【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及遞推濾波，特別是一種基于能量收集和解碼轉發中繼的復雜網絡的遞推濾波設計方法及裝置。
技術介紹
1、復雜網絡由大量相互連接的節點組成，這些節點之間的邊表示相互作用、關系或連接。由于復雜網絡在傳感器網絡、社交網絡、電力網等多個領域的廣泛應用，其動態分析問題引起了特別的研究關注。迄今為止，已經有多種有效方法用于解決復雜動態網絡的穩定性、同步、一致性以及狀態估計等問題。相應地，為了在不同需求/約束條件下提供復雜動態網絡節點狀態的期望估計，已經開發了若干有效的濾波策略。由于可能存在惡劣的網絡環境以及來自其他外部因素的嚴重干擾，在分析復雜網絡行為時討論動態拓撲結構具有重要意義。對于具有可變連接結構的復雜網絡，濾波問題是一個具有重要實際意義的研究熱點。
2、傳感器在實際中可能具有有限的通信范圍，導致無法直接將信息從傳感器傳遞到遠程估計器，因為二者之間的距離過遠。在傳感器和遠程估計器之間部署中繼(使用中繼來接收和處理來自源的信號，并將信號發送至目的地)，被認為是應對這種情況的一種替代方法。其中，解碼轉發中繼是指中繼將源節點的信號解碼，然后根據規則重新編碼后將信號發送給目的端。眾所周知，傳感器和中繼器的運行需要大量的電能，這些電能由電池提供。當電池的能量耗盡時，在某些特殊情況下，電池無法拆卸或更換，因此它們對于頻繁傳輸測量數據存在消極性。為應對傳感器的能量問題，可以將傳統的電池供電傳感器或中繼器替換為配備能量收集器的傳感器或中繼器。針對配備能量收集器的傳感器或中繼器，已有許多先進的研究成果關于估計問題中得到了應用。然而，
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種基于能量收集和解碼轉發中繼的復雜網絡的遞推濾波設計方法及裝置，解決現有的濾波方法不能同時處理存在能量收集技術及解碼轉發中繼的非線性復雜網絡的問題。
2、實現本專利技術目的的技術解決方案為：
3、一種基于能量收集和解碼轉發中繼的復雜網絡的遞推濾波設計方法，包括以下步驟：
4、步驟1、建立具有隨機耦合的非線性時變復雜網絡的數學模型；
5、步驟2、基于數學模型，采用基于能量收割技術的解碼轉發中繼策略，設計遞推濾波器，并確定濾波器待設計的參數；
6、步驟3、基于數學模型和遞推濾波器，計算狀態變量的一步預測誤差和濾波誤差，基于一步預測誤差和濾波誤差確定預測誤差協方差和濾波誤差協方差；
7、步驟4，考慮預測誤差協方差和估計誤差協方差，采用兩組矩陣差分方程，確定濾波誤差協方差的上界；
8、步驟5、基于濾波誤差協方差的上界，采用配方法設計遞推濾波器的參數，進而得到遞推濾波器。
9、進一步地，步驟1所述的非線性時變復雜網絡的數學模型為：
10、
11、其中和分別表示第i個節點的狀態變量和測量輸出；是內部耦合矩陣；γ表示網絡的外耦合配置矩陣；和分別表示零均值的噪聲，并且和f(·)表示非線性函數；和是已知的系數矩陣；和分別表示n維歐幾里德空間和m×n實矩陣集合；表示數學期望，n為傳感器/中繼器的個數。
12、進一步地，所述步驟2具體如下：
13、步驟2.1、設計電池電量水平隨時間的演變模型，即能量收集技術的形式；
14、步驟2.2、設計基于演變模型的解碼轉發中繼策略，得到遞推濾波器接收到的實際測量值；
15、步驟2.3、基于遞推濾波器接收到的實際測量值，構造遞推濾波器。
16、進一步地，所述電池電量水平隨時間的演變模型為：
17、
18、其中，傳感器i和中繼器i的電池的電量水平記作表示傳感器，表示中繼器；和表示傳感器i和中繼器i的電池能存儲的最大電量水平；初始電量是示性函數，縮寫為當時，否則是一個服從獨立同分布的隨機變量，表示傳感器/中繼器i的電池在s時刻收集的能量數量。
19、進一步地，所述遞推濾波器接收到的實際測量值為：
20、
21、其中，是滿足和的信道噪聲，是解碼器的輸出。
22、進一步地，所述遞推濾波器為：
23、
24、
25、其中和分別表示在s+1時刻對狀態變量xs+1的一步預測值和估計值；是待設計的增益矩陣。
26、進一步地，所述一步預測誤差和濾波誤差為：
27、
28、
29、其中ei,s+1|s為一步預測誤差，ei,s+1|s+1為濾波誤差，ξi,s是滿足的未知矩陣，解碼器誤差為實際測量值；
30、預測誤差協方差和濾波誤差協方差為：
31、
32、其中參數為：
33、
34、進一步地，步驟4所述的確定濾波誤差協方差的上界，具體如下：
35、考慮預測誤差協方差和估計誤差協方差，其滿足初值假設下述兩個差分方程
36、
37、滿足不等式約束以及解和然后，得到其中，
38、
39、并且σ1,s,σ2,s,σ3,s,σ4,s,σ5,s,σ6,s,σ7,s,γi,s是已知的縮放參數，是對應的倒數；a-1表示方陣a的逆。
40、進一步地，步驟5所述的遞推濾波器的參數為：
41、
42、其中，
43、一種復雜網絡的遞推濾波設計裝置，包括：
44、模型構建模塊，用于建立具有隨機耦合的非線性時變復雜網絡的數學模型；
45、遞推濾波器設計單元，基于數學模型，采用基于能量收割技術的解碼轉發中繼策略，設計遞推濾波器，并確定濾波器待設計的參數；
46、誤差計算單元，基于數學模型和遞推濾波器，計算狀態變量的一步預測誤差和濾波誤差，基于一步預測誤差和濾波誤差確定預測誤差協方差和濾波誤差協方差；
47、濾波誤差協方差的上界計算單元，考慮預測誤差協方差和估計誤差協方差采用兩組矩陣差分方程，確定濾波誤差協方差的上界；
48、濾波器待設計的參數計算單元，基于濾波誤差協方差的上界，借助配方法設計遞推濾波器的參數。
49、本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：(1)引入解碼轉發中繼策略，基于能量收割技術的解碼轉發中繼策略，設計遞推濾波器，延長信號的傳輸距離，以保證復雜網絡的濾波性能；(2)能量收集技術同時應用于傳感器和繼電器，更好地反映實際工程場景；(3)所研究的系統模型是一類具有隨機耦合的時變非線性復雜網絡，解決了現有的濾波方法不能同時處理存在能量收集技術及解碼轉發中繼的非線性復雜網絡的問題，可用于具有能量收集技術和解碼轉發中繼的濾波領域。
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1.一種基于能量收集和解碼轉發中繼的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，步驟1所述的非線性時變復雜網絡的數學模型為：
3.根據權利要求2所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述步驟2具體如下：
4.根據權利要求3所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述電池電量水平隨時間的演變模型為：
5.根據權利要求4所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述遞推濾波器接收到的實際測量值為：
6.根據權利要求5所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述遞推濾波器為：
7.根據權利要求6所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述一步預測誤差和濾波誤差為：
8.根據權利要求7所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，步驟4所述的確定濾波誤差協方差的上界，具體如下：
9.根據權利要求8所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，步驟5所述的遞推濾波器的參數為：
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...【技術特征摘要】
1.一種基于能量收集和解碼轉發中繼的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，步驟1所述的非線性時變復雜網絡的數學模型為：
3.根據權利要求2所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述步驟2具體如下：
4.根據權利要求3所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述電池電量水平隨時間的演變模型為：
5.根據權利要求4所述的復雜網絡的遞推濾波設計方法，其特征在于，所述遞推濾波器接收到的實際測量值為：<...
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