本发明涉及智能家居的控制的技术领域，更具体地，涉及一种基于资源分配的信息速率接入控制优化方法及系统。
背景技术：
随着计算机技术、网络技术、控制技术及人工智能等的飞跃发展，智能化社会已成为新世纪的发展趋势。智能家居也随之迅猛发展起来，与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，同时能够提供信息交互功能，使得人们能够在外部查看家居信息和控制家居的相关设备，便于人们有效安排时间，使得家居生活更加安全舒适。智能家居目的主要针对的是住宅，并且应用了很多目前已有的各种技术，比如各种不同功能的传感器、相关的电子设备、控制技术、安防技术等，并使用通信技术把家里有关电子设备尽可能的连接一块，以构件以舒适性为追求的目的，另外他还能够更加高效的统一管理家庭事务，所以它的引入导致舒适性、便利性、安全性、高效性大大提高。
智能家居系统包含互联网、智能家电、控制器、家居网络及网关。其中智能家居网络与网关是智能家电设备、互联网及接入设备之间能够进行信息交互的关键环节。然而，在智能家居网络中，要将家居设备接入家居网络进行通信，这将使家居网络消耗大量能量，而服务于家居网络的总功率是受限的，并且每个家居网络的带宽都是有限的，不能够实现在保证各家居设备通信需求的同时，最大化家居网络中接入设备的最小信息速率，对家居设备进行高效的接入控制。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于资源分配的信息速率接入控制优化方法，通过合理分配功率和带宽确保在通信网络中的接入设备的信息速率得到保证的同时，对接入设备的信息速率进行优化。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于资源分配的信息速率接入控制优化方法，包括以下步骤：
S1.对接入智能家居网络的设备的信息速率进行优化，并计算优化的信息速率对应的功率和带宽的分配方式；
S2.按照步骤S1中功率分配方式将有限的总服务功率分配至每个接入智能家居网络的接入设备，按照步骤S1中带宽分配方式将有限的带宽资源分配至每个接入智能家居网络的接入设备；
S3.依据步骤S2中的服务功率和带宽进行接入设备的准入控制，所述接入设备总计为N个。
本发明的基于资源分配的信息速率接入控制优化方法，通过合理分配功率和带宽确保在通信网络中的接入设备的最低信息速率得到保证的同时，对接入设备的信息速率进行优化；然后按照与此对应的功率和宽带的分配方式进行控制，并基于此控制家居通信网络的接入设备的准入控制，在保证传输速率满足设备需求的同时，尽可能让接入家居网络的设备数量最大；本发明的控制方法的复杂度低，家居网络的可靠性高。
优选地，最大化的信息速率最小的优化问题表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，Ci为第i个接入设备的信息速率。本发明对每个接入设备的信息速率进行优化实现最小信息速率最大化，方法的复杂度低。
优选地，所述第i个接入设备的信息速率Ci由公式计算：
其中，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，ri为接入设备的信噪比，且其中，gi为信道增益，N0为信道加性高斯白噪声功率谱密度，PN是其它网络中的接入设备对家居网络中接入设备的干扰。
优选地，所述有限的总服务功率受限表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，表示用于智能家居通信网的总功率，表示被第i个家居网络Si服务的设备组；所述有限的带宽资源受限表示为其中，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，w表示网络的总带宽。
优选地，所述信息速率的优化是通过凸问题的KKT条件和拉格朗日乘数法进行优化的。
优选地，所述设备接入控制模块采用贪婪搜索算法的次优化算法来进行对家居设备的准入控制，在保证最小传输速率的最大化的同时，尽可能让接入家居网络的设备数量最多。
本发明还提供了一种基于资源分配的信息速率接入控制系统，包括信息速率优化模块、资源分配模块以及设备接入控制模块：
信息速率优化模块：用于优化加入家居网络设备的信息速率，计算通信网传输容量，并计算通信网传输容量和优化信息速率对应的功率分配方式和带宽分配方式；
资源分配模块：与所述信息速率优化模块通讯连接，用于对智能家居通信网中的接入设备进行服务功率分配和带宽分配；
设备接入控制模块：与所述资源分配模块通讯连接，用于控制设备接入。
信息速率优化模块在保证接入设备间资源分配公平的同时，对接入家居网络的接入设备的最小传输速率进行优化，计算最大化接入设备的最小传输速率时对应的功率和带宽分配方式；资源分配模块在受限的网络服务功率和受限的带宽条件下，对每个接入家居网络的设备的服务功率和信道带宽进行控制，以保证设备的通信服务需求；设备接入控制模块基于以上信息速率优化模块和资源分配模块，保证接入设备的最小信息速率最大化对家居网络的设备接入进行高效的控制。
优选地，所述资源分配模块包括用于分配功率的功率分配模块以及用于分配带宽的带宽分配模块。对每个接入家居网络的设备的服务功率和信道带宽进行控制，以保证设备的通信服务需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过研究接入家居网络的设备的信息速率优化方法，进而对接入设备的服务功率和信道带宽进行控制，进一步设计出复杂度较低的智能家居网络对各设备的接入控制机制，提高智能家居网络中接入设备的最小传输速率，提高家居网络的可靠性。
(2)采用本发明的控制方法和控制系统的智能家居网络能够实现在满足各家居设备通信要求的同时，最大化家居网络中接入设备的最小信息速率，对未来智能家居的发展有着重要意义。
附图说明
图1为本发明基于资源分配的信息速率接入控制优化方法的流程图。
图2为基于资源分配的最小信息速率最大化接入控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示为本发明的为基于资源分配的信息速率接入控制优化方法的实施例，包括以下步骤：
S1.对接入智能家居网络的设备的信息速率进行优化，并计算出信息速率对应的功率和带宽的分配方式；
S2.按照步骤S1中功率分配方式将有限的总服务功率分配至每个接入智能家居网络的接入设备，按照步骤S1中带宽分配方式将有限的带宽资源分配至每个接入智能家居网络的接入设备；
S3.依据步骤S2中的服务功率和带宽进行接入设备的准入控制，所述接入设备总计为N个。
具体地，在智能家居网络中，第i个接入设备的信息速率Ci由香农公式计算：
式中ri为接入设备的信噪比，且其中，pi、wi分别是接入设备分配到的功率和带宽，wiN0表示加性高斯白噪声在信道wi上的噪声功率，pN是其它网络中的接入设备对家居网络中接入设备的干扰。
本实施例中的最大化的信息速率最小的优化问题可表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，Ci为第i个接入设备的信息速率。服务于网络的总功率是受限的，功率受限表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，M表示家居网络的个数，表示用于智能家居通信网的总功率，表示被第i个家居网络Si服务的设备组；每个家居网络中的带宽也是受限的，带宽受限表示为：其中，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，w表示网络的总带宽。对于此凸函数，利用凸问题的KKT条件和拉格朗日乘数法进行优化，求解出最大化接入设备的最小信息速率时所对应的信道带宽和服务功率的分配方式。在保证最小传输速率的最大化的同时，尽可能让接入家居网络的设备数量最大；本发明中，在对接入设备进行准入控制时，采用贪婪搜索算法的次优化算法进行设计。
实施例2
如图2所示为本发明的基于资源分配的最小信息速率最大化接入控制系统，包括信息速率优化模块、资源分配模块以及设备接入控制模块：
信息速率优化模块：用于优化加入家居网络设备的最小信息速率，计算最大通信网传输容量，并计算最大通信网传输容量和最小信息速率时的功率分配方式和带宽分配方式；
资源分配模块：与所述信息速率优化模块通讯连接，用于对智能家居通信网中的接入设备进行服务功率分配和带宽分配；
设备接入控制模块：与所述资源分配模块通讯连接，用于控制设备接入。
其中，所述资源分配模块包括用于分配功率的功率分配模块以及用于分配带宽的带宽分配模块。对每个接入家居网络的设备的服务功率和信道带宽进行控制，以保证设备的通信服务需求。
在一些实施例中，资源配置的模块引入包括智能家居网络总功率、网络的可利用的总带宽、信道衰落增益变化的瑞利面为变量，给每个接入设备分配相同的带宽和相同的功率、先给每个接入设备分配相同的带宽再分配不同的功率和给每个接入设备都分配不同的带宽和功率这三种资源分配方法对接入设备的最小容量的最大化程度进行比较。
本实施例中的信息速率优化模块在保证接入设备间资源分配公平的同时，对接入家居网络的接入设备的最小传输速率进行优化，计算最大化接入设备的最小传输速率时对应的功率和带宽分配方式；资源分配模块在受限的网络服务功率和受限的带宽条件下，对每个接入家居网络的设备的服务功率和信道带宽进行控制，以保证设备的通信服务需求；设备接入控制模块基于以上信息速率优化模块和资源分配模块，保证接入设备的最小信息速率最大化对家居网络的设备接入进行高效的控制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。