设备调度与资源分配方法、装置、电子设备和存储介质

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种设备调度与资源分配方法、装置、电子设备和存储介质。


背景技术：

2.随着物联网在工业通信系统中的不断应用，工业互联网(industrial internet of things，iiot)为工业系统数据的采集和传输提供了定制化架构和标准化的接口，通过在工业系统的生产实践中不断获取工业设备状态信息并进行处理，工业应用可以实现设备状态监控、生产流程优化和平台安全管理等。以工业设备监测应用为例，为实时监测设备状态，每台工业设备每秒会产生20
‑
100mb的数据。然而，如此庞大的数据量对工业互联网设备无线监测系统提出了巨大的挑战，由于无线通信资源与计算资源有限，大量的设备数据同时传输势必会造成网络拥塞，及信息传输时延急剧增大；同时，大量的设备数据如果处理不及时，就会造成数据排队的时延增加，导致所获取的工业系统设备状态信息的时效性较差。
3.因此，如何提高设备无线监测系统中设备状态信息的时效性，是目前业界亟待解决的重要课题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种设备调度与资源分配方法、装置、电子设备和存储介质，用以解决无线监测系统中设备状态信息的时效性差的问题。
5.本发明提供一种设备调度与资源分配方法，包括：
6.获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；
7.基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题；
8.对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
9.根据本发明提供的一种设备调度与资源分配方法，所述设备调度与资源分配的优化问题表示为：
10.p0：
11.s.t.c1:
12.c2:
13.c3:
14.c4:
15.c5:
16.c6:
17.c7:
18.其中，p0为所述设备调度与资源分配的优化问题的目标函数，c1至c7为所述目标函数p0的约束条件；c3为通信系统接入限制，任一时刻通信系统中设备的接入量不超过通信系统所包括的子信道总数；c4为设备的发射功率限制；c5表示保证信息传输成功率的信道干扰限制；c6表示在任一时隙任一设备传输至网络侧网元的信息都能够在下一时刻被信息处理服务器处理；c7为系统计算资源约束；无线监测系统包括k个设备、至少一个网络侧网元、信息处理服务器；m为通信系统包括的正交的子信道总数；n为时隙序号，n为一个监测周期所包括的时隙数；π
k
(n)＝{α
k.n
,β
k,n
}；α
k,n
表示设备k在时隙n的信息收集状态，表示设备k在时隙n的信息收集状态，α
k,n
＝{0,1,2}，α
k,n
＝0表示在时隙n设备k的缓存为空且设备k不收集信息，α
k,n
＝1表示在时隙n设备k收集信息并将信息存放在设备k的缓存中，α
k,n
＝2表示在时隙n设备k的缓存不为空且设备k不收集信息；β
k,n
表示设备k在时隙n的调度，β
k,n
＝{0,1}，β
k,n
＝0表示设备k在时隙n不传输信息，β
k,n
＝1表示设备k在时隙n传输信息；l
k
为设备k需要传输的信息量；r
k,n
为设备k在时隙n传输的信息量，p
k,n
为设备k在时隙n的发射功率；p为设备的最大发射功率；h
k
为设备k所占用子信道的信道增益；n0为单边功率谱密度；b为子信道的信道带宽；γ
th
为信道信干噪比阈值；d
k
为设备k和基站的距离，c为光速，f
c
为载波频率；t为时隙长度；s
k
为信息处理服务器处理1bit数据所需的cpu循环数；f
k,n+1
为信息处理服务器在时隙n+1为设备k分配的计算资源；f为信息处理服务器可用的计算资源总量；a
s,k
(n)为时隙n开始时设备k的信息年龄，q
k
(n)为时隙n开始时设备k的缓存数据量，a
d,k
(n)为时隙n结束时设备k在信息处理服务器的信息年龄，
19.根据本发明提供的一种设备调度与资源分配方法，所述对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息，包括：
20.将所述设备调度与资源分配的优化问题转换为凸优化问题：
21.px:
22.s.t.c8:
23.c9:
24.c10:
25.c11:
26.c12:
27.c13:
28.c14:
29.c15:
30.其中，px为所述凸优化问题的目标函数，c8至c15为px的约束条件：表示网络侧网元在时隙n需要调度的设备的集合；f
n+1
为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源；为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源；ε为大于0的无穷小量；χ为惩罚因子，χ＞＞1；j为迭代次数，为符合限制条件c8和c9的β
k,n
的任一取值；m
n
为网络侧网元在时隙n可用的信道数；
31.对所述凸优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
32.根据本发明提供的一种设备调度与资源分配方法，所述对所述凸优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息，包括：
33.对监测周期内所有时隙，按照时间顺序依次对每个时隙重复执行以下步骤：
34.采用迭代计算的方式，基于连续凸逼近算法sca对所述凸优化问题进行求解，直到无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益收敛时，获得β
k,n
的可行解r
k,n
的可行解及的可行解其中，e
n
为无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益；基于计算β
k,n
的最优解基于和计算p
k,n
的最优解基于计算得到α
k,n
的最优解基于和计算f
k,n+1
的最优解基于及计算a
s,k
(n)和a
d,k
(n)；基于和计算f
n+1
；基于计算m
n
。
35.根据本发明提供的一种设备调度与资源分配方法，所述基于计算β
k,n
的最优解
基于和计算p
k,n
的最优解基于计算得到α
k,n
的最优解基于和计算f
k,n+1
的最优解包括：
36.基于采用公式c16计算得到β
k,n
的最优解
37.c16：
38.基于和采用公式c17
‑
c20计算得到p
k,n
的最优解
39.c17：
40.c18：
41.c19：
42.c20：
43.基于和采用公式c21计算得到f
k,n+1
的最优解
44.c21：
45.基于采用公式c22计算得到α
k,n
的最优解
46.c22：
47.根据本发明提供的一种设备调度与资源分配方法，所述设备调度与资源分配信息包括以下至少一项：
48.所述无线监测系统中每个设备在每个时隙的信息收集状态、调度状态和发射功率，及所述信息处理服务器在各个时隙为每个设备分配的计算资源。
49.本发明还提供一种设备调度与资源分配装置，包括：
50.获取模块，用于获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；
51.确定模块，用于基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题；
52.求解模块，用于对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统中每个设备在每个时隙的信息收集状态、调度状态和发射功率，及信息处理服务
器在各个时隙为每个设备分配的计算资源。
53.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项所述设备调度与资源分配方法的步骤。
54.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述设备调度与资源分配方法的步骤。
55.本发明提供的设备调度与资源分配方法、装置、电子设备和存储介质，通过联合优化设备信息采集、调度、发射功率及通信和计算资源的分配，使无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄最小化，提高无线监测系统中设备状态信息的时效性。
附图说明
56.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
57.图1为本发明提供的设备调度与资源分配方法的应用场景示意图；
58.图2为本发明提供的设备调度与资源分配方法的流程示意图；
59.图3为本发明提供的设备的信息更新周期的示意图；
60.图4为本发明提供的设备调度与资源分配装置的结构示意图；
61.图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
62.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
63.本发明提供一种设备调度与资源分配方法，包括：获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄(age of information，aoi)的问题；对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。本发明提供的设备调度与资源分配方法，通过联合优化设备信息采集、调度、发射功率及通信和计算资源的分配，使无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄最小化，提高无线监测系统中设备状态信息的时效性。
64.本发明提供的设备调度与资源分配方法，可应用于工业互联网的无线监测系统
中。图1为本发明提供的设备调度与资源分配方法的应用场景示意图。如图1所示，无线监测系统包括：设备101、网络侧网元102和信息处理服务器103；其中：设备101可以包括任意种类的、可以正常接入工业互联网的工业设备；网络侧网元102可以包括通信系统中的基站或核心网设备；信息处理服务器103可以包括台式计算机等。
65.需要说明的是，在本发明并不限定设备101的具体类型和数量。设备101以正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access，ofdma)的方式接入网络侧网元102，设备101通过无线传输信道将自身的设备状态信息发送至网络侧网元102；其中，设备状态信息可以包括设备的运行状态、磨损程度或者执行频率等信息。信息处理服务器103与网络侧网元102连接，网络侧网元102将各个设备上报的设备状态信息发送给信息处理服务器103，由信息处理服务器103对设备状态信息进行处理，以获取设备的状态信息。
66.需要说明的是，在本发明中，主要针对在一个监测周期内，对无线监测系统中多个设备的信息采集、传输和处理。同时，为了保证设备的状态信息的及时性，多个设备在一个监测周期内将不断重复数据的采集、传输和处理。
67.接下来对本发明提供的设备调度与资源分配方法进行介绍。
68.图2为本发明提供的设备调度与资源分配方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括：
69.步骤110，获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源。
70.步骤120，基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题。
71.可选地，aoi指设备信息自生成至被信息处理服务器接收所经历的一段时间。aoi从信息处理服务器角度衡量了设备信息的时效性，受到设备信息采样时间、传输时间、排队时间和处理时间等多个信息传输流程过程中所耗费的时间的影响。aoi越大，说明设备信息从设备到信息处理服务器所耗费的时间越长，设备信息的时效性就越差；aoi越小，说明设备信息从设备到信息处理服务器所耗费的时间越短，设备信息的时效性就越好；设备的aoi越小，系统性能越好。
72.步骤130，对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
73.可选地，设备调度与资源分配信息包括以下至少一项：无线监测系统中每个设备在每个时隙的信息收集状态、调度状态和发射功率，及信息处理服务器在各个时隙为每个设备分配的计算资源。
74.本发明提供的方法，通过联合优化设备信息采集、调度、发射功率及通信和计算资源的分配，使无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄最小化，提高无线监测系统中设备状态信息的时效性。
75.图3为本发明提供的设备的信息更新周期的示意图，如图3所示，设备的一个信息更新周期包括：等待收集、等待调度、数据传输和数据处理等步骤。设备的一次数据更新开
始于上一次数据传输结束后。如图3所示，设备在t1至t2时刻等待信息收集，且在t2时刻收集信息，假设设备在收集信息时刻立即完成信息收集，即设备在t2时刻收集信息时间为0。设备将收集的信息存储在设备的缓存区(buffer)，设备的缓存区只存储最近一次收集的信息，即设备的缓存区存储的设备信息为设备最新的设备状态信息。设备在t2至t3时刻等待网络侧网元的调度，且网络侧网元在t3时刻调度设备，网络侧网元在调度时刻立即完成设备调度，即设备调度的时间为0，同时，将设备收集的信息通过无线传输信道传输到网络侧网元和信息处理服务器，设备收集的信息在信息处理服务器被进一步的处理。其中，为了保证信息的时效性，设备收集的信息将被同步处理，即当前时隙传输的信息在下一时隙完成处理。
76.假设图1所示的无线监测系统中网络侧网元和信息处理服务器的位置坐标分别为(0,0,h)和(0,0,0)，h为网络侧网元的高度，工业设备的位置坐标为d
k
＝(x
k
,y
k
,0)。设备k需要传输的信息量用l
k
表示。设备k在时隙n的发射功率为p
k,n
，设备的最大发射功率为p，n为时隙序号，通信系统包括的正交的子信道总数为m个，表示为其中，每个子信道的信道宽度为b，一个时隙的长度为t。在任一时隙，每个设备仅允许占用一个子信道传输数据，同时每个子信道仅能容纳一个设备。本发明采用自由空间路径损耗模型，设备k所占用子信道的信道增益为其中c为光速，f
c
为载波频率。d
k
为设备k和网络侧网元的距离，假设不同子信道间的干扰可以忽略不计，那么设备k在时隙n传输的信息量为：其中，n0为单边功率谱密度。信息在传输的过程中，设备k每次的传输功率均保持一致，并且信息的传输不会中断。另外，为了防止信道质量较差造成数据传输失败，影响信息的时效性，信息传输需要保证：其中，γ
th
为保证信息传输成功的信道信干噪比阈值。
77.信息处理服务器处理设备k的1bit数据所需的cpu循环数为s
k
。信息处理服务器在时隙n为设备k分配的计算资源为f
k,n
。为了满足信息处理需求，对于设备k在时隙n传输的信息，信息处理服务器必须在n+1时隙内处理完成，因此，同时，信息处理服务器在任意时隙为各个设备所分配的总的计算资源应该小于信息处理服务器可用的计算资源总量，即f
k,n
表示信息处理服务器在时隙n为设备k分配的计算资源，f为信息处理服务器可用的计算资源总量。
78.在每一时隙，网络侧网元都需要决定哪一个设备将被调度以收集信息或传输信息。对于设备k，设备k在时隙n的信息收集状态用α
k,n
表示，α
k,n
＝{0,1,2}，α
k,n
＝0表示在时隙n设备k的缓存区为空且设备k不收集信息，α
k,n
＝1表示在时隙n设备k收集信息并将信息存放在设备k的缓存区中，α
k,n
＝2表示在时隙n设备k的缓存区不为空且设备k不收集信息。设备k在时隙n的调度用β
k,n
表示，β
k,n
＝{0,1}，β
k,n
＝0表示设备k在时隙n不传输信息，β
k,n
＝
1表示设备k在时隙n传输信息。由于设备k采用ofdma的接入方式与网络侧网元通信，因而
79.将设备k在时隙n的调度策略表示为π
k
(n)＝{α
k.n
,β
k,n
}，在任一时刻，设备k可供选择的调度策略为(0,0),(0,1),(1,0),(1,1),(2,0),(2,1)。对于策略π
k
(n)＝(0,1)，由于在时隙n设备k的buffer中信息量为0，无法传输信息，因而π
k
(n)＝(0,1)为无效策略。而π
k
(n)＝(1,0)表示设备k在时隙n采集的信息没有被立即传输，这种情况无助于减少aoi，可以认为是无效策略。另外，数据的传输不能中断，因此π
k
(n)≠(2,0)。综上，设备k在时隙n的可选调度策略为π
k
(n)＝{(0,0),(1,1),(2,1)}。
80.本发明采用aoi作为衡量系统的设备状态信息时效性的关键指标。令a
s,k
(n)为时隙n开始时设备k的aoi；a
d,k
(n)为时隙n结束时设备k在信息处理服务器的aoi；q
k
(n)表示在时隙n开始时设备k的buffer中的缓存数据量。依据调度策略π
k
(n)，设备k在不同时隙的缓存数据量可以表示为：
81.c23:
82.根据aoi的定义，如果设备k在时隙n收集信息，设备k的aoi将下降为1；否则，设备k的aoi将增加1。因此，设备k的aoi可以表示为：
83.c24:
84.如果设备k在时隙n结束时完成buffer中信息的传输，设备k在信息处理服务器的aoi将下降到设备k在时隙n的aoi加2；其中，一个时隙用于信息的传输，同时，信息处理服务器对设备k传输至网络侧网元的信息的处理将会在数据传输结束的下一时隙完成。否则，设备k在信息处理服务器的aoi将增加1。
85.因此，时隙n+1结束时设备k在信息处理服务器的aoi表示为a
d,k
(n+1)，其中，
86.c25:
87.本发明采用aoi衡量无线监测系统设备信息的时效性，aoi受到设备信息的采样时间、传输时间、排队时间和处理时间等多个信息传输流程过程中所耗费的时间的影响。
88.本发明通过联合优化工业设备的信息采集与发射功率以及通信和计算资源的分配，最小化工业设备无线监测系统在一个监测周期内的aoi，据此，将图2中基于设备信息、传输信息及计算资源，确定无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题可以表示为：
89.p0：
90.s.t.c1:
91.c2:
92.c3:
93.c4:
94.c5:
95.c6:
96.c7:
97.其中，p0为所述设备调度与资源分配的优化问题的目标函数，c1至c7为所述目标函数p0的约束条件；c3为通信系统接入限制，任一时刻通信系统中设备的接入量不超过通信系统所包括的子信道总数；c4为设备的发射功率限制；c5表示保证信息传输成功率的信道干扰限制；c6表示在任一时隙任一设备传输至网络侧网元的信息都能够在下一时刻被信息处理服务器处理；c7为系统计算资源约束；无线监测系统包括k个设备、至少一个网络侧网元、信息处理服务器；m为通信系统包括的正交的子信道总数；n为时隙序号，n为一个监测周期所包括的时隙数；π
k
(n)＝{α
k.n
,β
k,n
}；α
k,n
表示设备k在时隙n的信息收集状态，表示设备k在时隙n的信息收集状态，α
k,n
＝{0,1,2}，α
k,n
＝0表示在时隙n设备k的缓存区为空且设备k不收集信息，α
k,n
＝1表示在时隙n设备k收集信息并将信息存放在设备k的缓存区中，α
k,n
＝2表示在时隙n设备k的缓存区不为空且设备k不收集信息；β
k,n
表示设备k在时隙n的调度，β
k,n
＝{0,1}，β
k,n
＝0表示设备k在时隙n不传输信息，β
k,n
＝1表示设备k在时隙n传输信息；l
k
为设备k需要传输的信息量；r
k,n
为设备k在时隙n传输的信息量，p
k,n
为设备k在时隙n的发射功率；p为设备k的最大发射功率；h
k
为设备k所占用子信道的信道增益；n0为单边功率谱密度；b为子信道的信道带宽；γ
th
为信道信干噪比阈值；d
k
为设备k和网络侧网元的距离，c为光速，f
c
为载波频率；t为时隙长度；s
k
为信息处理服务器处理1bit数据所需的cpu循环数；f
k,n+1
为信息处理服务器在时隙n+1为设备k分配的计算资源；f为信息处理服务器可用的计算资源总量；a
s,k
(n)为时隙n开始时设备k的信息年龄，q
k
(n)为时隙n开始时设备k的缓存数据量，a
d,k
(n)为时隙n结束时设备k在信息处理服务器的信息年龄，
98.对于目标函数p0，α
k,n
，β
k,n
为整数变量，p
k,n
，f
k,n
为连续变量，同时变量β
k,n
和p
k,n
在目标函数p0的约束条件c5和c6相互耦合，且在不同时隙之间同一变量也是相互耦合的。因此，问题p0为混合整数的非线性非凸优化问题。同时，a
d,k
(n)为由变量α
k,n
，β
k,n
，p
k,n
和f
k,n
联合决定的隐式表达，传统的优化方法无法得到问题p0的闭式解。鉴于此，本发明将非线性非
凸优化问题p0转换为凸优化问题后进行求解。
99.具体地，将设备调度与资源分配的优化问题p0转换为凸优化问题，进而对凸优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息；其中：凸优化问题可以表示为：
100.px:
101.s.t.c8:
102.c9:
103.c10:
104.c11:
105.c12:
106.c13:
107.c14:
108.c15:
109.其中，px为所述凸优化问题的目标函数，c8至c15为px的约束条件：表示网络侧网元在时隙n需要调度的设备的集合；f
n+1
为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源；为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源；ε为大于0的无穷小量；χ为惩罚因子，χ＞＞1；j为迭代次数，为符合限制条件c8和c9的β
k,n
的任一取值；m
n
为网络侧网元在时隙n可用的信道数；
110.这里对于将设备调度与资源分配的优化问题p0转换为凸优化问题px的过程进行说明：
111.首先，为了将设备调度与资源分配的优化问题p0转换为凸优化问题px进行描述，本发明通过对设备的aoi变化进行分析，引入一个参数：平均aoi收益；基于平均aoi收益对问题p0的目标函数进行等价代换，实现对问题p0进行重新规划。
112.具体地，设备k在时隙n的平均aoi收益可以表示为：
113.c26:
114.其中，表示设备k在时隙n调度结束后的aoi下降值。由于在一次调度过程中，设备的发射功率是不变的，表示信息的传输时间。
115.在监测周期时间长度固定时，最大化aoi总下降值等价于最大化每个时隙的aoi下降值，即平均aoi收益。通过优化设备调度与资源分配，获取最大的总的平均aoi收益，实现系统总aoi的最小化。因而问题p0可以转化为问题p1：
116.p1:
117.其中，问题p1的约束条件为目标函数p0的约束条件c1至c7。
118.针对问题p1中不同时隙间相互耦合的特点，本发明将其解耦为多个连续短期最优问题，即将p1解耦为n个不同时隙的设备调度与资源分配优化子问题，通过按照时间顺序依次求解每一时隙的子问题，近似获得问题p1的最优解。
119.不失一般性的，需要考虑时隙n的设备调度与资源分配优化问题，此时，将问题p1可以表示为：
120.p2：
121.s.t.c27:
122.c28:
123.c29:
124.c30:
125.c31:
126.c32:
127.c33:
128.其中，表示网络侧网元在时隙n需要调度的设备集合，m
n
为网络侧网元在时隙n可用的信道数，f
n+1
为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源。
129.基于对数据采集、传输和处理的相关分析，问题p2存在以下性质：1)当问题p2取得最优解时，约束条件c32为紧约束；2)对于最优解时，约束条件c32为紧约束；2)对于与相互关联。其中，为α
k.n
的最优解，为β
k,n
的最优解。因此，约束条件c32和c33可以重新规划为：
[0130][0131]
引入变量将问题p2转化为问题p3：
[0132]
p3：
[0133]
s.t.c35:
[0134]
c36:
[0135]
c37:
[0136]
c38:
[0137]
c39:
[0138]
其中，a
s,k
(n
‑
1)为已知量，问题p3是一个混合整数非凸优化问题，p3的求解挑战主要来自于两方面：1，离散变量β
k,n
与连续变量r
k,n
耦合导致的目标函数与限制条件的非凸性；2，目标函数中取整函数导致的非凸性。
[0139]
考虑β
k,n
的取值，p3的目标函数可以重新表示为：
[0140][0141]
其中，ε为大于0的无穷小量。
[0142]
为解决约束条件c38、c39和问题p3重新表示的目标函数中β
k,n
·
r
k,n
的耦合，引入变量之后，通过应用相关的数学方法重新规划，引入限制条件c41
‑
c44以解决耦合问题。
[0143]
c41:
[0144]
c42:
[0145]
c43:
[0146]
c44:
[0147]
将整数变量β
k,n
连续化，及将公式c35等价写为公式c45
‑
c46：
[0148]
c45:
[0149]
c46:
[0150]
其中，公式c46是一个反向凸限制，即为一个非凸集合，具有非凸性。为解决公式
c46的非凸性，将χ(β
k,n
‑
(β
k,n
)2),χ＞＞1作为惩罚项引入目标函数中，因此，问题p3可以被等价转化为p4：
[0151]
p4：
[0152]
其中，p4的目标函数的约束条件为公式c8
‑
c15。χ＞＞1为惩罚因子，为保证β
k,n
取值趋近于0或1，同时，为了应对p4优化目标中的取整函数，用替代另外，p4的目标函数为凹函数的差，因此，问题p4依然具有非凸性。利用连续凸逼近算法(sca)将β
k,n
‑
(β
k,n
)2松弛应对目标函数的非凸性。具体的，对于给定的可行点将β
k,n
‑
(β
k,n
)2在该点进行一阶泰勒展开，将β
k,n
‑
(β
k,n
)2近似为线性函数其中，线性函数表示为：
[0153]
c47:
[0154]
由于凹函数在任一点的一阶泰勒展开均为该函数的全局上界，因此，将β
k,n
‑
(β
k,n
)2近似为线性函数该近似不会扩展问题p4的范围，因此将问题p4可以转化为问题px。显然，问题px是一个凸优化问题。
[0155]
可选地，对凸优化问题px进行求解，以确定无线监测系统的设备调度与资源分配信息的实现方式，可以包括：
[0156]
对监测周期内所有时隙，按照时间顺序依次对每个时隙重复执行以下步骤：
[0157]
采用迭代计算的方式，基于连续凸逼近算法(sca)对所述凸优化问题进行求解，直到无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益收敛时，获得β
k,n
的可行解的可行解及的可行解其中，e
n
为无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益；基于计算β
k,n
的最优解基于和计算p
k,n
的最优解基于计算得到α
k,n
的最优解基于和计算f
k,n+1
的最优解基于基于及计算a
s,k
(n)和a
d,k
(n)；基于和计算f
n+1
；基于计算m
n
；其中，e
n
表示无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益。
[0158]
具体地，上述采用迭代计算的方式，基于sca对凸优化问题px进行求解的具体求解算法，包括算法1和算法2，分别介绍如下：
[0159]
算法1，用于实现单时隙设备调度与资源分配优化。
[0160]
算法1涉及的输入参数包括：m
n
，f
n
，a
s,k
(n
‑
1)，p，b，t，n0，d
k
，l
k
，γ
th
，ε，χ；输出参数包括：
[0161]
基于算法1通过迭代计算方式对问题px进行求解，可以包括步骤a)至步骤c)：
[0162]
步骤a)，通过公式c40
‑
c47得到问题px，设置阈值ψ和最大迭代次数j
max
，令j＝1，在问题px的可行域中选择任意变量，记为其中，可行域是指问题px的目标函数中线性函数可以取值的最大范围。
[0163]
步骤b)，对于给定值依据公式c47计算并将其代入问题px，之后，利用cvx求解问题px，可以获得一组次优解和目标值令j+1＝j，令
[0164]
步骤c)，重复执行步骤b)；直到目标值满足条件|e
nj
‑1‑
e
nj
|≤ψ或者j＝j
max
，此时获得的一组次优解和目标值分别为β
k,n
的可行解r
k,n
的可行解及的可行解
[0165]
考虑到替代对发射功率和资源分配的影响，通过公式和调整变量的最优值；为用户k在时隙n被调度时传输数据所需的时隙数。
[0166]
由于问题px的限制条件依然可以满足，因此，这一调整不会改变调度策略设备数据传输实际占用的时隙数目和设备的aoi相比于调整之前也不会改变。这一调整的优势在于，当前时隙的设备传输功率和计算资源最优分配在调整后会减小，有利于下一时隙系统获得更大的aoi收益。调整后，基于采用公式c16计算得到β
k,n
的最优解
[0167]
c16：
[0168]
基于和采用公式c17
‑
c20计算得到p
k,n
的最优解
[0169]
c17：
[0170]
c18：
[0171]
c19：
[0172]
c20：
[0173]
基于和采用公式c21计算得到f
k,n+1
的最优解
[0174]
c21：
[0175]
基于采用公式c22计算得到α
k,n
的最优解
[0176]
c22：
[0177]
算法2，用于实现逐时隙设备调度与资源分配优化。
[0178]
算法2结合了算法1，实现对问题px的逐时隙设备调度与资源分配优化。算法2的输入参数包括：k,n,m,p,f,b,t,n0,dk,lk,sk,γ
th
,ε,χ；输出参数包括：a
s，k
(n)，a
d，k
(n)
[0179]
算法2可以包括以下步骤1)至步骤8)：
[0180]
步骤1)：
[0181]
初始化：时隙n＝1，不同设备的初始aoi为a
s,k
(0)和a
d,k
(0)，可调度用户集合可用信道数目m1＝m，可利用信道资源f1＝f。
[0182]
步骤2)：
[0183]
对于时隙n，基于算法1求解问题px，获得β
k,n
的可行解r
k,n
的可行解及的可行解根据公式和计算和根据公式c16计算根据公式c17
‑
c20计算p
k,n
的最优解根据公式c21计算f
k,n+1
的最优解
[0184]
步骤3)：
[0185]
如果且那么：
[0186]
c48:
[0187]
c49:
[0188]
c50:
[0189]
c51:
[0190]
其中，n'为时隙n之后的某个时隙，
[0191]
步骤4)：
[0192]
基于及计算a
s,k
(n)和a
d,k
(n)，采用公式c23
‑
c25，更新设备在时隙n'时的a
s,k
(n)和a
d,k
(n)。
[0193]
步骤5)：
[0194]
令n＝n+1。
[0195]
步骤6)：
[0196]
若则网络侧网元在时隙n需要调度的设备集合为在当前k个设备集合中剔除设备k之后的集合。
[0197]
步骤7)：
[0198]
基于计算网络侧网元在时隙n可用的信道数m
n
：
[0199]
c52:
[0200]
基于和计算信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源数目f
n+1
：
[0201][0202]
其中，为指示函数，当成立时，的值为1；当不成立时，的值为0。
[0203]
步骤8)：重复执行步骤2)至步骤7)，直到n＝n。
[0204]
通过算法2可以看出，本发明提出的算法利用每一时隙的最优策略近似代替整个监测周期的最优策略，且该算法仅需要当前时隙下系统的状态，无需系统长期的状态信息，因此该算法可以有效适配时变的工业系统，适用于面向长期目标的时变系统中设备状态的监测。另外，由于该算法采取了逐时隙求解的方式，其极大地降低了算法的复杂度，这一流程在实际应用于时变的工业互联网的设备状态监测系统中较为适用。
[0205]
本发明提供的设备调度与资源分配方法，通过获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源，根据获取的设备信息、传输信息及计算资源确定无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题，对确定的设备调度与资源分配的优化问题进行求解，以确定无线监测系统的设备调度与资源分配信息。本发明通过联合优化设备信息、传输信息及计算资源，不仅可以实现无线监测系统在单时隙时设备调度与资源分配的优化，而且可以实现多时隙的设备调度与资源分配的优化，从而实现设备调度与资源的合理分配，使得无线检测系统在一个监测周期内总的信息年龄最小化，提升无线监测系统中设备状态信息的时效性。
[0206]
下面对本发明提供的设备调度与资源分配装置进行描述，下文描述的设备调度与资源分配装置与上文描述的设备调度与资源分配方法可相互对应参照。
[0207]
图4为本发明提供的设备调度与资源分配装置的结构示意图，如图4所示，该装置包括：获取模块401、确定模块402和求解模块403；其中，
[0208]
获取模块401，用于获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；
[0209]
确定模块402，用于基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题；
[0210]
求解模块403，用于对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统中每个设备在每个时隙的信息收集状态、调度状态和发射功率，及信息处理服务器在各个时隙为每个设备分配的计算资源。
[0211]
本发明提供的装置，通过联合优化设备信息采集、调度、发射功率及通信和计算资源的分配，使无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄最小化，提高无线监测系统中设备状态信息的时效性。
[0212]
可选地，所述设备调度与资源分配的优化问题表示为：
[0213]
p0：
[0214]
s.t.c1:
[0215]
c2:
[0216]
c3:
[0217]
c4:
[0218]
c5:
[0219]
c6:
[0220]
c7:
[0221]
其中，p0为所述设备调度与资源分配的优化问题的目标函数，c1至c7为所述目标函数p0的约束条件；c3为通信系统接入限制，任一时刻通信系统中设备的接入量不超过通信系统所包括的子信道总数；c4为设备的发射功率限制；c5表示保证信息传输成功率的信道干扰限制；c6表示在任一时隙任一设备传输至网络侧网元的信息都能够在下一时刻被信息处理服务器处理；c7为系统计算资源约束；无线监测系统包括k个设备、至少一个网络侧网元、信息处理服务器；m为通信系统包括的正交的子信道总数；n为时隙序号，n为一个监测周期所包括的时隙数；π
k
(n)＝{α
k.n
,β
k,n
}；α
k,n
表示设备k在时隙n的信息收集状态，表示设备k在时隙n的信息收集状态，α
k,n
＝{0,1,2}，α
k,n
＝0表示在时隙n设备k的缓存为空且设备k不收集信息，α
k,n
＝1表示在时隙n设备k收集信息并将信息存放在设备k的缓存中，α
k,n
＝2表示在时隙n设备k的缓存不为空且设备k不收集信息；β
k,n
表示设备k在时隙n的调度，β
k,n
＝{0,1}，β
k,n
＝0表示设备k在时隙n不传输信息，β
k,n
＝1表示设备k在时隙n传输信息；l
k
为设备k需要传输的信息量；r
k,n
为设备k在时隙n传输的信息量，p
k,n
为设备k在时隙n的发射功率；p为设备的最大发射功率；h
k
为设备k所占用子信道的信道增益；n0为单边功率谱密度；b为子信道的信道带宽；γ
th
为信道信干噪比阈值；d
k
为设备k和基站的距离，c为光速，f
c
为载波频率；t为时隙长度；s
k
为信息处理服务器处理1bit数据所需的cpu循环数；f
k,n+1
为信息处理服务器在时隙n+1为设备k分配的计算资源；f为信息处理服务器可用的计算资源总量；a
s,k
(n)为时隙n开始时设备k的信息年龄，q
k
(n)为时隙n开始时设备k的缓存数
据量，a
d,k
(n)为时隙n结束时设备k在信息处理服务器的信息年龄，
[0222][0223]
可选地，所述求解模块403具体用于：
[0224]
将所述设备调度与资源分配的优化问题转换为凸优化问题：
[0225]
px:
[0226]
s.t.c8:
[0227]
c9:
[0228]
c10:
[0229]
c11:
[0230]
c12:
[0231]
c13:
[0232]
c14:
[0233]
c15:
[0234]
其中，px为所述凸优化问题的目标函数，c8至c15为px的约束条件：表示网络侧网元在时隙n需要调度的设备的集合；f
n+1
为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源；为信息处理服务器在时隙n+1可用的计算资源；ε为大于0的无穷小量；χ为惩罚因子，χ＞＞1；j为迭代次数，为符合限制条件c8和c9的β
k,n
的任一取值；m
n
为网络侧网元在时隙n可用的信道数；
[0235]
对所述凸优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
[0236]
可选地，所述对所述凸优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息，包括：
[0237]
对监测周期内所有时隙，按照时间顺序依次对每个时隙重复执行以下步骤：
[0238]
采用迭代计算的方式，基于连续凸逼近算法sca对所述凸优化问题进行求解，直到无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益收敛时，获得β
k,n
的可行解r
k,n
的可
行解及的可行解其中，e
n
为无线监测系统在一个时隙的总的平均信息年龄收益；基于计算β
k,n
的最优解基于和计算p
k,n
的最优解基于计算得到α
k,n
的最优解基于和计算f
k,n+1
的最优解基于基于及计算a
s,k
(n)和a
d,k
(n)；基于和计算f
n+1
；基于计算m
n
。
[0239]
可选地，所述基于计算β
k,n
的最优解基于和计算p
k,n
的最优解基于计算得到α
k,n
的最优解基于和计算f
k,n+1
的最优解包括：
[0240]
基于采用公式c16计算得到β
k,n
的最优解
[0241]
c16：
[0242]
基于和采用公式c17
‑
c20计算得到p
k,n
的最优解
[0243]
c17：
[0244]
c18：
[0245]
c19：
[0246]
c20：
[0247]
基于和采用公式c21计算得到f
k,n+1
的最优解
[0248]
c21：
[0249]
基于采用公式c22计算得到α
k,n
的最优解
[0250]
c22：
[0251]
可选地，所述设备调度与资源分配信息包括以下至少一项：所述无线监测系统中每个设备在每个时隙的信息收集状态、调度状态和发射功率，及所述信息处理服务器在各个时隙为每个设备分配的计算资源。
[0252]
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(communications interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行设备调度与资源分配方法，该方法包括：获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传
输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题；对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
[0253]
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0254]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的设备调度与资源分配方法，该方法包括：获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题；对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
[0255]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现执行上述各实施例提供的设备调度与资源分配方法，该方法包括：获取无线监测系统的设备信息、传输信息及计算资源；其中，所述设备信息包括：设备和网络侧网元的距离、设备的最大发射功率、设备的传输信息量及单边功率谱密度；所述传输信息包括：时隙长度、子信道的信道带宽、载波频率及信道信干噪比阈值；所述计算资源包括信息处理服务器可用的计算资源；基于所述设备信息、传输信息及计算资源，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配的优化问题；其中，所述设备调度与资源分配的优化问题为最小化无线监测系统在一个监测周期内总的信息年龄的问题；对所述设备调度与资源分配的优化问题进行求解，确定所述无线监测系统的设备调度与资源分配信息。
[0256]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0257]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可
借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0258]
最后应说明的是：以上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各实施例技术方案的精神和范围。