一种工业物联网中感知信息按需传输方法技术

本发明专利技术提供一种工业物联网中感知信息按需传输方法，属于无线通信技术领域，包括：利用信息年龄来量化感知信息的新鲜度，揭示感知信息年龄与状态估计误差之间的解析关系；分析感知信息年龄对估计误差的影响，联合优化传感器调度与发射功率；提出了一种低复杂的基于启发式理论的传感器调度算法，并基于凸优化理论确定传感器发射功率，有效地降低了状态估计误差。本发明专利技术能够根据感知信息对估计性能提升的贡献度来确定传感器调度策略以及发射功率，实现了状态估计精度与传感器能量消耗的有效折衷。衷。衷。

【技术实现步骤摘要】
一种工业物联网中感知信息按需传输方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体而言，尤其涉及一种工业物联网中感知信息按需传输方法。

技术介绍

[0002]在工业物联网系统中，许多传感器被部署在工业现场以感知设备的运行状态。以工业环境下温度监测活动为例，部署在工业现场的传感器通过无线信道将感知数据传输到远端估计器，远端估计器根据接收到的感知数据估计当前工业环境的温度状态。此外，要实现精确感知，必须在规定的时间内完成感知信息的传输。然而，频谱资源的限制使得在系统所能容忍的最大传输延迟时间之前传递所有的感知信息具有挑战性。
[0003]由此可见，工业环境下的状态估计性能严重依赖于经由工业无线网络回传的感知数据的传输性能。信息年龄能够衡量远端估计器可用状态信息的及时性和新鲜度。现有的工作表明降低信息年龄可以减少估计误差，因此，在延迟敏感估计应用中引入信息年龄是合理的。然而，由于无线信道的随机性，针对于信息年龄方面的工作大部分集中于最小化平均信息年龄或峰值信息年龄，如在能耗约束下最小化系统信息年龄或者依据传输网络设计低复杂度调度策略。然而，状态估计中感知能力和系统动力学的异质性，使得上述工作不容易直接应用于感知信息的传输调度。为了匹配传感器感知能力的异质性，一些工作着手于设计基于优先级传输调度策略。在优先级调度中，可以通过考虑不同传感器的优先级传输方式，设计一个具有多个优先级类的状态更新模型，以达到减少信息传输延迟和提高状态估计性能的目的。然而，上述工作的重点是设计可靠的优先级传输调度方案，其中具有预先假定了传输的优先级顺利。而在基于信息年龄的优先级传输调度中，信息的优先级顺序可根据其信息年龄的大小进行变化。因此，具有固定优先级的优先级传输调度方法不能很好地满足状态估计中感官信息的传输调度要求。
[0004]综上所述，现有技术存在的问题是：由于状态估计中感知能力和系统动力学的异质性，使得信息年龄不能很好地直接应用于感知信息的传输调度；目前的具有固定优先级的优先级传输调度方法不能很好地满足状态估计中感官信息的传输调度要求，限制了工业环境感知能力的提升。

技术实现思路

[0005]根据上述提出的技术问题，而提供一种工业物联网中感知信息按需传输方法。本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种工业物联网中感知信息按需传输方法，包括如下步骤：
[0007]S1、利用信息年龄来量化感知信息的新鲜度，揭示感知信息年龄与状态估计误差之间的解析关系；
[0008]S2、分析感知信息年龄对估计误差的影响，联合优化传感器调度与发射功率；
[0009]S3、提出了一种低复杂的基于启发式理论的传感器调度算法，并基于凸优化理论
确定传感器发射功率，降低了状态估计误差。
[0010]进一步地，所述步骤利用信息年龄来量化感知信息的新鲜度，揭示感知信息年龄与状态估计误差之间的解析关系，具体过程如下：
[0011]S11、根据传感器与边缘估计器之间的信道条件，第n个传感器到远端估计器可实现的数据传输速率表示为：
[0012][0013]其中，h
n,k
(t)表示第n个传感器在第k个子信道上的信道增益，p
n,k
(t)为第n个传感器在第k个子信道上的发射功率，σ2为加性高斯白噪声的功率，二进制变量α
n,k
(t)∈{0,1}表示是否在第t个时间步长上将第k个子信道分配给第n个传感器；
[0014]S12、远端估计器根据接收到的感知信息执行状态估计，引入信息年龄来表示感知信息在到达远端估计器的过程中经历了的延迟，根据不同传感器感知信息对估计性能的影响，将其分为两种模式；
[0015]3)优先级传输：第n个传感器的感知信息在第t个时间步长上立即传输，其信息年龄表示为：
[0016][0017]其中：表示第n个传感器的数据传输时延，Δ表示两次相邻估计之间的时间间隔，二进制变量β
n
(t)∈{0,1}表示第n个传感器的感知信息是否立即传输，如果d
n
(t)≤Δ，则表示远端估计器可以在第t个时间步长结束前成功接收到第n个传感器的感知信息，即θ
n
(t)＝1，优先级传输模式下的传感器集合表示为
[0018]4)等待传输：第n个传感器的感知信息在第t个时间步长上等待优先级传输的感知信息完成传输后进行传输，其信息年龄表示为：
[0019][0020]其中：s
n
(t)表示为第n个传感器的等待时间，二进制变量ξ
n
(t)∈{0,1}表示第n个传感器的感知信息是否进行等待传输，若d
n
(t)+s
n
(t)≤Δ时，则表示远端估计器在第t个时间步长结束前成功接收第n个传感器的感官信息，即θ
n
(t)＝1，等待传输模式下的传感器集合表示为
[0021]S13、在第t个时间步长，若第n个传感器被调度参与感知信息传输，则确定第n个传感器在远端估计处的状态估计值，如下：
[0022][0023]其中，表示采用第n个传感器的感知信息得到的状态估计值，如果θ
n
(t)＝1，则表示通过标准卡尔曼滤波获得远端估计器处的更新，其中F
n
(t)为第n个传感器的卡尔曼滤波增益，否则，将通过滚动估计获得远端估计器上第n个传感器的状态估计值更新；
[0024]S14、计算每个被调度传感器的估计误差，表示为：
[0025][0026]其中，x(t)表示第t个时间步长上系统的真实值；
[0027]S15、远端估计器根据接收到的所有调度传感器的感知信息，进行融合估计，表示为：
[0028][0029]其中，μ
n
(t)为第n个传感器的融合权重系数，为了保证融合估计的无偏性，需要保证其中：是单位矩阵，采用熵值法来处理融合权重的确定问题。
[0030]S16、远端估计器处的融合估计误差可表示为：
[0031]E(t)＝X(t)
‑
x(t)
[0032]特别地，感知信息年龄对估计误差的影响由上式进行体现，其中感知信息年龄被隐式包含在融合估计信息X(t)中。
[0033]进一步地，联合优化传感器调度与发射功率；具体为：
[0034]S21、联合优化传输调度与发射功率分配，最小化感知均方误差：
[0035]对T个时间步长内估计误差最小化的约束优化问题进行建模，如下所示：
[0036][0037]其中，C1表示一个信道最多只能分配给一个传感器在一个时间步长进行感知信息传输；C2为各传感器发射功率约束；C3
‑
C5为指标变量的可行范围；
[0038]对建立的问题模型进行求解，获得使估计误差最小的传感器调度策略以及传感器发射功率分配方案，
[0039]S22、由于传输调度决策在每个时间步长上是紧密耦合的，并且目标函数中含有T个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业物联网中感知信息按需传输方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、利用信息年龄来量化感知信息的新鲜度，揭示感知信息年龄与状态估计误差之间的解析关系；S2、分析感知信息年龄对估计误差的影响，联合优化传感器调度与发射功率；S3、提出了一种低复杂的基于启发式理论的传感器调度算法，并基于凸优化理论确定传感器发射功率，降低了状态估计误差。2.根据权利要求1所述的工业物联网中感知信息按需传输方法，其特征在于，所述步骤利用信息年龄来量化感知信息的新鲜度，揭示感知信息年龄与状态估计误差之间的解析关系，具体过程如下：S11、根据传感器与边缘估计器之间的信道条件，第n个传感器到远端估计器可实现的数据传输速率表示为：其中，h
n,k
(t)表示第n个传感器在第k个子信道上的信道增益，p
n,k
(t)为第n个传感器在第k个子信道上的发射功率，σ2为加性高斯白噪声的功率，二进制变量α
n,k
(t)∈{0,1}表示是否在第t个时间步长上将第k个子信道分配给第n个传感器；S12、远端估计器根据接收到的感知信息执行状态估计，引入信息年龄来表示感知信息在到达远端估计器的过程中经历了的延迟，根据不同传感器感知信息对估计性能的影响，将其分为两种模式；1)优先级传输：第n个传感器的感知信息在第t个时间步长上立即传输，其信息年龄表示为：其中：表示第n个传感器的数据传输时延，Δ表示两次相邻估计之间的时间间隔，二进制变量β
n
(t)∈{0,1}表示第n个传感器的感知信息是否立即传输，如果d
n
(t)≤Δ，则表示远端估计器可以在第t个时间步长结束前成功接收到第n个传感器的感知信息，即θ
n
(t)＝1，优先级传输模式下的传感器集合表示为2)等待传输：第n个传感器的感知信息在第t个时间步长上等待优先级传输的感知信息完成传输后进行传输，其信息年龄表示为：其中：s
n
(t)表示为第n个传感器的等待时间，二进制变量ξ
n
(t)∈{0,1}表示第n个传感器的感知信息是否进行等待传输，若d
n
(t)+s
n
(t)≤Δ时，则表示远端估计器在第t个时间步长结束前成功接收第n个传感器的感官信息，即θ
n
(t)＝1，等待传输模式下的传感器集合表示为示为S13、在第t个时间步长，若第n个传感器被调度参与感知信息传输，则确定第n个传感器
在远端估计处的状态估计值，如下：其中，表示采用第n个传感器的感知信息得到的状态估计值，如果θ
n
(t)＝1，则表示通过标准卡尔曼滤波获得远端估计器处的更新，其中F
n
(t)为第n个传感器的卡尔曼滤波增益，否则，将通过滚动估计获得远端估计器上第n个传感器的状态估计值更新；S14、计算每个被调度传感器的估计误差，表示为：其中，x(t)表示第t个时间步长上系统的真实值；S15、远端估计器根据接收到的所有调度传感器的感知信息，进行融合估计，表示为：其中，μ
n
(t)为第n个传感器的融合权重系数，为了保证融合估计的无偏性，需要保证其中：是单位矩阵，采用熵值法来处理融合权重的确定问题；S16、远端估计器处的融合估计误差可表示为：E(t)＝X(t)
‑
x(t)特别地，感知信息年龄对估计误差的影响由上式进行体现，其中感知信息年龄被隐式包含在融合估计信息X(t)中。3.根据权利要求1所述的工业物联网中感知信息按需传输方法，其特征在于，所述联合优化传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕玲，乔泽鑫，戴燕鹏，赵立宏，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：