[发明专利]一种面向实时控制的D2D传输调度方法

权利要求书

1.一种面向实时控制的D2D传输调度方法，通信系统模型包括M个传感器和1个受控设备，其中M个传感器作为发射装置均匀分布在半径为R的圆形区域内，受控设备作为接收装置位于该区域的中心，每个传感器都以一定的概率被激活，受控设备只处理来自传感器的最强的信号而忽略其它信号；其特征在于，所述传输调度方法包括：

S1、设定目标为在控制和通信约束下最小化能源消耗，能源消耗为：

其中，E[·]为期望算子，p_m,n为第m个传感器在n时刻的能量消耗；

S2、令控制状态降低率作为保持控制性能的控制要求，采用李亚普诺夫代价函数评价控制状态降低率对控制性能的影响：

其中，Q是正定的，为保证控制稳定，为n时刻受控设备的广义状态，x_n为n时刻设备的状态，u_n-1为n-1时刻控制的输入，对任意的ξ_n，李雅普诺夫函数需要满足以下控制约束：

E[Δ(ξ_n+1)|ξ_n]≤ρΔ(ξ_n)+Tr(QR')

其中，ρ＜1，Tr(·)计算矩阵的迹，R'＝(R 0)，R是噪声的方差；

S3、通信可靠性约束为传感器根据其可靠性概率，在阈值的约束下，每个传感器自主决定是否参与控制过程；所述可靠性概率的计算方法为：

在半径为R的圆形区域中，设定内径为a，外径为b的圆环，内界到外界的长度为2r，则圆环内传感器数量为：

传感器的发射功率表示为p(a)，激活概率为P_a(a)，圆环内传感器的信噪比的累计分布函数为：

其中，γ为信噪比，l为传感器到受控设备的距离，Pr{·}表示概率，h为小尺度衰落系数，g为大尺度衰减系数，p(l)表示距离为l的传感器的发射功率，N₀表示噪声的功率，C是一个常数；

设定信噪比阈值为γ_th，则圆环内丢包概率Fr_Γ为：

对于激活概率为P_a(a)的M_a个传感器，丢包概率F_Γ为：

定义传输错误概率ε_m是常数，用ε₀表示，则整体丢包概率的累计分布函数为：

其中，圆环内外界长度r→0，即l→a时，f_a(a)＝2a/R²，则受控设备的整体可靠性概率为：

P_r{a_n＝1}＝1-ε₀-F_Γ(γ_th)

S4、根据步骤S2和S3的约束条件建立目标函数为：

P₀:

s.t.E[Δ(ξ_n+1|ξ_n)]≤ρΔ(ξ_n)+T_r(QR'),

P_r{a_n＝1}≥1-ε_th,

0≤P_a(a)≤1,

0≤p(a)≤p_max,

其中，能量消耗f_a(a)为距离为a的传感器的概率分布函数，ε_th表示M个传感器传输失败概率阈值，p_max表示传感器发送功率的最大值；

S5、考虑通信和控制之间的关系，将控制约束转化为通信可靠性约束，具体如下：

考虑系统丢包，有Pr{α_n＝1}＝1-ε和Pr{α_n＝0}＝ε，ε表示M个传感器传输失败的概率，假设状态估计完美，那么闭环控制系统方程为

其中，n表示均值为0，方差为R的高斯白噪声干扰，下标n表示n时刻，A和B为系统的参数矩阵；

由李雅普诺夫函数得到

由S2的控制约束得到

考虑S3中的受控设备的整体可靠性概率为

P_r{a_n＝1}＝1-ε₀-F_Γ(γ_th)

则转化为通信约束

F_Γ(γ_th)≤1-ε₀-c^*

上式表示丢包率小于某一阈值，其中，为c^*为c的最优解；

S6、根据步骤S5的约束条件简化S4步骤的目标函数为

P₁:

s.t.F_Γ(γ_th)≤1-ε₀-c^*

0≤P_a(a)≤1,

0≤p_a(a)≤p_max,

通过求解目标函数，得到最优的和p^*(a)，即得到基于概率的激活方法。