[发明专利]一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法

说明书

本发明涉及一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法，包括：初始化阶段，各节点获得网络的基本状态信息并得到节点间的配置参数；根据网络配置信息，利用无线体域网体内外信道的统计特性，推导出节点间的路由安全中断概率以及连接成功概率表达式；根据安全中断概率和连接成功概率，建立离散马尔科夫链优化模型；利用拉格朗日乘子法将有约束的优化问题转化为无约束的优化问题；针对无约束的优化问题，根据贝尔曼优化理论，采用改进的实时动态规划算法获得低时延的传输调度方法。本发明将无线体域网时延最小的路由选择问题建模为寻找动态系统最小时延成本的自动控制问题，并提出基于拉格朗日乘子法的解决方案。

技术领域

本发明属于无线体域网的安全通信领域，基于信息论的物理层安全技术，具体涉及了一种基于马尔科夫链改进实时动态规划的无线体域网低时延传输调度方法。

背景技术

无线体域网(WBAN)已被应用于如消费电子，医疗保健和运动训练等场景。在医疗保健领域，WBAN通过安装在体内或体表的传感器节点生成监视数据通过无线链接传输到中心节点，中心节点可以将紧急的异常数据及时发送给医护人员，使得突发情况能够得到及时的处理，挽救病人的生命。因此，消息的传输时延是无线体域网算法设计必须考虑的问题。此外，无线信道的开放性使得一些人体保密数据更容易被窃听。基于此，无线体域网的安全性能也获得了日益广泛的关注。

发明内容

针对上述无线体域网的中时延和安全性能这两个方面的问题。本发明公开了一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法。该方法针对解码转发多跳无线体域网，提出了一种基于拉格朗日乘子法的解决方案，将具有安全中断概率约束的无线体域网时延最小的路由选择问题建模为寻找动态系统最小时延成本的自动控制问题求解。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于马尔科夫链的无线体域网低时延传输调度方法，包括以下步骤：

S1、初始化阶段，各节点获得网络的基本状态信息并得到节点间的配置参数；

S2、根据网络配置信息，利用无线体域网体内外信道的统计特性，推导出节点间的路由安全中断概率的表达式以及连接成功概率的表达式；

S3、根据路由安全中断概率和连接成功概率，建立离散马尔科夫链优化模型；

S4、利用拉格朗日乘子法，将有约束的优化问题转化为无约束的优化问题；

S5、针对无约束的优化问题，根据贝尔曼优化理论，采用改进的实时动态规划算法获得低时延的传输调度方法。

作为优选方案，所述步骤S1中的初始化阶段，节点获取位置信息的方法如下：

节点之间的参数包括邻居节点的信息，通过HELLO包交互获取邻居节点的位置信息，节点通过邻居节点的位置信息可以计算得到与邻居节点之间的距离，以及交换彼此的操作权限信息。

作为优选方案，所述步骤S2中，推导出发送节点n的安全中断概率q(n)的表达式如下：

其中，P[·]为概率算子；C(·)表示链路的瞬时频谱效率，其单位是bit/s/Hz；n和z分别代表发送节点和体外窃听者；ζ表示发送速率；d为发送节点与体外窃听者之间的距离；α为路径损耗因子；ρ表示单位距离的发送信噪比；g_O定义为窃听信道的信道增益，其服从均值为1的指数分布。

作为优选方案，所述步骤S2中，推导出从发送节点n到接收节点m的连接成功概率p(n,m)的表达式如下：