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

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。


技术实现要素：

6.本发明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。
7.一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：
8.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；
9.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；
10.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。
11.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；
12.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。
13.与现有提高系统状态更新性能的方法相比，本发明具有如下优点及显著效果：
14.本发明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。
15.本发明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，本发明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，这使得本发明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
16.图1是本发明的系统模型图。
17.图2是认知中继物联网的状态更新过程示意图。
18.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。
19.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。
20.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
21.以下结合说明书附图对本发明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。本发明的传输方法具体实现过程如下：
22.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
23.24.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iq。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ps和pr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
t
是发射端的最大发送功率。
[0028]
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
[0029][0030]
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；
[0031]
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iq的概率。因此，受次发射机干扰中断概率表示为
[0032][0033]
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。可以表示为
[0034][0035]
其中，ω
sp
为次发射机到主网络接收机信道增益的均值。我们可以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)，即可以数值求解第一跳功率控制因子κ1的数值，同理可得第二跳功率控制因子κ2；
[0036]
步骤2：数据包结构设计：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。信息年龄可以表示为
[0037]
δ(t)＝t-u(t)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0038]
该系统信息年龄的更新过程如图2所示，假设最大重传时间l1＝l2＝2。其中，si表示上一个有效数据包到达时间到生成下一个数据包之间的等待时间。ti是完成第i次更新所经过的时间，zi表示离开时间，即两个连续有效数据包之间的时间间隔。信息年龄不断增加并下降到即成功接收最新产生更新包的经过时间。在该状态更新系统中，我们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hi。然后，平均信息年龄峰值可以给出为
[0039][0040]
其中，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。
[0041]
通过计算，在该系统中，平均峰值信息年龄可以表示为
[0042][0043]
其中，λ为状态包生成速率，n为状态更新信息的编码长度，b为系统的带宽，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。
[0044]
对于单次单跳状态更新数据包传输，传输失败发生的概率可以表示为
[0045][0046]
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。根据系统模型，可知第一跳和第二跳的接收信干噪比为
[0047][0048][0049]
其中，ps、pr和p
p
分别为次发射机、中继和主发射机的发送功率，ρ
sr
和ρ
sr
分别为次发射机到中继和中继到服务器过时信道的相关因子，和分别是次发射机到中继和中继到服务器的过时信道系数，h
pr
和h
pd
分别是主发射机到中继和服务器的信道系数，σ2为信道的噪声功率；
[0050]
将瑞利衰落信道增益的概率密度函数代入求解可得相应的概率密度函数。进一步，次发射机向服务器发送状态更新数据包第一跳和第二跳的平均失败概率为
[0051][0052][0053]
其中，和分别为第一跳和第二跳接收信干燥比的概率密度函数。将式(13)和(14)代入到式(9)中，便可得到在服务器处的平均峰值信息年龄。利用得到的平均峰值信息年龄，服务器可设计状态更新数据包长度和最大允许重传次数，提高系统整体的状态更新性能。优化问题可表示为
[0054][0055]
s.t.n
min
＜n＜n
max
ꢀꢀꢀ
(15b)
[0056]
l1＜l
max
ꢀꢀꢀ
(15c)
[0057]
l2＜l
max
ꢀꢀꢀ
(15d)
[0058]
其中，约束条件(15b)是为状态更新信息中最小的负载信息的编码长度n
min
和最大相干时间以内，约束条件(15c)和(15d)是为了保证系统重传性能的有效性。
[0059]
由于优化参数的耦合性，我们首先得到将问题(15)拆分成优化n和l1,l2的两个子问题。优化状态更新数据包长度的子问题可以表示为
[0060][0061]
s.t.n
min
＜n＜n
max
ꢀꢀꢀ
(16b)
[0062]
优化最大重传次数的子问题可以表示为
[0063][0064]
s.t.l1＜l
max
ꢀꢀꢀ
(17b)
[0065]
l2＜l
max
ꢀꢀꢀ
(17c)
[0066]
考虑到式(9)中的复杂性，本方法采用一维黄金分割的方法对第一个子问题进行求解，该方法可以有效避免对复杂的目标函数求微分工作。算法的具体求解步骤如下：
[0067]
步骤21：给定最大重传次数为l1,l2，对(16)中的优化问题利用黄金分割算法进行求解，得到
[0068]
步骤22：对得到的数据包长度进行取整，得到最佳的状态更新数据包长度为
[0069]
采用黄金分割法后，通过试探点函数值的比较，使其极值点的搜索范围不断缩小，相较于一维全局搜索，其复杂度约为该方法仅需要计算函数值，在此模型中使用方便。
[0070]
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认知中继设备最大允许传输次数，从而提高系统的状态更新的性能。算法的具体求解步骤如下：
[0071]
步骤31：给定步骤2得到的状态更新数据包长n，为对(17)中的优化问题利用二维黄金分割算法进行求解，得到
[0072]
步骤32：对得到的导频长度进行取整，得到两跳的最佳最大允许重传次数
[0073][0074]
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。算法的具体求解步骤如下：
[0075]
步骤41：对步骤3种得到的代入步骤2中的优化问题利用一维黄金分割算法进行求解，得到n
*
。
[0076]
步骤42：对步骤2中得到的n
*
代入步骤3中的优化问题利用二维黄金分割算法进行求解，得到
[0077]
步骤43：循环迭代，直至算法收敛或达到最大迭代次数，得到最佳的状态更新包长度和最大允许重传次数。
[0078]
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网络接收机和中继，次发射机和中继根据服务器设计的方法进行信息传输。
[0079]
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。
[0080]
仿真参数设置如下：考虑在认知中继物联网中，带宽b＝180khz，每个状态包的信息量d＝200nats，状态包生成速率λ＝300packet/s，状态数据包长n＝300channel uses，数据包长度范围的下限和上限分别是n
min
＝100channel uses和n
max
＝1000channel uses。此外，次发射机和中继的发射功率为p
t
＝0.01w，参考距离处的信道功率增益χ0＝-50.1473db，每个节点间的距离d＝220m，路径损耗因子为α＝3.3和噪声功率谱密度为-174dbm/hz。
[0081]
图3和图4为平均峰值信息年龄分别随状态更新数据包长度和最大允许重传次数的变化关系图。其中仿真点和理论曲线拟合，这说明了理论分析的正确性。我们可以看到，在图3中，随着数据包长度的增大，系统的平均峰值信息年龄先减小后增大，这说明了存在一个最佳的数据包长度使系统的信息年龄最小化。在图4中，当最大允许重传次数较少时，由解码错误引起的包等待时间变长，平均峰值信息年龄变大。但随着重传次数的增加，平均峰值信息年龄降低并达到最佳性能，随着最大重传次数增加，性能再次下降。
[0082]
图5为所提方法与穷举搜索算法的性能比较。从图中可见，所提方法可以达到与穷举搜索算法几乎相同的性能。穷举搜索算法通过遍历所有的有效状态，计算得到平均峰值信息年龄的值，最终获取最佳的状态更新数据包长度和最大允许重传次数。穷举搜索方法
是一种可以取得最优解的方法，但是其复杂度很高。所提方法通过将原问题解耦为两个子问题和利用黄金分割求解每个子问题的方式，极大降低了算法的复杂度。从图中可见，通过增加发送功率可以有效地降低系统平均峰值信息年龄，有效提高系统的状态更新性能。但由于主网络通信服务性能限制，功率会被限制在一定的范围，最终系统的状态更新性能的存在一个性能平层。
[0083]
上述实施例的描述较为具体和详细，但仅仅表达了本发明的一种可行的实施方式，并非对本发明专利范围的限制。需要指出的是，本领域的科研人员和工程人员，在本发明的框架下，可以在本实施例的基础上加入若干变形或改进，但这些都在本发明专利的保护范围之内，本发明专利的保护范围以所附权利要求为准。