CN115276917A - 一种利用历史信息的远程状态估计传输控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,涉及通信领域和信息物理***远程估计技术领域。该方法包括两个部分:当历史数据信息成功到达远程估计端的时候,此时传感器以全部传输能量发送最新数据信息;当历史数据信息出现丢失的情况,此时传感器将全部传输能量分成两份,分别传输最新数据信息以及重新传输历史丢失数据信息。本发明在数据估计方面,通过在有数据信息丢失的情况下,对丢失的数据信息进行重传控制,提高远程终端的估计性能;在能量利用方面,通过对整体能量的进一步细分,划分为传输当前时刻数据信息的能量以及传输历史数据信息的能量,提高了能量的利用率,在工程实践中有一定应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域和信息物理***远程估计技术领域,尤其涉及一种利用历史信息的远程状态估计传输控制方法。
背景技术
信息物理***(Cyber-Physical System)是结合了通信(Communication)、计算(Computation)以及控制(Control)3C技术的适时交互、高效***的复杂***,实现***内的资源配置以及按需响应、快速迭代等功能。CPS具有***自治、安装便捷、可靠性强等优势,被广泛应用于智能交通、环境检测、战场监视等领域。但是由于信道衰减、通信干扰以及能量有限等情况的存在,会造成数据信息丢失进而影响估计与控制性能的下降。因此,研究如何在有限的资源能量下进行能量控制以及数据传输,使终端获得更好的估计性能至关重要。
现有的关于远程状态估计的传输控制研究分为两类:一类是基于控制传输功率的策略,研究重点在于如何选择功率发送当前信息;另一类是控制是否传输数据信息的策略,研究重点在于如何设计机制发送当前信息。但是当数据信息已经丢失,无论如何选择功率或者如何设计机制发送当前信息,都无法弥补历史数据丢失所带来的估计性能下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,提供一种利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,实现在总体能量有限的情况下,提高远程估计端的估计性能。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
一种利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,包括两部分:第一部分是历史数据信息成功传输到达远程估计端,当前时刻传感器选择以全部能量发送最新数据信息;第二部分是历史数据信息丢失,此时传感器将总体传输能量分为两份,一份用来发送最新数据信息,剩下的另一份能量用来发送丢失的历史数据信息。具体步骤如下:
S1:构建整体***动态模型,对***自身物理过程变化以及传感器采集数据之后输出到远程估计端的过程进行描述,将过程状态、测量数值以及噪声影响以***状态空间形式表示如下:
xk+1=Axk+ωk (1)
yk=Cxk+vk (2)
其中,xk+1为***状态向量,yk为传感器测量向量;ωk和vk分别代表***噪声和测量噪声,二者是零均值的高斯白噪声,满足: A和C分别代表控制***状态矩阵以及传感器测量输出矩阵,满足(A,C)可观,可控;
S2:给定传感器总功率能量L=1;在初始时刻k=1时,传感器以能量L=1发送当前测量值,同时远程估计端用Kalman滤波估计算法计算相应的误差协方差,Kalman滤波估计包括以下两个计算步骤:
S2.1:时间更新
S2.2:状态更新
其中,分别表示***状态xk的先验和后验估计,Pk分别表示对应的先验和后验误差协方差; 表示向量{y1,…,yk}张成的空间; 称为新息,也叫残差,表示当前测量值与上一时刻先验估计对当前测量值估计的差值,Kk为Kalman滤波增益,A′、C′表示矩阵A和C的转置;
S3:在步骤S2计算结果的基础上,运用蒙特卡洛算法计算当前时刻的均值误差期望协方差的迹;
S4:利用历史信息进行远程状态估计传输控制,具体过程如下:
将数据信息到达情况反馈给传感器,进入下一时刻;
设置随机数m(k),传感器判断上一时刻是否丢包;
传感器和远程估计端之间信息传输的等效传输过程γk描述成如下独立二进制随机过程:
用λk=Pr(γk=0)表示在k时刻数据信息丢失的概率,计算公式如下:
其中,χ是一个有正交调幅相关的常数,Γk是在k时刻的传输功率,N0是加性高斯白噪声的功率谱密度,W是信道带宽;
若上一时刻计算后的λk大于m(k),则判断为上一时刻未发生数据信息丢失,以全部传输能量发送当前时刻的测量值,然后执行步骤S5,按情况2进行更新;
反之,则判断为上一时刻发生数据信息丢失,当前时刻传感器以传输能量Lα和Lβ分别发送当前数据信息和历史丢失数据信息,然后执行步骤S5;
此时传感器的传输集合如下:
其中,
其中,和分别表示为能量Lα和Lβ进行传输的决策变量,若决策变量数值标记为1则代表选择能量进行传输,反之则未传输;代表k-1时刻最新数据信息的到达结果,如果记为1,则代表传感器传输数据被远程估计端接收,反之如果记为0,则代表丢失了k-1时刻的数据信息;
S5:在上述利用历史信息的远程状态传输控制策略下,首先根据Kalman滤波计算当前时刻的误差协方差,其次根据不同的数据信息到达情况,经由蒙特卡洛算法计算当前时刻的均值误差协方差的迹;
具体情况如下:
情况1:当前数据信息以及历史丢失数据信息均成功到达远程估计端,此时先更新k-1时刻的状态估计,其次在更新后的k-1时刻估计的基础上更新k时刻的状态估计;
情况2:当前数据信息到达且重传的历史数据信息未到达远程估计端,此时,当前时刻的更新过程同步骤S2.1和步骤S2.2;
情况3:当前数据信息未到达且重传的历史数据信息到达远程估计端,此时先更新k-1时刻的状态估计,其次在更新后的k-1时刻估计的基础上进行k时刻的时间估计;
情况4:当前数据信息以及历史丢失数据信息均未成功到达远程估计端,此时,Kalman滤波增益Kk=0,更新过程同步骤S2.1和步骤S2.2。
在上述情况下,当前时刻传感器发送双数据信息,给出此时远程估计端的Kalman滤波状态误差估计协方差以及均值误差协方差的迹的表达式;
远程估计端的数据信息到达情况及到达的测量值集合表示如下:
得到k时刻的双数据信息不同到达情况下的误差估计协方差表达式如下:
进一步,得到均值误差协方差的迹的表达式为:
其中,Tr代表对矩阵求迹运算;
S6:判断当前时刻k是否为总采样点数,若是,则输出所有采样点的均值误差协方差的迹,结束数据传输过程;若否,则返回步骤S4,进行下一时刻的数据传输,依次遍寻所有采样点。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明提供的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,在数据估计方面,通过在有数据信息丢失的情况下,对丢失的数据信息进行重传,提高远程估计端的估计性能;在能量利用方面,通过对整体能量的进一步细分,划分为传输当前时刻数据信息的能量以及传输历史数据信息的能量,提高了能量的利用率;在性能分析方面,给出了所提传输策略的稳态分析以及优于传统传输策略的条件,为解决远程状态估计中的资源优化问题提供了方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法原理图;
图2为本发明实施例提供的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法流程图;
图3为本发明实施例提供的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法和传统的远程状态估计传输控制算法的性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本实施例基于离散定常***,使用本发明提出的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,在有限的资源能量下提高远程估计端估计性能,其原理如图1所示,该方法包括两部分:第一部分是历史数据信息成功传输到达远程估计端,当前时刻传感器选择以全部能量发送最新数据信息;第二部分是历史数据信息丢失,此时传感器将总体传输能量分为两份,一份用来发送最新数据信息,剩下的另一份能量用来发送丢失的历史数据信息。具体详细实施步骤如图2所示,包括以下步骤:
S1:构建整体***动态模型,对***自身物理过程变化以及传感器采集数据之后输出到远程估计端的过程进行描述,将过程状态、测量数值以及噪声影响以***状态空间形式表示如下:
xk+1=Axk+ωk (1)
yk=Cxk+vk (2)
其中,xk+1为***状态向量,yk为传感器测量向量;ωk和vk分别代表***噪声和测量噪声,二者是零均值的高斯白噪声,满足: A和C分别代表控制***状态矩阵以及传感器测量输出矩阵,满足(A,C)可观,可控。
S2:给定传感器总功率能量L=1;在初始时刻k=1时,传感器以能量L=1发送当前测量值,同时远程估计端用Kalman滤波估计算法计算相应的误差协方差,Kalman滤波估计包括以下两个计算步骤:
S2.1:时间更新
S2.2:状态更新
其中,分别表示***状态xk的先验和后验估计,Pk分别表示对应的先验和后验误差协方差; 表示向量{y1,…,yk}张成的空间; 称为新息,也叫残差,表示当前测量值与上一时刻先验估计对当前测量值估计的差值,Kk为Kalman滤波增益,A′、C′表示矩阵A和C的转置。
S3:在步骤S2计算结果的基础上,运用蒙特卡洛算法计算当前时刻的均值误差期望协方差的迹;
S4:利用历史信息进行远程状态估计传输控制,具体过程如下:
将数据信息到达情况反馈给传感器,进入下一时刻;
设置随机数m(k),传感器判断上一时刻是否丢包。
无线传感器在加性高斯白噪声(AWGN)信道上通过正交调幅(QAM)传输数据信息。在上述过程中,数据信息可能因硬件故障、网络拥堵甚至病毒入侵而丢失。因此需要对传输过程中数据信息丢失情况进行建模,全面描述通信过程及传输结果。其中,传感器和远程估计端之间信息传输的等效传输过程γk描述成如下独立二进制随机过程(伯努利过程):
用λk=Pr(γk=0)表示在k时刻数据信息丢失的概率,计算公式如下:
其中,χ是一个有正交调幅相关的常数,Γk是在k时刻的传输功率,N0是加性高斯白噪声的功率谱密度,W是信道带宽。
若上一时刻计算后的λk大于m(k),则判断为上一时刻未发生数据信息丢失,以全部传输能量发送当前时刻的测量值,然后执行步骤S5,按情况2进行更新。
反之,则判断为上一时刻发生数据信息丢失,当前时刻传感器以传输能量Lα和Lβ分别发送当前数据信息和历史丢失数据信息,然后执行步骤S5。
此时传感器的传输集合如下:
其中,
其中,和分别表示为能量Lα和Lβ进行传输的决策变量,若决策变量数值标记为1则代表选择能量进行传输,反之则未传输;代表k-1时刻最新数据信息的到达结果,如果记为1,则代表传感器传输数据被远程估计端接收,反之如果记为0,则代表丢失了k-1时刻的数据信息。
S5:在上述利用历史信息的远程状态传输控制策略下,首先根据Kalman滤波计算当前时刻的误差协方差,其次根据不同的数据信息到达情况,经由蒙特卡洛算法计算当前时刻的均值误差协方差的迹。
具体情况如下:
情况1:当前数据信息以及历史丢失数据信息均成功到达远程估计端,此时先更新k-1时刻的状态估计,其次在更新后的k-1时刻估计的基础上更新k时刻的状态估计;
情况2:当前数据信息到达且重传的历史数据信息未到达远程估计端,此时,当前时刻的更新过程同步骤S2.1和步骤S2.2;
情况3:当前数据信息未到达且重传的历史数据信息到达远程估计端,此时先更新k-1时刻的状态估计,其次在更新后的k-1时刻估计的基础上进行k时刻的时间估计;
情况4:当前数据信息以及历史丢失数据信息均未成功到达远程估计端,此时,Kalman滤波增益Kk=0,更新过程同步骤S2.1和步骤S2.2。
在上述情况下,当前时刻传感器发送双数据信息,给出此时远程估计端的Kalman滤波状态误差估计协方差以及均值误差协方差的迹的表达式,具体如下所述。
远程估计端的数据信息到达情况及到达的测量值集合表示如下:
得到k时刻的双数据信息不同到达情况下的误差估计协方差表达式如下:
进一步,得到均值误差协方差的迹的表达式为:
其中,Tr代表对矩阵求迹运算;
S6:判断当前时刻k是否为总采样点数,若是,则输出所有采样点的均值误差协方差的迹,结束数据传输过程;若否,则返回步骤S4,进行下一时刻的数据传输,依次遍寻所有采样点。
下面对本实施例方法的性能进行评估。
基于Markov过程,构建整体情况下利用历史信息的远程状态估计传输控制算法θR的传输过程模型,得到稳态概率分布结果。
首先,列举出整体运行过程中出现的四种状态h1,h2,h3以及h4。其中,h1代表数据信息α到达并且数据信息β丢失的状态;h2代表数据信息α丢失并且数据信息β到达的状态;h3代表数据信息α到达并且数据信息β到达的状态;h4代表数据信息α丢失并且数据信息β丢失的状态。
其次,给出状态转移矩阵。
最后,得到稳态概率分布。
其中,λ、λα分别代表用总能量L和部分能量Lα发送数据信息时的丢失概率。
在本实施例提出的利用历史信息的远程状态估计传输控制算法θR的策略下,k时刻的误差协方差表达式,如下所示
其中,γk-1表示在k-1时刻没有数据信息到达的概率。
此外,***参数满足C-1存在且A≥I,
可得:
上述式(17)表明,在满足该条件下,本实施例所提出的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法要比传统的传输方案估计性能更好。
在上述条件下,通过仿真验证结果有效性。本实施例所述的利用历史信息的远程状态估计传输控制θR是:只有当历史时刻发生数据信息未成功被远程估计器接收的情况下,当前时刻的传输策略才选择用部分能量Lβ发送历史丢失数据信息,反之以全部能量发送当前数据信息。发现当功率分配方案如下时,即
Lα=0.892,Lβ=0.108。
在给定总体功率的基础上,本实施例所述利用历史信息的远程状态估计传输控制θR的性能优于传统的远程状态估计传输控制仿真结果见图3。通过图3可以清晰的看出,利用历史信息的远程状态估计传输控制θR的期望误差期望协方差的迹大约为25.21,明显优于每一时刻均以能量L=1发送最新数据信息的传统远程状态估计传输控制的期望误差协方差的迹26.37。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (8)
1.一种利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,其特征在于:该方法包括两部分:第一部分是历史数据信息成功传输到达远程估计端,当前时刻传感器选择以全部能量发送最新数据信息;第二部分是历史数据信息丢失,此时传感器将总体传输能量分为两份,一份用来发送最新数据信息,剩下的另一份能量用来发送丢失的历史数据信息。
2.根据权利要求1所述的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,其特征在于:该方法的具体步骤如下:
S1:构建整体***动态模型,对***自身物理过程变化以及传感器采集数据之后输出到远程估计端的过程进行描述;
S2:给定传感器总功率能量L=1;在初始时刻k=1时,传感器以能量L=1发送当前测量值,同时远程估计端用Kalman滤波估计算法计算相应的误差协方差;
S3:在步骤S2计算结果的基础上,运用蒙特卡洛算法计算当前时刻的均值误差期望协方差的迹;
S4:利用历史信息进行远程状态估计传输控制,具体过程如下:
将数据信息到达情况反馈给传感器,进入下一时刻;
设置随机数m(k),传感器判断上一时刻是否丢包;
若上一时刻未发生数据信息丢失,以全部传输能量发送当前时刻的测量值,然后执行步骤S5;
反之,若上一时刻发生数据信息丢失,当前时刻传感器将总体传输能量分为两份,分别发送当前数据信息和历史丢失数据信息,然后执行步骤S5;
S5:在上述利用历史信息的远程状态传输控制策略下,首先根据Kalman滤波计算当前时刻的误差协方差,其次根据不同的数据信息到达情况,经由蒙特卡洛算法计算当前时刻的均值误差协方差的迹;
S6:判断当前时刻k是否为总采样点数,若是,则输出所有采样点的均值误差协方差的迹,结束数据传输过程;若否,则返回步骤S4,进行下一时刻的数据传输,依次遍寻所有采样点。
7.根据权利要求6所述的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,其特征在于:所述步骤S5中不同的数据信息到达情况包括:
情况1:当前数据信息以及历史丢失数据信息均成功到达远程估计端,此时先更新k-1时刻的状态估计,其次在更新后的k-1时刻估计的基础上更新k时刻的状态估计;
情况2:当前数据信息到达且重传的历史数据信息未到达远程估计端,此时,当前时刻的更新过程同步骤S2.1和步骤S2.2;
情况3:当前数据信息未到达且重传的历史数据信息到达远程估计端,此时先更新k-1时刻的状态估计,其次在更新后的k-1时刻估计的基础上进行k时刻的时间估计;
情况4:当前数据信息以及历史丢失数据信息均未成功到达远程估计端,此时,Kalman滤波增益Kk=0,更新过程同步骤S2.1和步骤S2.2;
当步骤S4中判断为上一时刻未发生数据信息丢失,则按照上述情况2进行更新。
8.根据权利要求7所述的利用历史信息的远程状态估计传输控制方法,其特征在于:在几种不同的数据信息到达情况下,当前时刻传感器发送双数据信息,此时远程估计端的Kalman滤波状态误差估计协方差以及均值误差协方差的迹的表达式如下所述:
远程估计端的数据信息到达情况及到达的测量值集合表示如下:
k时刻的双数据信息不同到达情况下的误差估计协方差表达式如下:
均值误差协方差的迹的表达式为:
其中,Tr代表对矩阵求迹运算。
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115276917B (zh) | 2023-06-20 |
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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