基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說它是一種基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳 頻方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為21世紀最具影響力的IT技術(shù)，已經(jīng)對人類的生產(chǎn)和生活方 式產(chǎn)生了巨大的影響。它是繼Internet之后，發(fā)展最為迅速，應(yīng)用最為廣泛，且最為人類所 接受的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用方向，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)的實時性、可靠性以及抗干 擾能力等方面提出了嚴格的要求。因此，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)具有實時性強、可靠性高、成本相對 低廉、可大規(guī)模部署等特點。當(dāng)前，對于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的標準化工作已經(jīng)取得了巨大進展， 主要包括HART基金會的WirelessHART、中國工業(yè)無線聯(lián)盟的WIA-PA以及國際自動化協(xié)會 的ISA100.1 la三大國際標準。
[0003] 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是對ISM2. 4GHz免申請頻段的過度使用，造成了 該頻段的嚴重擁擠。當(dāng)前，典型的短距離無線通信技術(shù)均采用2.4GHz頻段通信。除了的 WirelessHART、WIA-PA 和 ISA100.1 Ia 三大工業(yè)無線標準，還包括 ZigBee、BlueTooth、Wi-Fi 等民用和商用標準。因此，有效避免同頻段的其他射頻干擾是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一大研究熱 點。特別地，對于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)它面對工業(yè)環(huán)境中的強噪聲、多徑傳播以及溫濕度 頻繁變化等環(huán)境干擾時，信道質(zhì)量嚴重下滑，存在更為迫切的抗干擾需求。另外，工業(yè)應(yīng)用 本身對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性具有嚴格的要求。因此，有效提高工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的抗 干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允钱?dāng)前面臨的技術(shù)難題。
[0004] 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)主要采用擴頻通信技術(shù)。擴頻通信的優(yōu)點在于：具有很強的抗干擾 能力；可進行多址通信；安全保密；抗多徑干擾。具體來說，它主要包括直接序列擴頻和跳 頻擴頻兩種技術(shù)。
[0005] 直接序列擴頻為IEEE802. 15. 4標準的物理層所采用。而WirelessHART、WIA-PA 和ISA100.1 la的物理層均采用IEEE802. 15. 4標準，因此它們的物理層均支持直接序列擴 頻技術(shù)。
[0006] 跳頻擴頻技術(shù)可以分為兩類：盲跳頻和自適應(yīng)跳頻。
[0007] 盲跳頻是跳頻偽隨機序列固定不變的跳頻通信技術(shù)，屬于常規(guī)的跳頻技術(shù)。一般 情況下，如無特殊說明，跳頻通信均指盲跳頻通信。由于跳頻序列具有偽隨機特性，因此，跳 頻技術(shù)具有很好的抗干擾能力和安全性。工業(yè)無線標準WirelessHART和ISA100.1 la標準 所采用的跳頻技術(shù)就屬于盲跳頻。圖1所示為WirelessHART和ISA100.1 la共同采用的跳 頻通信示意圖，其跳頻序列為 19,12, 20, 24,16, 23,18, 25,14, 21，11，15, 22,17,13。該跳頻 序列具有偽隨機性和固定性，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的跳頻僅按該偽隨機序列依次跳頻。因此，盲跳頻 并沒有考慮信道的實時狀態(tài)，其跳頻性能具有一定的局限性。
[0008] 自適應(yīng)跳頻是在盲跳頻技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，除了具有基本的跳頻通信能力 外，還具備頻率自適應(yīng)控制的功能。它通過實時搜集信道信息，判斷信道質(zhì)量的優(yōu)與劣，可 以動態(tài)決定跳頻序列，避免在低質(zhì)量信道進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，通過合理選擇通信信道，可 以大幅提高通信的可靠性和抗干擾能力。自適應(yīng)跳頻為工業(yè)無線標準WIA-PA所采用，該標 準采用兩層的分簇結(jié)構(gòu)在特定時隙完成時隙跳頻、自適應(yīng)跳頻和自適應(yīng)頻率切換等。
[0009] 另外，BlueTooth也定義了自適應(yīng)跳頻技術(shù)，但是其跳頻速率和收發(fā)器設(shè)備成本并 不能滿足工業(yè)應(yīng)用的需要，因此未被工業(yè)標準所采用。
[0010] 通過以上分析可以看出，自適應(yīng)跳頻對于提高工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力、數(shù)據(jù) 傳輸?shù)陌踩院涂煽啃苑矫婢哂惺种匾淖饔?，是未來工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向。 但是，當(dāng)前利用馬爾科夫決策方法實現(xiàn)面向工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)跳頻方法還未見報道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011] 針對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)易受環(huán)境噪聲干擾、信道質(zhì)量動態(tài)變化的特點，本發(fā)明提出一 種面向工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)跳頻方法，該方法在不增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備計算負擔(dān)和控制信息開 銷的情況下，可以對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的通信信道選擇進行智能決策，實現(xiàn)自適應(yīng)跳頻。
[0012] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳 頻方法，包括以下步驟：
[0013] 建立工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的跳頻決策模型；
[0014] 定義用于描述網(wǎng)絡(luò)在時隙t時傳輸可靠性的效用函數(shù)： N
[0015] Rl(^srXl) = YuX hlS ^t) M
[0016] 其中，Sj.(t)表示信道j在時隙t的狀態(tài)，Xt = {x」e Rn代表系統(tǒng)在第t個時隙 的信道介入策略，布爾變量Xp的定義如下：
[0017]
【主權(quán)項】
1. 一種基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法，其特征在于，包括以下步驟： 建立工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的跳頻決策模型； 定義用于描述網(wǎng)絡(luò)在時隙t時傳輸可靠性的效用函數(shù)：
其中，s^t)表示信道j在時隙t的狀態(tài)，xt= {\t}eRN代表系統(tǒng)在第t個時隙的信 道介入策略，布爾變量的定義如下：
于是，有限時間T內(nèi)的馬爾科夫決策過程描述為：
其中，Ex{ ?}代表關(guān)于信道狀態(tài)St的數(shù)學(xué)期望，約束
的意義是對于任意的 時隙t，網(wǎng)絡(luò)管理器最多只能介入H個信道； 求解（1); 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理器判斷當(dāng)前通信信道不適合繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸時，將在DM子域進行馬爾 科夫決策。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法，其特征在于，所述建 立工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的跳頻決策模型，具體為： 將整個通信頻帶劃分為N個相等帶寬且互不重疊的信道，記A= {1，2, ...，N}為信道 集合，每個時隙t上，信道n(nGA)的狀態(tài)表示為
在時隙t上，N個信道 的狀態(tài)集合表示為st ={Si(t)，? ? ?，SN (t)}; 由于每個信道都有"優(yōu)"和"差"兩個狀態(tài)，則N個子信道的整個頻帶共有2N個狀態(tài)。令S表示N個信道狀態(tài)St的集合，則S= {1，2,. . .，2N}，其中1，2,…2N分別代表每個信道狀 態(tài)的編號；每個信道的狀態(tài)均隨時間變化，且服從馬爾科夫過程；PijQ，jeS)為信道狀態(tài) 轉(zhuǎn)移概率，即信道由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法，其特征在于，所述H為 1〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法，其特征在于，所述DM 子域是網(wǎng)絡(luò)管理器進行馬爾科夫決策是專用時隙子域。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法，其特征在于，所述網(wǎng) 絡(luò)管理器在完成馬爾科夫決策后，在TDMA時隙中的CS子域通過控制信道將決策結(jié)果通知 給目的現(xiàn)場設(shè)備，目的現(xiàn)場設(shè)備在收到?jīng)Q策結(jié)果后，與網(wǎng)絡(luò)管理器同時跳頻到新的信道，準 備下一時隙的數(shù)據(jù)通信。
【專利摘要】本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說它是一種基于馬爾科夫決策的自適應(yīng)跳頻方法。本發(fā)明包括以下步驟：建立工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的跳頻決策模型；定義用于描述網(wǎng)絡(luò)在時隙t時傳輸可靠性的效用函數(shù)；進而對有限時間T內(nèi)的馬爾科夫決策過程進行描述并求解；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理器判斷當(dāng)前通信信道不適合繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸時，將在DM子域進行馬爾科夫決策。本發(fā)明在不增加網(wǎng)絡(luò)計算負擔(dān)和控制信息傳輸?shù)那闆r下，實現(xiàn)了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)跳頻，有效提高了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?br>【IPC分類】H04B1-713
【公開號】CN104779973
【申請?zhí)枴緾N201410016576
【發(fā)明人】于海斌, 鄭萌, 許馳, 張曉玲, 梁煒
【申請人】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2014年1月13日