CN114615684A - 闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质 - Google Patents

闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN114615684A CN202210182221.XA CN202210182221A CN114615684A CN 114615684 A CN114615684 A CN 114615684A CN 202210182221 A CN202210182221 A CN 202210182221A CN 114615684 A CN114615684 A CN 114615684A
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Abstract

本发明公开了一种闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质，方法包括根据闭环系统传输过程，获取上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的峰值信息年龄，得到最小化峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。本发明通过综合考虑上下行可以获得比其他方法更优的闭环信息年龄性能。

Description

闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质。
背景技术
在无线网络控制系统(Wireless Networked Control System，WNCS)中的远程监控、实时控制等时间敏感应用中，及时传输具有重要的作用。在这些应用中，带有陈旧信息的过时数据包可能会导致错误操作。为了度量信息的新鲜度，信息年龄(Age ofinformation,AoI)被提出，其被定义为上一个成功传输的数据包的生成时刻到当前时刻的时间间隔。然而，在集传感、通信和控制于一体的WNCS中，如何评价和提高网络的信息新鲜度尚未得到解决。现有工作要么分别分析上行中的AoI或下行AoI，要么假设WNCS系统中有一个完美链路，尚未考虑闭环系统的信息年龄，忽略了上行通信对下行链路的影响。尤其是在短帧传输系统中，时延、可靠性和信息年龄存在复杂的权衡关系，因此如何分析短帧域中闭环系统的信息年龄并对其进行优化，是一个尚未解决但有意义的问题。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质，用于通过综合考虑上下行可以获得比其他方法更优的闭环信息年龄性能。
本发明的第一方面，提供了一种闭环系统的信息年龄优化方法，方法包括如下步骤：
根据闭环系统传输过程，获取上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；
根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；
在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的平均峰值信息年龄，得到最小化平均峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。
本发明的进一步技术方案是：所述数据包平均服务时间
Figure BDA0003521616130000011
具体表达式为:
Figure BDA0003521616130000012
其中，
Figure BDA0003521616130000021
分别表示上行、下行的平均错误率，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Ts表示上下行传输单位数据包长的时间，r为传输次数。
本发明的进一步技术方案是：所述平均峰值信息年龄
Figure BDA0003521616130000022
具体表达式为：
Figure BDA0003521616130000023
其中，T表示采样周期，
Figure BDA0003521616130000024
分别表示上行、下行的平均错误率，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Ts表示符号持续时间，r为传输次数。
本发明的进一步技术方案是：所述峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式，具体为：
Figure BDA0003521616130000025
其中，AL表示峰值信息年龄，h表示峰值信息年龄的阈值，
Figure BDA0003521616130000026
Figure BDA0003521616130000027
ru表示上行传输的次数，rd表示下行传输的次数，
Figure BDA0003521616130000028
分别表示上行、下行的平均错误率，r为传输次数。
本发明的进一步技术方案是：在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的平均峰值信息年龄，得到最小化平均峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数，具体方法包括：
以最小化闭环系统的峰值信息年龄为目标建立优化问题P1，P1具体表达式为：
P1:
Figure BDA0003521616130000029
s.t.C1:
Figure BDA00035216161300000210
Figure BDA00035216161300000211
C2:1≤r≤rmax,
C3:V[AL]≤Vmax,
C4:Pr[AL＞h]≤Prmax,
其中，
Figure BDA00035216161300000212
表示平均峰值信息年龄，lu和ld分别表示上行、下行的数据，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Θ为调制阶数，mmax为允许的最大包长，r为传输次数，rmax为允许的最大传输次数，AL表示信息年龄，Vmax为允许的峰值年龄方差，Prmax为允许的峰值年龄违背概率；
平均峰值信息年龄
Figure BDA0003521616130000031
是基于传输次数r的单调递减函数，得到最优的最大传输次数为rmax，最优的数据包长m＝(mu,md)通过牛顿迭代法得到。
本发明的第二方面，提供了一种闭环系统的信息年龄优化装置，装置包括：
数据包平均服务时间获取模块，用于根据闭环系统传输过程，分析上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；
峰值信息年龄获取模块，用于根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；
最优值获取模块，用于在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的峰值信息年龄，得到最小化峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。
本发明的第三方面，提供了一种闭环系统的信息年龄优化装置，包括：处理器；以及存储器，其中，所述存储器中存储有计算机可执行程序，当由所述处理器执行所述计算机可执行程序时，执行上述闭环系统的信息年龄优化方法。
本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有指令，所述指令在被处理器执行时，使得所述处理器执行上述闭环系统的信息年龄优化方法。
本发明针对闭环控制系统时效性尚未被精准表征和优化的问题，提出一种闭环系统的信息年龄优化方法。首先，考虑无线闭环系统传输过程，分析传上行和下行链路的时延和丢包，然后根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的峰值信息年龄(PAoL)，方差以及违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式和性质；最后，推导最小化PAoL的最优包长和最优传输次数，实现高时效传输。本发明通过综合考虑上下行可以获得比其他方法更优的闭环信息年龄性能。
附图说明
图1是本发明实施例中闭环系统结构示意图；
图2是本发明实施例中闭环系统的信息年龄优化方法流程示意图；
图3是本发明实施例中闭环系统的信息年龄优化装置结构示意图；
图4是本发明实施例中的计算机设备的架构；
图5是本发明实施例中数据包长对平均PAoL的影响效果图；
图6是本发明实施例中不同信噪比下的性能对比效果图。
具体实施方式
为进一步对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的步骤。
信息年龄被严格定义为上一个成功传输的数据包的生成时刻到当前时刻的时间间隔。基于此，形式更为简洁的峰值信息年龄(PeakAoI,PAoI)被提出，可以表征AoI的最差情况。PAoI和AoI正相关，但是更易处理。在时间间隔[0,τ]内，平均峰值信息年龄可以表示为：
Figure BDA0003521616130000041
其中，Ai表示第i个更新的PAoI，Nτ表示在时间间隔[0,τ]内成功传输的信息包的数量，Si表示第i-1个数据包的服务时间，Yi表示第二个连续成功传输数据包的间隔时间，
Figure BDA0003521616130000042
表示求期望。
根据衰落信道模型，可以推导出短包域下的平均错误率(Block errorprobability,BLEP)为：
Figure BDA0003521616130000043
其中，
Figure BDA0003521616130000044
δ＝eL/m-1，C(γ)＝log2(1+γ)表示信道容量，V(γ)＝(1-1/(1+λ)2)(log2e)2表示信道色散，λ表示数据包的更新速率，m为短包长，L表示传输的信息比特数，γ为信噪比(Signal-to-noise ratio,SNR)，l为传输的信息比特数，
Figure BDA0003521616130000045
表示平均信噪比，
基于本发明的实施例1
实施例1提供了闭环系统的信息年龄优化方法，闭环系统如图1所示，其中T表示采样周期，mu和md分别表示上行、下行的数据包长，lu和ld分别表示上行、下行的数据，同时考虑有限重传策略，传输次数为r，具体的实现步骤如图2所示：
根据闭环系统传输过程，获取上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；
具体实施过程中，令上行和下行传输一次数据包的时延分别为muTs和mdTs；在最大允许传输次数为r和数据包成功传输的假设下，平均服务时间
Figure BDA0003521616130000046
为：
Figure BDA0003521616130000047
其中，
Figure BDA0003521616130000051
分别表示上行、下行的平均错误率，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Ts表示符号持续时间；
基于有限级数的展开公式，数据包平均服务时间
Figure BDA0003521616130000052
可以表示为公式一：
公式一：
Figure BDA0003521616130000053
根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；
具体实施过程中，基于只有当上行和下行数据包同时被正确接收，闭环系统信息年龄才会下降的事实，数据包平均到达间隔为公式二：
公式二：
Figure BDA0003521616130000054
具体的过程分为两个部分：
步骤一，只考虑上行传输，数据包的平均到达间隔为
Figure BDA0003521616130000055
基于级数
Figure BDA0003521616130000056
和
Figure BDA0003521616130000057
平均到达间隔为
Figure BDA0003521616130000058
步骤二，将下行考虑在内，闭环系统的数据包平均到达间隔为
Figure BDA0003521616130000059
基于级数
Figure BDA00035216161300000510
和
Figure BDA00035216161300000514
可以得到公式二。
进一步的，基于公式一和公式二，闭环系统的平均峰值信息年龄可以表示为公式三：
公式三：
Figure BDA00035216161300000511
其中，T表示采样周期，
Figure BDA00035216161300000512
分别表示上行、下行的平均错误率，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Ts表示上下行传输单位数据包长的时间，r为传输次数。
基于公式三，闭环系统的信息年龄方差可以表示为公式四：
公式四：
Figure BDA00035216161300000513
具体的过程分为两个部分：
步骤一，闭环信息年龄由接收间隔和服务时间组成，基于二者的独立性，闭环信息年龄方差可以由V[AL]＝V[Y]+V[Su]+V[Sd]计算得到。
步骤二，接受间隔的方差可以由
Figure BDA0003521616130000061
计算得到，其中
Figure BDA0003521616130000062
且
Figure BDA0003521616130000063
步骤三，服务时间的方差可以通过
Figure BDA0003521616130000064
计算得到，其中
Figure BDA0003521616130000065
且
Figure BDA0003521616130000066
类似可以得到
Figure BDA0003521616130000067
进一步的，基于公式三和信息年龄的分布，闭环系统的峰值年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式可以表示为公式五：
公式五：
Figure BDA0003521616130000068
其中，AL表示峰值信息年龄，h表示峰值信息年龄的阈值，优选范围为(T，5T)，
Figure BDA0003521616130000069
ru表示上行传输的次数，rd表示下行传输的次数，
Figure BDA00035216161300000610
分别表示上行、下行的平均错误率，r为传输次数。
在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的峰值信息年龄，得到最小化峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。
具体实施过程中：基于公式三，构造以最小化闭环系统的峰值信息年龄为目标建立优化问题P1，通过优化上下行数据包长和允许的重传次数，在峰值信息年龄方差和违背概率的限制下最小化闭环系统的PAoL。
P1:
Figure BDA0003521616130000071
s.t.C1:
Figure BDA0003521616130000072
Figure BDA0003521616130000073
C2:1≤r≤rmax,
C3:V[AL]≤Vmax,
C4:Pr[AL＞h]≤Prmax,
其中，
Figure BDA0003521616130000074
表示平均峰值信息年龄，lu和ld分别表示上行、下行的数据，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Θ为调制阶数，mmax为允许的最大包长，r为传输次数，rmax为允许的最大传输次数，AL表示信息年龄，Vmax为允许的峰值年龄方差，Prmax为允许的峰值年龄违背概率；
由上述公式一至公式五以及P1可知，PAoL是关于传输次数r的单调递减函数，关于数据包长的凸函数。因此，最优的最大传输次数为rmax，最优的数据包长m＝(mu,md)通过牛顿迭代法得到。。
基于本发明的实施例2
以下，参照图3来描述根据本公开实施例1的方法对应的装置，一种闭环系统的信息年龄优化装置，装置100包括：数据包平均服务时间获取模块101，用于根据闭环系统传输过程，分析上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；峰值信息年龄获取模块102，用于根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；最优值获取模块103，用于在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的峰值信息年龄，得到最小化峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。除了上述3个模块以外，装置100还可以包括其他部件，然而，由于这些部件与本公开实施例的内容无关，因此在这里省略其图示和描述。
一种闭环系统的信息年龄优化装置100的具体工作过程参照上述一种闭环系统的信息年龄优化方法实施例1的描述，不再赘述。
基于本发明的实施例3
根据本发明实施例的装置也可以借助于图4所示的计算设备的架构来实现。图3示出了该计算设备的架构。如图4所示，计算机系统201、系统总线203、一个或多个CPU 204、输入/输出202、存储器205等。存储器205可以存储计算机处理和/或通信使用的各种数据或文件以及CPU所执行包括实施例1方法的程序指令。图4所示的架构只是示例性的，在实现不同的设备时，根据实际需要调整图4中的一个或多个组件。
基于本发明的实施例4
本发明实施例也可以被实现为计算机可读存储介质。根据实施例4的计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令。当所述计算机可读指令由处理器运行时，可以执行参照以上附图描述的根据本发明实施例1的闭环系统的信息年龄优化方法。
本发明实施例针对以上所述闭环系统的信息年龄优化方法、装置及存储介质，为了验证本发明方法的性能，在以上4种实施例中进行了仿真实验验证。
实验一假设最大允许传输次数为rmax＝2。提出的优化算法初始值设为(60,40)，且牛顿法的允许误差设置为ζ＝10-8。传感器和控制器传输的信息位数分别为lu＝240和ld＝160，调制为Θ＝4。同时，最大允许块长度设置为mu,max＝400和md,max＝300。图5展示了平均信噪比为6dB的条件下，上行和下行数据包长对对平均信噪比的联合影响。可以观察到存在一个使平均PAoL最小的最优块长度对。与穷举搜索相比，所提出的包长优化算法能准确地找到最优块长度。
实验二如图6所示，将所提出的包长优化策略与现有方法的平均PAoL性能进行了比较。结果表明，在低信噪比的情况下，所提方法的平均PAoL值最低，优于无重传的策略。此外，所提出的方法优于单独优化上行和下行的方法，平均PAoL的性能最多提升了34％，证明了引入平均PAoL的优化。
通过上述实施例1-4，以及上述实验一、二可得到本发明通过综合考虑上下行可以获得比其他方法更优的闭环信息年龄性能。本发明针对闭环控制系统时效性尚未被精准表征和优化的问题，提出一种闭环系统的信息年龄优化方法。首先，考虑无线闭环系统传输过程，分析传上行和下行链路的时延和丢包，然后根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的峰值信息年龄(PAoL)，方差以及违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式和性质；最后，推导最小化PAoL的最优包长和最优传输次数，实现高时效传输。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法所固有的要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种闭环系统的信息年龄优化方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
根据闭环系统传输过程，获取上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；
根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；
在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的平均峰值信息年龄，得到最小化平均峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。
2.根据权利要求1所述的闭环系统的信息年龄优化方法，其特征在于，所述数据包平均服务时间
Figure FDA00035216161200000110
具体表达式为:
Figure FDA0003521616120000011
其中，
Figure FDA0003521616120000012
分别表示上行、下行的平均错误率，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Ts表示符号持续时间，r为传输次数。
3.根据权利要求1所述的闭环系统的信息年龄优化方法，其特征在于，所述平均峰值信息年龄
Figure FDA0003521616120000013
具体表达式为：
Figure FDA0003521616120000014
其中，T表示采样周期，
Figure FDA0003521616120000015
分别表示上行、下行的平均错误率，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Ts表示符号持续时间，r为传输次数。
4.根据权利要求1所述的闭环系统的信息年龄优化方法，其特征在于，所述峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式，具体为：
Figure FDA0003521616120000016
其中，AL表示峰值信息年龄，h表示峰值信息年龄的阈值，
Figure FDA0003521616120000017
Figure FDA0003521616120000018
ru表示上行传输的次数，rd表示下行传输的次数，
Figure FDA0003521616120000019
分别表示上行、下行的平均错误率，r为传输次数。
5.根据权利要求1所述的闭环系统的信息年龄优化方法，其特征在于，在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的平均峰值信息年龄，得到最小化平均峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数，具体方法包括：
以最小化闭环系统的平均峰值信息年龄为目标建立优化问题P1，P1具体表达式为：
P1:
Figure FDA0003521616120000021
Figure FDA0003521616120000022
Figure FDA0003521616120000023
Figure FDA0003521616120000024
C3:V[AL]≤Vmax,
C4:Pr[AL＞h]≤Prmax,
其中，
Figure FDA0003521616120000025
表示平均峰值信息年龄，lu和ld分别表示上行、下行的数据，mu、md分别表示上行、下行的数据包长，Θ为调制阶数，mmax为允许的最大包长，r为传输次数，rmax为允许的最大传输次数，AL表示信息年龄，Vmax为允许的峰值年龄方差，Prmax为允许的峰值年龄违背概率；
平均峰值信息年龄
Figure FDA0003521616120000026
最优的最大传输次数为rmax，最优的数据包长m＝(mu,md)通过牛顿迭代法得到。
6.一种闭环系统的信息年龄优化装置，其特征在于，装置包括：
数据包平均服务时间获取模块，用于根据闭环系统传输过程，分析上行链路和下行链路的数据包平均服务时间；
峰值信息年龄获取模块，用于根据排队论和短包传输理论推导闭环系统的平均峰值信息年龄、峰值信息年龄方差以及峰值信息年龄违背概率关于传感信息包长和控制信息包长的表达式；
最优值获取模块，用于在峰值信息年龄方差和峰值信息年龄违背概率的限制下最小化闭环系统的平均峰值信息年龄，得到最小化平均峰值信息年龄的最优包长和最优传输次数。
7.一种闭环系统的信息年龄优化装置，其特征在于，包括：处理器；以及存储器，其中，所述存储器中存储有计算机可执行程序，当由所述处理器执行所述计算机可执行程序时，执行权利要求1-5中任一项所述的闭环系统的信息年龄优化方法。
8.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的闭环系统的信息年龄优化方法。
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