本發(fā)明涉及傳輸能耗控制和比特率調(diào)度，尤其涉及一種最小化收斂率和能耗的功率、比特率聯(lián)合調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

1、馬爾可夫跳躍系統(tǒng)因其在機(jī)器人手臂、交通流控制系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)等的廣泛應(yīng)用而受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，傳感器需要通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸收集到的數(shù)據(jù)。考慮到監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的電源始終由電池提供，傳感器的傳感、處理和通信信息由有限的能量支持。此外，在大規(guī)模遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，由于傳感器數(shù)據(jù)量大，每個(gè)傳感器可以使用的比特?cái)?shù)有限。有限的傳輸功率和有限的比特率可能會(huì)導(dǎo)致不可靠的通信鏈路，從而以隨機(jī)方式導(dǎo)致信息丟失。本發(fā)明旨在尋求在給定時(shí)變信道增益下的最優(yōu)功率和比特調(diào)度方法，以提高收斂速度并最小化能耗，同時(shí)確保閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、傳輸功率和比特率聯(lián)合調(diào)度的主要結(jié)果為文獻(xiàn)1：quevedo,d.e.,ahlen,a.,ostergaard,j.(2010).energy?efficient?state?estimation?with?wireless?sensorsthrough?the?use?of?predictive?power?control?and?coding,ieee?transactions?onsignal?processing,58(9),4811-4823(quevedo,d.e.,ahlen,a.,ostergaard,j.(2010).通過使用預(yù)測(cè)功率控制和編碼，利用無線傳感器進(jìn)行節(jié)能狀態(tài)估計(jì),ieee?transactionson?signal?processing,58(9),4811-4823)、文獻(xiàn)2：quevedo,d.e.,ostergaard,j.,ahlen,a.(2014).power?control?and?coding?formulation?for?state?estimation?withwireless?sensors,ieee?transactions?on?control?systems?technology,22(2),413-427(quevedo,d.e.,ostergaard,j.,ahlen,a.(2014).無線傳感器狀態(tài)估計(jì)的功率控制和編碼,ieee?transactions?on?control?systems?technology,22(2),413-427)、文獻(xiàn)3：zhou,j.,luo,y.,liu,y.,yang,w.(2023)eavesdropping?strategies?for?remote?stateestimation?under?communication?constraints,ieee?transactions?on?informationforensics?and?security,18,2250-2261(zhou,j.,luo,y.,liu,y.,yang,w.(2023).通信約束下遠(yuǎn)程狀態(tài)估計(jì)的解密策略,ieee?transactions?on?information?forensics?andsecurity,18,2250-2261)。為了平衡能耗和狀態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)1開發(fā)了一種預(yù)測(cè)控制方法，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)在線采用的功率和比特率。在文獻(xiàn)2中，研究了功率控制和編碼對(duì)卡爾曼濾波器的影響，執(zhí)行決策過程以平衡能耗和狀態(tài)估計(jì)精度。文獻(xiàn)3提出了一種解密調(diào)度方案，以最小化估計(jì)誤差。可以看出，上述文章是從開環(huán)系統(tǒng)性能的角度(估計(jì)精度)為一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)聯(lián)合調(diào)度策略。到目前為止，尚未見從閉環(huán)系統(tǒng)性能角度(收斂速度)對(duì)馬爾可夫跳躍系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度的相關(guān)報(bào)告。然而，機(jī)器人手臂、交通流控制系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)等均建模為閉環(huán)馬爾可夫跳變系統(tǒng)。故而，以收斂速度和傳輸能耗為性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)傳輸功率和比特率聯(lián)合調(diào)度方法顯得十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種可以最小化時(shí)變收斂率(以提高收斂速度)和傳輸能耗(以實(shí)現(xiàn)節(jié)約電池電能)的傳輸功率和傳輸比特率聯(lián)合調(diào)度方法，從而在保障馬爾可夫跳變系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的收斂速度，并降低了傳輸能量的消耗。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種最小化收斂率和能耗的功率、比特率聯(lián)合調(diào)度方法，包括以下步驟：

3、步驟1：針對(duì)數(shù)據(jù)丟包、量化編碼影響下的馬爾可夫跳變系統(tǒng)，設(shè)計(jì)包含預(yù)測(cè)控制器和反饋控制器的切換控制單元；馬爾可夫跳變系統(tǒng)描述為：

4、x(k+1)＝aσ(k)x(k)+bσ(k)u(k)

5、其中分別為系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入，(aσ(k),bσ(k))為系統(tǒng)在k時(shí)刻的系統(tǒng)矩陣，表示k時(shí)刻的系統(tǒng)模態(tài)，滿足：

6、

7、步驟2：針對(duì)不同的數(shù)據(jù)丟包情況，設(shè)計(jì)依賴待定時(shí)變量化級(jí)的時(shí)變量化編碼規(guī)則和標(biāo)量函數(shù)的梯度值；

8、步驟3：依據(jù)0時(shí)刻標(biāo)量函數(shù)和時(shí)刻標(biāo)量函數(shù)的相關(guān)性函數(shù)獲取時(shí)變收斂率的顯式表達(dá)式；

9、步驟4：提出依賴時(shí)變收斂率的均值意義下指數(shù)收斂性概念，設(shè)置依賴時(shí)變收斂率和傳輸能耗的二次成本函數(shù)；

10、步驟5：引入滿足限定不等式的常值χ∈(0,1)，獲取依賴該常值的可行功率集合；

11、步驟6：迭代獲取保證系統(tǒng)均值意義下指數(shù)收斂，且最小化二次成本函數(shù)的功率和比特率聯(lián)合調(diào)度集合；根據(jù)比特率b(k)和量化級(jí)n(k)的函數(shù)關(guān)系：

12、

13、離線確定每個(gè)時(shí)刻的時(shí)變量化級(jí)n(k)。

14、進(jìn)一步地，所述步驟1中包含預(yù)測(cè)控制器和反饋控制器的切換控制單元為：

15、

16、其中u(k)為切換控制單元的輸出量，其值依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸丟包情況(即θ(k)的取值)在反饋控制輸入uf(k)和預(yù)測(cè)控制輸入之間切換，kσc(k)和分別為依賴于控制器模態(tài)σc(k)的反饋控制增益和預(yù)測(cè)控制增益；

17、上式中的ck為量化值，其獲取和傳輸規(guī)則為：在任意時(shí)刻定義多面體其中和ek分別為sk的中心和半徑；若x(k)∈sk，即量化器將多面體sk劃分為n(k)n個(gè)子區(qū)域，每個(gè)維數(shù)n(k)份(其中n為馬爾可夫跳變系統(tǒng)的維數(shù)，n(k)為待定的時(shí)變量化級(jí))；假設(shè)為奇數(shù)以保證為其中一個(gè)量化值；將包含x(k)的子區(qū)域的中心定義為x(k)的量化值，記為ck；以特定方式將子區(qū)域編號(hào)為ik∈{1,2,...,n(k)n}；編碼器記錄包含ck的盒子的編號(hào)，并將其與σ(k)一起傳輸?shù)娇刂破鳎患僭O(shè)解碼器知道盒子的編號(hào)方式；如果傳輸成功，解碼器可以解碼量化值ck，控制器使用ck和σ(k)來設(shè)計(jì)控制算法；

18、上式中的為最近一次傳成功的時(shí)刻到k時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)，滿足：

19、

20、和邊界條件為模態(tài)為的系統(tǒng)矩陣。

21、進(jìn)一步地，所述步驟2中依賴待定時(shí)變量化級(jí)的時(shí)變量化編碼規(guī)則為：

22、

23、其中(aσ(k),bσ(k))和分別為系統(tǒng)模態(tài)為σ(k)和的系統(tǒng)矩陣，且

24、

25、進(jìn)一步地，所述步驟3中相關(guān)性函數(shù)為：

26、

27、其中

28、

29、且φ(i)為i時(shí)刻數(shù)據(jù)傳輸成功的概率，且πpp,πpq分別為模態(tài)p轉(zhuǎn)模態(tài)p，模態(tài)p轉(zhuǎn)模態(tài)q的概率。r1(k),r2(k),r3,r4分別為k時(shí)刻不同丟包和切換情況下標(biāo)量函數(shù)的梯度值：

30、1)r1(k)的取值為：

31、

32、其中g(shù)p由步驟2中時(shí)變量化編碼規(guī)則中的gσ(k),σ(k)＝p確定，pp,qp為滿足的正定矩陣，ζ1為任意給定的正常數(shù)，函數(shù)λmin(·),λmax(·)分別表示矩陣的最小特征值和最大特征值，δp為使得r1p(k)＜1的充分大的正常數(shù)，λp:＝‖ap‖且

33、2)r2(k)的取值為：

34、

35、若θ(k)＝1，

36、其中ζ2為任意給定的正常數(shù)；

37、3)r3的取值為：

38、

39、其中由步驟2中時(shí)變量化編碼規(guī)則中的確定；

40、4)r4的取值為：

41、

42、進(jìn)一步地，所述步驟3中時(shí)變收斂率的顯式表達(dá)式為

43、進(jìn)一步地，所述步驟4中依賴時(shí)變收斂率的均值意義下指數(shù)收斂性概念為：若存在常數(shù)和時(shí)變收斂率使得

44、

45、則稱系統(tǒng)是均值意義下指數(shù)收斂的。

46、進(jìn)一步地，所述步驟4中依賴時(shí)變收斂率和傳輸能耗的二次成本函數(shù)為：

47、

48、其中m為預(yù)測(cè)步長(zhǎng)，α,β為給定的加權(quán)系數(shù)，為依賴于比特率b(l)和傳輸功率ρ(l)的能耗函數(shù)，定義為：

49、

50、且為過程成本，κ為信道比特率。

51、進(jìn)一步地，所述步驟5中限定不等式為：

52、

53、其中

54、進(jìn)一步地，所述步驟5中可行功率集合為：

55、

56、進(jìn)一步地，所述步驟6中獲取功率和比特率聯(lián)合調(diào)度集合包含以下步驟：

57、步驟6.1：獲取初始時(shí)刻的調(diào)度集合，即0時(shí)刻的最優(yōu)比特率和最優(yōu)功率

58、1)任意選定常數(shù)其中β為可用的比特率集合；令其中為滿足的最小正整數(shù)且φ(0)為0時(shí)刻數(shù)據(jù)傳輸成功的概率；對(duì)于和中的所有元素，計(jì)算r1(0),r2(0),φw(0),mw(0),δ(0),其中r1(0),r2(0)分別表示標(biāo)量函數(shù)的梯度值r1(k),r2(k)在k＝0時(shí)的取值，φw(0),mw(0),分別表示φw(k-1),mw(k-1),δ(k-1),在k-1＝0時(shí)的取值；

59、2)同樣地，對(duì)于可用的比特率集合β和i時(shí)刻的可行功率集合中的所有元素，計(jì)算r1(i),r2(i),φw(i),mw(i),δ(i),其中r1(i),r2(i)分別表示標(biāo)量函數(shù)的梯度值r1(k),r2(k)在k＝i時(shí)的取值，φw(i),mw(i),δ(i),分別表示φw(k-1),mw(k-1),δ(k-1),在k-1＝i時(shí)的取值；

60、3)得到最小化jm(0)的

61、4)對(duì)于當(dāng)前的和計(jì)算φ(0)。若φ(0)滿足則轉(zhuǎn)到步驟6.2；否則，若φ(0)不滿足令jm(0)＝h，其中h為任意給定的充分大在正數(shù)，返回步驟6.1-3)；

62、步驟6.2：獲取k,時(shí)刻的調(diào)度集合，即k時(shí)刻的最優(yōu)比特率和最優(yōu)功率

63、1)對(duì)于β和中的所有元素，計(jì)算r1(k),r2(k),φw(k),mw(k),δ(k),

64、2)對(duì)于β和中的所有元素，計(jì)算r1(k+i),r2(k+i),φw(k+i),mw(k+i),δ(k+i),其中r1(k+i),r2(k+i)分別表示標(biāo)量函數(shù)的梯度值r1(k),r2(k)在k+i時(shí)的取值，φw(k+i),mw(k+i),δ(k+i),分別表示φw(k-1),mw(k-1),δ(k-1),在k+i時(shí)的取值；

65、3)得到最小化jm(k)的

66、4)對(duì)于當(dāng)前的最優(yōu)功率調(diào)度值和最優(yōu)比特率調(diào)度值計(jì)算φ(k)；若φ(k)滿足則令k＝k+1，轉(zhuǎn)到步驟6.2-1)；否則，若φ(k)不滿足令jm(k)＝h，返回步驟6.2-3)。

67、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明有以下技術(shù)效果：

68、(1)提出了一種包括反饋控制器和預(yù)測(cè)控制器的控制單元，可以在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)。

69、(2)得到了時(shí)變收斂速度的顯式表達(dá)式；基于時(shí)變收斂率定義了一個(gè)更直觀的二次成本函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了收斂速度和能耗之間的協(xié)同和權(quán)衡。

70、(3)設(shè)計(jì)了功率和比特率聯(lián)合調(diào)度方法；引入關(guān)鍵常數(shù)χ，確保時(shí)變收斂率小于1，保證了功率和比特率調(diào)度結(jié)果的可行性和最優(yōu)性。