CN108156096A - 一种基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能家居通信的技术领域，更具体地，涉及一种智能家居通信中基于资源分配的传输总容量最大化接入控制***，包括联合控制模块、功率分配模块、宽带分配模块以及设备接入控制模块，联合控制模块计算接入设备最优的功率及宽带的分配方式，功率分配模块对接入设备进行功率分配，宽带分配模块将信道分为多个子信道，设备接入控制模块控制设备的接入。本发明通过功率分配模块和宽带分配模块研究功率和带宽都受限的智能家居网络中的带宽和功率最优分配机制，根据最优分配机制对接入设备的服务功率和信道带宽进行控制，进一步设计出智能家居网络对各设备的接入控制机制，提高智能家居网络的传输总容量，提高网络的能效，降低设备接入控制机制的复杂度。

Description

一种基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法及***
技术领域
本发明涉及智能家居通信的技术领域，更具体地，涉及一种智能家居通信中基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法及***。
背景技术
随着计算机技术、网络技术、控制技术及人工智能等的飞跃发展，智能化社会已成为新世纪的发展趋势。智能家居也随之迅猛发展起来，与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，同时能够提供信息交互功能，使得人们能够在外部查看家居信息和控制家居的相关设备，便于人们有效安排时间，使得家居生活更加安全舒适。智能家居目的主要针对的是住宅，并且应用了很多目前已有的各种技术，比如各种不同功能的传感器、相关的电子设备、控制技术、安防技术等，并使用通信技术把家里有关电子设备尽可能的连接一块，以构件以舒适性为追求的目的，另外他还能够更加高效的统一管理家庭事务，所以它的引入导致舒适性、便利性、安全性、高效性大大提高。
智能家居***包含互联网、智能家电、控制器、家居网络及网关。其中智能家居网络与网关是智能家电设备、互联网及用户之间能够进行信息交互的关键环节。在智能家居网络中，要将家居设备接入家居网络进行通信，这将使家居网络消耗大量能量，而服务于家居网络的总功率是受限的，并且每个家居网络的带宽都是有限的，不能够实现在保证各家居设备通信需求的同时，最大化家居网络的容量，对家居设备进行高效的接入控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在保证各家居设备通信需求的同时，最大化家居网络的容量，能够高效控制家居设备的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法及***。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于资源分配的传输总容量最大化接入控制优化方法，包括以下步骤：
S1.计算最大化网络的总容量对应的服务功率的具体分配方式及宽带的具体分配方式；
S2.按照步骤S1中的服务功率的具体分配方式，在有限的总服务功率条件下，对智能家居通信网中接入的设备进行服务功率分配；按照步骤S1中的宽带的具体分配方式，在有限的宽带资源下，将信道分为多个子信道，并将子信道分配给接入智能家居通信网的设备；
S3.按照步骤S2中分配的服务功率和子信道，并按照接入设备的QoS条件控制智能家居网络中控制设备的接入。
本发明的基于资源分配的传输总容量最大化接入控制***的控制方法，最大化智能家居网络的容量，提高了智能家居网络的带宽分配效率和能量效率，降低了网络中设备接入控制的复杂度，可让接入智能家居通信网络的家居设备数量达到最多。
优选地，步骤S1中所述的网络的总容量为接入设备信道容量的总和最大化网络的总容量表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，Ci为接入设备的信道容量。
优选地，所述接入设备信道容量Ci按香农公式计算：
其中，ri为接入设备的信噪比，gi表示信道增益wiN0表示加性高斯白噪声在信道wi上的噪声功率，PN为其它网络中的用户设备对家居网络中接入设备的干扰。
优选地，所述有限的总服务功率受限表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，表示用于家居通信网的总功率，表示被第i个家居网络Si服务的接入设备组；所述有限的宽带资源受限表示为其中，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，w表示网络的总带宽。
优选地，所述网络的总容量通过凸问题的KKT条件和拉格朗日乘数法计算得到。
优选地，所述设备接入控制模块采用贪婪搜索算法的次优化算法来进行对家居设备的准入控制。
本发明还提供了一种基于资源分配的传输总容量接入控制***，包括功率分配模块、宽带分配模块、联合控制模块以及设备接入控制模块：
联合控制模块：用于计算出为了实现智能家居通信网传输容量最大，对接入设备的服务功率和带宽的具体分配方式；
功率分配模块：用于在有限的总服务功率条件下，对智能家居通信网中的接入设备进行服务功率分配，与所述联合控制模块通讯连接；
宽带分配模块：用于在有限的带宽资源下，将信道分为多个子信道，并将子信道分配给接入智能家居通信网的设备，与所述联合控制模块通讯连接；
设备接入控制模块：用于在保证智能家居网络中的接入设备满足QoS的条件下，控制设备的接入，让网络的接入设备数量最大；与所述功率分配模块、所述宽带分配模块通讯连接。
本发明的基于资源分配的传输总容量最大化接入控制***，通过功率分配模块和宽带分配模块研究功率和带宽都受限的智能家居网络中的带宽和功率最优分配机制，根据最优分配机制对接入设备的服务功率和信道带宽进行控制，进一步设计出智能家居网络对各设备的接入控制机制，提高智能家居网络的传输总容量，提高网络的能效，降低设备接入控制机制的复杂度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的基于资源分配的传输总容量接入控制***，包括联合控制模块、联合控制模块以及宽带分配模块联合功率分配和宽带分配实现最大化家居网络的传输容量，设备接入控制模块基于功率和宽带的具体分配方式，在保证智能家居网络中的接入设备的QoS的条件下，控制设备的接入，实现网络接入设备数量的最大化。
(2)本发明的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，最大化智能家居网络的容量，提高了智能家居网络的带宽分配效率和能量效率，降低了网络中设备接入控制的复杂度，可让接入智能家居通信网络的家居设备数量达到最多。
附图说明
图1为本发明的基于资源分配的传输总容量接入控制***的结构示意图。
图2为本发明的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1所示为本发明的基于资源分配的传输总容量最大化接入控制***的控制方法的实施例，包括以下步骤：
S1.计算最大化网络的总容量对应的服务功率的具体分配方式及宽带的具体分配方式；
S2.按照步骤S1中的服务功率的具体分配方式，在有限的总服务功率条件下，对智能家居通信网中接入的设备进行服务功率分配；按照步骤S1中的宽带的具体分配方式，在有限的宽带资源下，将信道分为多个子信道，并将子信道分配给接入智能家居通信网的设备；
S3.按照步骤S2中分配的服务功率和子信道，并按照接入设备的QoS条件控制智能家居网络中控制设备的接入。
具体地，步骤S1中所述的最大化网络的总容量为接入设备信道容量的总和，最大化网络的总容量表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，Ci为接入设备的信道容量。结合功率和带宽受限的条件可知此问题是联合功率和带宽的凸优化问题，利用凸问题的KKT条件和拉格朗日乘数法求得最大化网络的容量的最优解。
接入设备信道容量Ci按下式计算：
其中，ri为接入设备的信噪比，gi表示信道增益wiN0表示加性高斯白噪声在信道wi上的噪声功率，PN为其它网络中的用户设备对家居网络中接入设备的干扰。
有限的总服务功率受限表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，表示用于家居通信网的总功率，表示被第i个家居网络Si服务的接入设备组；所述有限的宽带资源受限表示为其中，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，w表示网络的总带宽。
在本实施例中，得到功率分配和带宽分配的最优解之后，联合控制模块形成家居网络的功率和带宽分配方式，功率分配模块和带宽分配模块分别根据得到的分配方式对智能家居网络的接入设备进行功率分配和带宽分配。通过合理分配资源来确保在通信中的设备的最低传输速率能得到保证，即对设备接入智能家居通信网络采用准入控制，让处于通信状态的设备的最低信息传输速率得到保证，并且让在通信的设备数量达到最大。本发明中采用叫做贪婪搜索算法的次优化算法来实现对家居设备的准入控制。
实施例2
如图2所示为本发明的基于资源分配的传输总容量最大化接入控制***的实施例，包括功率分配模块、宽带分配模块、联合控制模块以及设备接入控制模块：
联合控制模块：用于计算出为了实现智能家居通信网传输容量最大，对接入设备的服务功率和带宽的具体分配方式；
功率分配模块：用于在有限的总服务功率条件下，对智能家居通信网中的接入设备进行服务功率分配，与所述联合控制模块通讯连接；
宽带分配模块：用于在有限的带宽资源下，将信道分为多个子信道，并将子信道分配给接入智能家居通信网的设备，与所述联合控制模块通讯连接；
设备接入控制模块：用于在保证智能家居网络中的接入设备满足QoS的条件下，控制设备的接入，让网络的接入设备数量最大；与所述功率分配模块、所述宽带分配模块通讯连接。
在本实施例中，智能家居场景中基于资源分配的传输容量最大化接入控制方法的实现要经过联合控制模块、功率分配模块、带宽分配模块和设备接入控制模块。其中前三个模块用于联合功率分配和带宽分配实现最大化家居网络的传输容量，接入控制模块基于前三个模块而设计。
本实施例的基于资源分配的传输总容量最大化接入控制***引入包括智能家居网络总功率、网络的可利用的总带宽、信道衰落增益变化的瑞利面为变量，给每个接入设备分配相同的带宽和相同的功率、先给每个接入设备分配相同的带宽再分配不同的功率和给每个接入设备都分配不同的带宽和功率这三种资源分配方法比较智能家居通信网的传输总容量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.计算网络的总容量对应的服务功率的具体分配方式及宽带的具体分配方式；
S2.按照步骤S1中的服务功率的具体分配方式，在有限的总服务功率条件下，对智能家居通信网中接入的设备进行服务功率分配；按照步骤S1中的宽带的具体分配方式，在有限的宽带资源下，将信道分为多个子信道，并将子信道分配给接入智能家居通信网的设备；
S3.按照步骤S2中分配的服务功率和子信道，并按照接入设备的QoS条件控制智能家居网络中控制设备的接入。
2.根据权利要求1所述的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，其特征在于，步骤S1中所述的网络的总容量为接入设备信道容量的总和，表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，Ci为第i个接入设备的信道容量。
3.根据权利要求2所述的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，其特征在于，所述接入设备信道容量Ci按香农公式计算：
其中，ri为接入设备的信噪比，gi表示信道增益wiN0表示加性高斯白噪声在信道wi上的噪声功率，PN为其它网络中的用户设备对家居网络中接入设备的干扰。
4.根据权利要求1所述的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，其特征在于，所述有限的总服务功率所受限制表示为其中，pi表示服务于第i个接入设备的功率，表示用于智能家居通信网的总功率，表示被第i个家居网络Si服务的接入设备组，M表示家居网络的个数，j表示家居网络的编号；所述有限的宽带资源所受限制表示为其中，wi表示连接第i个接入设备的信道带宽，w表示网络的总带宽。
5.根据权利要求1所述的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，其特征在于，所述网络的总容量通过凸问题的KKT条件和拉格朗日乘数法计算得到。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于资源分配的传输总容量接入控制优化方法，其特征在于，所述设备接入控制模块采用贪婪搜索算法的次优化算法来进行对家居设备的准入控制。
7.一种基于资源分配的传输总容量接入控制***，其特征在于，包括功率分配模块、宽带分配模块、联合控制模块以及设备接入控制模块：
联合控制模块：用于计算实现智能家居通信网传输容量最大化时接入设备的服务功率和带宽的具体分配方式；
功率分配模块：与所述联合控制模块通讯连接，用于在有限的总服务功率条件下，对智能家居通信网中的接入设备进行服务功率分配；
宽带分配模块：与所述联合控制模块通讯连接，用于在有限的带宽资源下，将信道分为多个子信道，并将子信道分配给接入智能家居通信网的设备；
设备接入控制模块：与所述功率分配模块、所述宽带分配模块通讯连接，用于在智能家居网络中的接入设备满足QoS的条件下，控制设备的接入。
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