[发明专利]一种时限及能量约束下的分布式无线传输方法

权利要求书

1.一种时限及能量约束下的分布式无线传输方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、确定分布式马尔可夫决策过程的相关参数，所述相关参数包括：描述时隙t的开始时刻，网络中各节点的队首数据分组等待时间和能量水平构成的状态序列描述时隙t的开始时刻，网络处在状态时，各节点进行无线传输的概率的行为描述在时隙t的开始时刻，当网络处于状态时，网络采取行为在时隙t+1的开始时刻，网络处于状态的转移概率p_t(s_t+1|s_t,a_t)、在给定网络初始状态的概率分布η₁(s₁)及时隙t+1之前的分布式联合策略σ₁,σ₂,...,σ_t时，系统状态的概率分布η_t+1(s_t+1)以及描述在时隙t的开始时刻，当网络处于状态时，网络中成功传输的数据分组数量的期望R_t(s_t,a_t)；

步骤2、确定时限及能量约束下的时隙1至时隙T之间网络吞吐率指标；

步骤3、利用马尔可夫策略搜索方法，确定网络中时隙t至时隙T之间成功传输的数据包数量的期望v_t(η_t)。

步骤4、确定时限及能量约束下分布式传输的ε-最优吞吐率。

2.根据权利要求1所述的一种时限及能量约束下的分布式无线传输方法，其特征在于，步骤1中的分布式马尔可夫决策过程的相关参数的确定方法具体为：

步骤1-1、确定分布式马尔可夫决策过程的决策时间，本发明假设时间轴被划分为长度相等的时隙t∈{1,2,...,T}，并且网络中的设备能够准确地定位到时隙边界，其中T为时隙总数，决策时间位于时隙t的开始时刻。

步骤1-2、确定状态其中，表示时隙t开始时刻节点i队首数据分组的等待时间，表示时隙t开始时刻节点i的能量水平，和构成的一维向量即为时隙t开始时刻节点i的本地状态。

步骤1-3、确定行为其中表示时隙t开始时刻节点i以为其进行无线传输的概率，若则表示节点i在时隙t开始时刻不传输数据分组。为便利数据处理，本发明将无线传输概率离散化，考虑它是[0,1]之间的均匀分布，取值间隔记为Δa

步骤1-4、确定转移概率p_t(s_t+1|s_t,a_t)，转移概率p_t(s_t+1|s_t,a_t)计算公式为：

其中，为时限约束下系统的状态转移概率；为能量约束下系统的状态转移概率；为接入概率置0后，时限约束下系统的状态转移概率；为接入概率置0后，能量约束下系统的状态转移概率。

仅考虑时限约束时，本发明假设数据分组的传输时限X固定为最大传输时限D，假设数据分组按均值为λⁱ＝λ,0＜λⁱ＜1的伯努利过程在时隙t的中间时刻到达节点i∈{1,2,...,N}的数据队列。使用q_n＝P(X＝n),1≤n≤D表示X取值为n的概率，定义：(1)表示传输时限大于等于n的概率；(2)h_n＝q_n/r_n，表示传输时限大于等于n条件下，传输时限等于n的条件概率；(3)λ_n＝λr_n，表示传输时限大于等于n的数据分组到达数据队列的概率。

本发明对作如下讨论：

(1)时，此时节点i的数据队列为空。如果下一时隙没有数据分组到来，则保持为0，即反之，如果下一时隙有数据分组到来，则将变为1，表示新到来的数据分组在队首的等待时间为1，即

(2)时，此时节点i的数据队列不为空。如果节点i不接入信道，即队首数据分组不传输，且队首数据分组的传输时限大于该数据分组不会被丢弃，则因此如果队首数据分组由于传输或等待时间超过传输时限被丢弃，第l+1时隙有一个传输时限大于等于的数据分组到来,且所有在第l+1时隙前到达的数据分组都已经因为等待时间超过传输时限而被丢弃，则因此，此外：①当时，②λ₀＝1；③h₀＝1。

(3)时，队首数据分组将被丢弃，同样的：①当时，②λ₀＝1；

仅考虑能量约束模型时，本发明假设各节点的最大电量均为E_max，假设节点i如果进行能量收集，可以在时隙t的中间时刻按概率从自然界收集获得1个能量单元，各节点能量单元到达过程相互独立；如果进行数据传输，则消耗mⁱ个能量单元。

本发明对作如下讨论：

(1)当时，此时节点i的能量水平不足以接入信道。如果下一时隙没有能量到来，即保持为0，则反之，如果下一时隙有能量到来，则

(2)当时，此时节点i的能量水平足够进行信道接入。

(3)当时，

综合考虑时限及能量约束的状态转移推导，本发明将对以下四种情况展开讨论：

(1)当eⁱ＜mⁱ且dⁱ＝0时，此时节点i电源电量不够进行数据分组传输，且节点i数据队列中没有数据分组，因此接入概率为0。在计算单个节点的状态转移概率时，本发明考虑将分别代入时限和能量约束模型的状态转移概率表达式中。

(2)当eⁱ＜mⁱ且dⁱ≥1时，此时尽管且节点i的数据队列中有数据分组需要进行传输，但节点i的电源存储的能量不够，因此数据分组不会进行传输；在计算单个节点的状态转移概率时，本发明考虑将代入时限约束的状态转移概率表达式中。

(3)当eⁱ≥mⁱ但dⁱ＝0时，此时节点i的数据队列中没有数据分组需要进行传输，因此电量不会减少；在计算单个节点的状态转移概率时，考虑将代入能量约束模型的状态转移概率表达式中。

(4)当eⁱ≥mⁱ且dⁱ≥1时，此时节点i的能量足够进行一次传输，且节点i的数据队列中有数据分组正在等待传输，因此时限和能量约束的状态转移矩阵不需要进行特殊处理。

综上，得到转移概率p_t(s_t+1|s_t,a_t)。

步骤1-5、确定在给定网络初始状态s₁的概率分布η₁(s₁)及时隙t+1之前的分布式联合策略σ₁,σ₂,...,σ_t时，系统状态s_t+1的概率分布η_t+1(s_t+1)：

步骤1-6、确定在时隙t的开始时刻，当网络处于状态时，网络中成功传输的数据分组数量的期望R_t(s_t,a_t)：

本发明将每成功传输一个数据分组的奖励设为1。对R_t(s_t,a_t)进行如下讨论：

(1)当所有节点的数据队列都为空时，没有数据分组可以进行传输，R_t(s_t,a_t)为0；

(2)当有且只有节点i的数据队列中有数据时：若eⁱ≥mⁱ，R_t(s_t,a_t)为若eⁱ＜mⁱ，此时节点能量水平不够用于数据分组的传输，R_t(s_t,a_t)为0；

(3)当有U,2≤U≤N个节点满足：①数据队列中有数据分组；②节点现有能量大于等于传输数据分组所消耗的能量时，