主网络共享频谱。其中，主网络由一对主发射机和接收机组成，次网络由次发射机、中继和服务器组成。次发射机借助中继将随机生成的状态更新短数据包发送到远程服务器，随机生成的状态更新服从泊松分布速率λ。在数据传输过程中，中继采用译码转发策略转发短数据包，考虑到短数据包系统中不可避免存在较大误包率，次网络采用截断自动重传方案传输状态更新数据包。本专利技术的传输方法具体实现过程如下：
[0022]步骤1：发射功率控制：在Underlay模式的认知中继物联网中，为保证主网络的通信服务质量，次发射机和中继的发射功率需要被限制在一个阈值内，以减少对主接收机的干扰。在实际场景中，短数据包中继通信很难获得实时的信道状态信息，由于网络中的反馈延迟，发射机只能使用过时的信道状态信息进行编码。过时信道状态信息的信道可以建模为
[0023][0024]其中，h是实际的信道系数，e是复高斯变量与h具有相同的方差并且与h不相关，ρ是和h之间的相关因子。具体而言，在次发射机在发送信息前，发射机需要通过感知主网络接收机受到的干扰，控制最大发送功率在可容忍干扰阈值内，由于发射机和中继到主接收机的干扰链路存在过时的信道状态信息，主接收机处的干扰功率可能高于可容忍的干扰阈值I
Q
。因此，次用户发射机和中继采用功率控制策略对发送功率进行控制，次用户发射机和次用户中继节点的P
S
和P
R
发射功率分别表示为
[0025][0026][0027]其中，κ1和κ2分别是两跳发射端的功率控制因子，和分别是次发射机和中继到主网络接收机的过时信道系数，P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：发射功率控制：在Underlay模式的认知物联网中，次发射机和中继的发射功率需要被限制在一个阈值内；次发射机和中继在发送信息前，需要通过感知主接收机受到的干扰，控制最大发送功率在可容忍干扰阈值内，如果干扰超过干扰门限，发射机要及时调节自身发射功率，以满足主网络的通信服务质量；步骤2：数据包结构设计：次发射机确定发射功率后，服务器计算收到信息的信息年龄，利用一维黄金分割算法，优化次发射机的状态更新数据包长度，降低服务器的平均峰值信息年龄；步骤3：截断自动重传方案设计：服务器利用基于确定数据包长的信息年龄采用二维黄金分割法来优化的截断自动重传方案中次发射机和中继设备最大允许传输次数，从而提高系统的状态更新性能；步骤4：迭代优化数据包长和重传次数：服务器迭代优化状态更新数据包长度和最大允许重传次数直至算法收敛；服务器将设计的状态更新数据包长度和最大允许重传次数广播给次接收机和中继；步骤5：发送数据包进行状态更新：次发射机和中继根据该协议向服务器发送状态更新信息。2.根据权利要求1所述的认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法，其特征在于上述步骤1的发射功率控制，具体过程为：在Underlay模式的认知中继物联网中，次发射机和中继的发射功率需要被限制在一个阈值内；在实际场景中，短数据包中继通信很难获得实时的信道状态信息，由于网络中的反馈延迟，发射机只能使用过时的信道状态信息进行编码；过时信道状态信息的信道建模为其中，h是实际的信道系数，e是复高斯变量与h具有相同的方差并且与h不相关，ρ是和h之间的相关因子；在次发射机在发送信息前，发射机需要通过感知主网络接收机受到的干扰，控制最大发送功率在可容忍干扰阈值内，由于发射机和中继到主接收机的干扰链路存在过时的信道状态信息，主接收机处的干扰功率可能高于可容忍的干扰阈值I
Q
；因此，次用户发射机和中继采用功率控制策略对发送功率进行控制，次用户发射机和次用户中继节点的P
S
和P
R
发射功率分别表示为功率分别表示为其中，κ1和κ2分别是两跳发射端的功率控制因子，和分别是次发射机和中继到主
网络接收机的过时信道系数，P
T
是发射端的最大发送功率；假设信道服从瑞利衰落，在第一跳中，主网络接收机端的实际干扰I1为其中，h
SP
是次网络发射机到主网络接收机的实时信道系数；受网络中过时信道状态信息的影响，主网络会因为次网络干扰发生中断，中断的概率定义为主网络接收机处的实际干扰高于干扰功率约束I
Q
的概率；受次发射机干扰中断概率表示为其中，其中，为信道h
SP
和增益联合分布的概率密度函数，x为信道h
SP
增益变量，y为信道增益变量；表示为其中，Ω
SP
为次发射机到主网络接收机信道增益的均值；通过设置可容忍受次发射机最大干扰中断概率将式(6)代入式子(5)，数值求解第一跳功率控制因子κ1的数值，同理得到第二跳功率控制因子κ2。3.根据权利要求2所述的认知中继物联网中基于截断自动重传的状态更新方法，其特征在于上述步骤2的数据包结构设计，具体过程为：信息年龄作为状态更新系统的性能指标被用于分析该系统数据包新鲜程度，信息年龄Δ(t)的定义为当前时间t与接收端成功接收到的最新的状态更新数据包产生时间U(t)的差值，信息年龄表示为Δ(t)＝t
‑
U(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)在状态更新系统中，使用平均峰值信息年龄来刻画基站处收到的状态信息的平均新鲜程度；峰值信息年龄是在接收到新更新之前的峰值H
i
，平均信息年龄峰值为其中τ是时间限制，N(τ)是目的地在τ时间之前收到的数据包数；平均峰值信息年龄表示为
其中，λ为状态包生成速率，θ1和θ2分别为第一跳和第二跳发送的状态更新数据包平均失败的概率，n为状态更新信息的编码长度，B为系统的带宽，L1和L2表示在次网络中两跳内允许的最大重传次数；对于单次单跳状态更新数据包传输，传输失败发生的概率表示为其中，D为状态更新信息，f
γ
(
·
)为接收端信干噪比概率密度函数；第一跳和第二跳的接收信干噪比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡跃明，陈泳，于宝泉，刁宪邦，吴丹，管新荣，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：