本发明专利技术涉及一种轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法，所述方法包括以下步骤：步骤1：传感器采集环境数据并进行预处理；步骤2：存储介质保存传感器请求发送的数据；步骤3：调度器根据维护的系统AoI向量计算Whittle索引向量并输出调度决策，步骤4：发送模块根据调度器的调度决策将本地存储介质上的指定数据标准化并打包发送到远端服务器，步骤5：服务器将数据传输是否成功的ACK信号回传给发送模块，步骤6：调度器根据发送模块返回的发送状态更新系统AoI向量；该方案的调度器以及发送模块工作在运输层，对于异构的多传感器调度系统有较好的调度性能，较低的计算复杂度，对系统结构以及特征参数的变化有较好的兼容性。构以及特征参数的变化有较好的兼容性。构以及特征参数的变化有较好的兼容性。
【技术实现步骤摘要】
一种轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法
[0001]本专利技术涉及一种轻量级传感器调度算法、传感器、存储介质、调度器和通讯模块，属于网络调度，数据采样，远程状态估计领域。
技术介绍
[0002]相较于传统有线状态估计，远程状态估计系统有着传感器部署范围大、避免布线困难、允许快速部署等优势，近年来远程状态估计系统得到了广泛的应用与研究。
[0003]远程状态估计主要的应用场景有以下几类。(1)智慧农业。通过在农田中部署传感器精准监控每块农田的各项指标，从而实现农田的差异化管理，最大化资源利用率，提高农田产量。(2)无人机追踪。目前无人机产业高度发达，已经进入了人们生活的方方面面。而无人机的高机动性和广域飞行能力导致其在信息窃取方面越发引起重视。目前匿名无人机的识别和拦截是防止信息窃取的主要途径，为了达到这样的目的，常用传感器网络进行监控从而及时发现无人机，执行轨迹估计算法从而提高拦截效率。(3)环境信息采集。野外勘探工作由于其工作环境的不确定性常给工作人员带来危险，运用远程状态估计技术可以在勘探前使用无人机投放一些传感器到目标区域，提前采集信息从而降低风险，提高工作人员的安全系数。
[0004]在越来越多的远程状态估计应用场景中，传感器数量也在急剧上升，为每一个传感器提供一个专用的信道并不可行。于是，有限信道约束下的传感器调度问题愈发受到重视。目前常见的解决方案可以分为离线策略和在线策略。离线策略是指通过计算出每个传感器最优的调度时间间隔进而对传感器进行调度的策略，此策略执行速度较快但是远程状态估计的估计误差较高。而在线策略通过估计误差进行实时决策实现传感器调度，此策略远程状态估计精度较高，但是系统难以扩展、计算复杂度高，实践中的使用相对困难。
[0005]目前在多传感器在有限信道约束下的调度问题的应对中存在优化效果差，异构系统调度算法复杂，调度器灵活性不足等缺陷。
技术实现思路
[0006]本专利技术针对现有解决方案中存在的问题，提供一种轻量级传感器调度算法、传感器、存储介质、调度器和通讯模块。该技术方案针对远程状态估计系统中有限信道限制下的传感器调度问题提出了轻量级的在线调度策略。
[0007]本专利技术的技术方案如下，一种轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法，所述方法包括以下步骤：
[0008]步骤1：传感器采集环境数据并进行预处理，包括数据格式化以及根据特定的传输协议进行数据打包；
[0009]步骤2：存储介质保存传感器请求发送的数据；
[0010]步骤3：调度器根据维护的系统AoI向量计算Whittle索引向量并输出调度决策，
[0011]步骤4：发送模块根据调度器的调度决策将本地存储介质上的指定数据标准化并
打包发送到远端服务器，
[0012]步骤5：服务器将数据传输是否成功的ACK信号回传给发送模块，
[0013]步骤6：调度器根据发送模块返回的发送状态更新系统AoI向量。
[0014]进一步地，步骤2中，调度器做出调度决策之前存储介质保存所有传感器请求发送的数据，存储介质保存数据前还包含：
[0015]在发送模块开始发送之前将传感器采集到的系统观测变量持久化保存到存储介质中,存储介质应配有高速读写存储设备,存储设备应具有高速读写和反复擦除的能力以满足数据存储要求。
[0016]进一步地，系统初始化时按照所提出算法的要求对被估计的系统提取少量特征参数。
[0017]特征参数应能够描述或近似系统的估计误差迭代更新速度，包括采用系统卡尔曼滤波方程的状态转移矩阵的谱半径、系统噪声方差矩阵的谱半径。
[0018]进一步地，步骤3实现过程具体如下：
[0019]步骤3
‑
1，调度器初始化，对于由卡尔曼滤波器描述的远程状态估计系统，x
i
(k)表示在k时刻i系统的状态向量，ω
i
表示系统i的系统噪声，y
i
(k)表示k时刻i系统的观测向量，v
i
表示系统的观测噪声，A
i
C
i
分别表示系统状态转移矩阵、系统观测矩阵。所提出算法的传输参数分别定义为其中表示系统i平稳误差方差的二范数，||Q
i
||表示系统噪声方差的二范数。
[0020]x
i
(k)＝A
i
x
i
(k
‑
1)+B
i
ω
i
,
[0021]y
i
(k)＝C
i
x
i
9k)+D
i
v
i
.
[0022]步骤3
‑
2，信息年龄获取，系统信息年龄服从如下更新策略，其中s
i
(t)为发送成功的指示变量表示所提出算法决策发送系统i的数据并发送成功，
[0023][0024]步骤3
‑
3，Whittle索引计算。利用系统信息年龄Δ
i
，每次调度时使用以下方程进行Whittle索引的计算，其中W
i
(Δ
i
)表示系统i的AoI为Δ
i
时的Whittle索引。
[0025][0026]步骤3
‑
4，Whittle索引排序以及传感器调度集合获取。由于系统信道约束，每次调度传感器数量最多为M，使用快速排序算法对Whittle索引向量进行排序，并记录其排序前对应的传感器编号，选取最大的M个Whittle索引值对应的传感器进行调度；
[0027]步骤3
‑
5，根据网络传输的具体结果进行信息年龄的更新，返回步骤3
‑
2。
[0028]AoI向量的更新算法。
[0029]本方法采用信息年龄AoI向量描述历史发送成功与否对系统估计误差的累积效应。AoI向量的每个元素维护对应传感器的AoI，且AoI向量的更新遵从以下规则，若传感器
被调度且其数据发送成功，则AoI向量对应的下标更新为1，否则AoI向量对应下标增长1。
[0030]进一步地，步骤4中，发送模块对待发送传感器数据的标准化，将传感器数据保存到储存介质中，在发送时发送模块应对储存介质中的数据进行标准化以及打包工作。
[0031]进一步地，步骤5中，获取被调度传感器集合之后发送模块发送数据，发送模块应在一个时隙内完成从存储介质读取并发送被调度传感器的数据的任务，其中，发送模块应保证发送的时间不变性，即不同时隙，同一类型数据应有相同的发送成功概率，为每个传感器数据分配信道的过程中应保证每个传感器的数据仅使用一个信道进行发送以满足轻量级算法的约束假设。
[0032]进一步地，步骤6中，发送模块发送结束之后调度器的信息年龄更新，在发送模块发送结束之后根据服务器回传的ACK信号确定发送是否成功并将结果传输给调度器以进行信本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法,其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：传感器采集环境数据并进行预处理；步骤2：存储介质保存传感器请求发送的数据；步骤3：调度器根据维护的系统AoI向量计算Whittle索引向量并输出调度决策，步骤4：发送模块根据调度器的调度决策将本地存储介质上的指定数据标准化并打包发送到远端服务器，步骤5：服务器将数据传输是否成功的ACK信号回传给发送模块，步骤6：调度器根据发送模块返回的发送状态更新系统AoI向量。2.根据权利要求1所述的轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法,其特征在于，步骤1中，传感器周期性进行快速数据采集，传感器包括感知单元、AD转化器、微型处理器、电池模块、缓存器以及辅助调节装置。3.根据权利要求1所述的轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法,其硬件特征在于，步骤2中，调度器做出调度决策之前存储介质保存所有传感器请求发送的数据，存储介质保存数据前还包含：在发送模块开始发送之前将传感器采集到的系统观测变量持久化保存到存储介质中,存储介质应配有高速读写存储设备,存储设备应具有高速读写和反复擦除的能力以满足数据存储要求。4.根据权利要求1所述的轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法,其算法特征在于，系统初始化时对被估计的系统提取少量特征参数，特征参数应能够描述或近似系统的估计误差迭代更新速度，包括采用系统卡尔曼滤波方程的状态转移矩阵的谱半径、系统噪声方差矩阵的谱半径。5.根据权利要求1所述的轻量级的远程状态估计系统传感器调度算法,其特征在于，步骤3实现过程具体如下：步骤3
‑
1，调度器初始化，假设系统共包含N个子系统，对于由卡尔曼滤波器描述的远程状态估计系统，如下式所示，其中x
i
9k)表示在k时刻i系统的状态向量，ω
i
表示系统i的系统噪声，y
i
9k)表示k时刻i系统的观测向量，v
i
表示系统的观测噪声，A
i
C
i
分别表示系统状态转移矩阵、系统观测矩阵，所提出算法的传输参数分别定义为α
i
＝||A
i
||,||,其中表示系统i平稳误差方差的二范数，||Q
i
||表示系统噪声方差的二范数，x
i
(k)＝A
i
x
i
(k
‑
U+B
i
ω
i
，y
i
(k)＝C
i
x
i
(k)+D
i
v
i
.步骤3
‑
2，信息年龄获取，系统信息年龄服从如下更新策略，其中s
i
(t)为发送成功的指示变量表示所提出算法决策发送系统i的数据并发送成功，步骤3
‑
3，Whittle索引计算，利用系统信息年龄Δ
i
，每次调度时使用以下方程进...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹向辉，常泰戈，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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