?作者簡(jiǎn)介熱愛(ài)科研的Matlab仿真開(kāi)發(fā)者擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)處理、算法改進(jìn)、程序設(shè)計(jì)科研仿真。 往期回顧關(guān)注個(gè)人主頁(yè)完整代碼獲取 定制創(chuàng)新 論文復(fù)現(xiàn)私信個(gè)人信條做科研博學(xué)之、審問(wèn)之、慎思之、明辨之、篤行之是為博學(xué)慎思明辨篤行。 內(nèi)容介紹一、研究核心定位與整體架構(gòu)本研究瞄準(zhǔn)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)部署中最核心的工程痛點(diǎn)傳輸參數(shù)配置始終要在通信容量與終端能耗之間做權(quán)衡傳統(tǒng)默認(rèn)的擴(kuò)頻因子分配方案往往要么犧牲大量終端續(xù)航換高吞吐量要么大幅降低網(wǎng)絡(luò)容量換低能耗很難實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同優(yōu)化。論文將終端在不同擴(kuò)頻因子上的分配問(wèn)題建模為一個(gè)多目標(biāo)凸優(yōu)化問(wèn)題首次在完全相同的確定性多網(wǎng)關(guān)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)模型上對(duì)兩類完全不同的優(yōu)化范式進(jìn)行了系統(tǒng)性的公平對(duì)比第一類是基于凸結(jié)構(gòu)的精確數(shù)學(xué)求解器CVX、IPOPT、Gurobi利用問(wèn)題連續(xù)松弛后的凸特性輸出帶理論保證的全局最優(yōu)解作為整個(gè)研究的性能基準(zhǔn)上限第二類是無(wú)梯度的生物啟發(fā)元啟發(fā)式算法遺傳算法GA、花授粉算法FPA、非支配排序遺傳算法NSGA-II這類算法不需要依賴目標(biāo)函數(shù)的梯度信息后續(xù)可以直接擴(kuò)展到非凸的復(fù)雜擴(kuò)展模型中工程落地適配性更強(qiáng)。整個(gè)評(píng)估覆蓋了終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量從500到4500的全規(guī)模場(chǎng)景同時(shí)測(cè)試了5組不同的吞吐量-能耗權(quán)重組合最終輸出聚合吞吐量、總能耗、能效、收斂特性、算法執(zhí)行時(shí)間五大核心維度的定量對(duì)比結(jié)果所有仿真代碼、原始數(shù)值結(jié)果、圖表生成腳本全部開(kāi)源開(kāi)放完全可復(fù)現(xiàn)。二、核心優(yōu)化模型拆解整個(gè)研究的數(shù)學(xué)模型完全基于Semtech官方發(fā)布的LoRa物理層標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建所有公式與工業(yè)實(shí)際LoRaWAN設(shè)備的硬件特性完全對(duì)齊沒(méi)有引入脫離工程實(shí)際的理論近似。?空中時(shí)間計(jì)算?嚴(yán)格遵循Semtech標(biāo)準(zhǔn)定義符號(hào)時(shí)長(zhǎng)、前導(dǎo)碼時(shí)長(zhǎng)、 payload 時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算邏輯其中符號(hào)時(shí)長(zhǎng)與擴(kuò)頻因子SF呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系直接決定了單包傳輸時(shí)長(zhǎng)與單包能耗是整個(gè)優(yōu)化模型的核心變量。?網(wǎng)絡(luò)吞吐量模型?采用純ALOHA隨機(jī)接入模型計(jì)算每個(gè)擴(kuò)頻因子下的無(wú)碰撞傳輸概率總聚合吞吐量是所有擴(kuò)頻因子吞吐量的求和精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)LoRaWAN無(wú)調(diào)度隨機(jī)接入的碰撞特性。?總能耗模型?完整統(tǒng)計(jì)所有終端在評(píng)估時(shí)間窗口內(nèi)的總能耗不僅包含傳輸階段的主動(dòng)能耗還覆蓋Class A終端兩個(gè)接收窗口的接收能耗、空閑等待階段的待機(jī)能耗所有電流參數(shù)完全匹配SX1272商用LoRa芯片的實(shí)測(cè) datasheet 數(shù)值。?多目標(biāo)目標(biāo)函數(shù)?采用比例公平效用函數(shù)避免負(fù)載過(guò)度集中在單個(gè)擴(kuò)頻因子上再通過(guò)Nadir-Utopia歸一化方法將吞吐量效用與總能耗兩個(gè)量綱完全不同的目標(biāo)映射到同一尺度最終形成可配置權(quán)重的復(fù)合優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化決策變量是分配到每個(gè)擴(kuò)頻因子上的終端占比離散場(chǎng)景下的搜索空間超過(guò)10的19次方通過(guò)連續(xù)松弛將組合優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單位單純形上的凸規(guī)劃問(wèn)題保證了全局最優(yōu)解的存在性。?統(tǒng)一求解流程?所有6種算法都嚴(yán)格執(zhí)行完全相同的三步求解流程先最大化吞吐量效用得到效用最大值與對(duì)應(yīng)能耗再最小化總能耗得到能耗最小值與對(duì)應(yīng)效用最后完成歸一化后最大化復(fù)合目標(biāo)保證不同算法之間的對(duì)比完全公平不存在流程差異帶來(lái)的性能偏差。三、仿真場(chǎng)景與參數(shù)設(shè)置仿真場(chǎng)景完全復(fù)現(xiàn)了領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)典研究Loubany等人提出的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景7km×7km的城市密集區(qū)域4個(gè)網(wǎng)關(guān)均勻部署最多4500個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)均勻分布傳播模型采用Okumura-Hata城市密集傳播模型所有參數(shù)完全匹配工業(yè)通用LoRaWAN部署的典型配置終端節(jié)點(diǎn)全部搭載SX1272商用LoRa芯片載波頻率868MHz帶寬125kHz編碼率4/5擴(kuò)頻因子覆蓋7到12共6個(gè)等級(jí)終端每小時(shí)生成6個(gè)40字節(jié)的數(shù)據(jù)包仿真總時(shí)長(zhǎng)720s完整定義了發(fā)射、接收、待機(jī)、休眠四個(gè)狀態(tài)的工作電流Class A的兩個(gè)下行接收窗口時(shí)長(zhǎng)分別為1s和2s與LoRaWAN 1.0.2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)完全對(duì)齊。測(cè)試的5組權(quán)重組合分別對(duì)應(yīng)純吞吐量?jī)?yōu)先、吞吐量占75%能耗占25%、二者各占50%、吞吐量占25%能耗占75%、強(qiáng)能耗優(yōu)先共五種典型的工程部署需求。四、6種優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)倉(cāng)庫(kù)中6種算法的參數(shù)全部經(jīng)過(guò)嚴(yán)格調(diào)優(yōu)不同算法之間的計(jì)算資源投入基本保持對(duì)等避免參數(shù)差異導(dǎo)致的不公平對(duì)比三種元啟發(fā)式算法全部基于原生Matlab實(shí)現(xiàn)不需要依賴任何外部商業(yè)求解器普通PC環(huán)境即可直接運(yùn)行遺傳算法GA種群規(guī)模80迭代200代采用BLX-α交叉、高斯變異、錦標(biāo)賽選擇精英保留策略花授粉算法FPA種群規(guī)模100迭代200次切換概率0.8采用Lévy飛行實(shí)現(xiàn)全局授粉NSGA-II實(shí)現(xiàn)了快速非支配排序與擁擠度距離計(jì)算直接輸出吞吐量-能耗二維帕累托前沿。三種精確求解器分別采用不同的技術(shù)路線CVX采用 disciplined convex 編程范式調(diào)用SDPT3/SeDuMi內(nèi)點(diǎn)法后端IPOPT采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法有限內(nèi)存海森矩陣近似搭配MUMPS線性求解器最大迭代次數(shù)1000Gurobi開(kāi)啟非凸優(yōu)化模式空間分支定界求解數(shù)值聚焦等級(jí)設(shè)為3收斂容差1e-6保證輸出結(jié)果的高精度。除此之外倉(cāng)庫(kù)還配套了四類分析腳本支持跨算法結(jié)果對(duì)比導(dǎo)出、NSGA-II帕累托前沿導(dǎo)出、GA多隨機(jī)種子95%置信區(qū)間收斂分析、分權(quán)重結(jié)果CSV導(dǎo)出所有分析流程完全自動(dòng)化。五、可復(fù)現(xiàn)性執(zhí)行流程與輸出規(guī)范整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的可復(fù)現(xiàn)性設(shè)計(jì)非常完善從環(huán)境配置到結(jié)果生成的全流程都有標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行步驟首先配置外部求解器路徑將示例路徑文件復(fù)制為本地私有配置文件分別設(shè)置CVX、IPOPT、Gurobi的工具箱路徑僅運(yùn)行元啟發(fā)式算法時(shí)完全不需要這一步配置。在Matlab環(huán)境中直接運(yùn)行對(duì)應(yīng)腳本即可啟動(dòng)6種優(yōu)化器所有結(jié)果自動(dòng)輸出到data/mat目錄下的mat格式文件中Windows環(huán)境還提供了批處理腳本支持后臺(tái)無(wú)界面批量運(yùn)行。所有優(yōu)化器執(zhí)行完成后運(yùn)行配套分析腳本自動(dòng)完成跨算法結(jié)果對(duì)比、帕累托前沿生成、收斂置信區(qū)間統(tǒng)計(jì)。最后通過(guò)Python腳本批量生成所有論文圖表自動(dòng)將結(jié)果輸出到figures目錄下的對(duì)應(yīng)子文件夾中所有路徑自動(dòng)從倉(cāng)庫(kù)根目錄解析不需要手動(dòng)修改路徑配置。Windows控制臺(tái)遇到cp1252代碼頁(yè)的Unicode編碼錯(cuò)誤時(shí)設(shè)置PYTHONIOENCODINGutf-8環(huán)境變量即可解決。所有輸出結(jié)果的命名規(guī)則完全統(tǒng)一不同算法的吞吐量、總能耗、效用值、復(fù)合目標(biāo)、收斂曲線全部有對(duì)應(yīng)的mat與CSV格式文件方便后續(xù)二次數(shù)據(jù)分析與擴(kuò)展研究。六、核心定量結(jié)果與關(guān)鍵結(jié)論在4500個(gè)終端的最大規(guī)模場(chǎng)景下不同算法的性能差異呈現(xiàn)出非常清晰的規(guī)律當(dāng)權(quán)重設(shè)置為吞吐量-能耗各占50%的均衡工況時(shí)精確求解器Gurobi可以實(shí)現(xiàn)最高846kbit/s的聚合吞吐量元啟發(fā)式算法GA的吞吐量?jī)H比它低1kbit/s幾乎達(dá)到全局最優(yōu)水平當(dāng)權(quán)重設(shè)置為強(qiáng)能耗優(yōu)先(0.1, 0.9)時(shí)所有6種算法的吞吐量結(jié)果差異不到1%此時(shí)優(yōu)化問(wèn)題對(duì)算法選擇的敏感度大幅降低。能耗維度上元啟發(fā)式算法FPA在均衡工況下實(shí)現(xiàn)了最低的447kJ總能耗比精確求解器Gurobi的467kJ總能耗降低了超過(guò)4%在強(qiáng)能耗優(yōu)先場(chǎng)景下所有算法的總能耗收斂到441~444kJ的極小范圍內(nèi)。能效維度上GA在均衡權(quán)重工況下實(shí)現(xiàn)了1.855bit/J的最高能效相比傳統(tǒng)純吞吐量?jī)?yōu)先的配置能效直接提升了約51%完全不需要額外的硬件基礎(chǔ)設(shè)施投入僅通過(guò)擴(kuò)頻因子分配策略的優(yōu)化就實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能效的翻倍級(jí)提升。執(zhí)行效率維度上元啟發(fā)式算法的速度優(yōu)勢(shì)極其明顯FPA的總執(zhí)行時(shí)間僅5.43s平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)模場(chǎng)景僅需0.14s比精確求解器CVX快了超過(guò)32倍完全可以在普通LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的嵌入式處理器上在線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)資源分配。最終論文總結(jié)出三個(gè)核心工程結(jié)論精確求解器可以輸出理論最優(yōu)的吞吐量基準(zhǔn)作為所有其他算法的性能上限元啟發(fā)式算法在執(zhí)行速度與能效優(yōu)化上優(yōu)勢(shì)顯著GA在吞吐量幾乎不損失的前提下實(shí)現(xiàn)了最高能效FPA的執(zhí)行速度極快適合資源受限的嵌入式網(wǎng)關(guān)部署當(dāng)能耗權(quán)重占主導(dǎo)時(shí)所有算法的性能差異極小此時(shí)不需要使用高成本的商業(yè)精確求解器輕量化的元啟發(fā)式算法完全可以滿足工程需求。同時(shí)研究也明確標(biāo)注了模型的適用邊界本確定性靜態(tài)模型僅適用于終端數(shù)量、傳播條件的變化時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于LoRaWAN下行重配置周期的部署場(chǎng)景Okumura-Hata模型僅代表城市環(huán)境的中值路徑損耗沒(méi)有考慮陰影衰落、植被遮擋、建筑穿透損耗的影響因此報(bào)告中的能效提升是理論上的上限值實(shí)際部署中需要預(yù)留一定的鏈路余量保證網(wǎng)絡(luò)連通性。?? 運(yùn)行結(jié)果 參考文獻(xiàn)更多免費(fèi)數(shù)學(xué)建模和仿真教程關(guān)注領(lǐng)取團(tuán)隊(duì)擅長(zhǎng)輔導(dǎo)定制多種科研領(lǐng)域MATLAB仿真助力科研夢(mèng)#各類智能優(yōu)化算法改進(jìn)及應(yīng)用#生產(chǎn)調(diào)度 #經(jīng)濟(jì)調(diào)度#裝配線調(diào)度#充電優(yōu)化#車間調(diào)度#發(fā)車優(yōu)化#水庫(kù)調(diào)度#三維裝箱#物流選址#貨位優(yōu)化#公交排班優(yōu)化#充電樁布局優(yōu)化#車間布局優(yōu)化#集裝箱船配載優(yōu)化#水泵組合優(yōu)化#解醫(yī)療資源分配優(yōu)化#設(shè)施布局優(yōu)化#可視域基站和無(wú)人機(jī)選址優(yōu)化#背包問(wèn)題#風(fēng)電場(chǎng)布局#時(shí)隙分配優(yōu)化#最佳分布式發(fā)電單元分配#多階段管道維修#工廠-中心-需求點(diǎn)三級(jí)選址問(wèn)題 #應(yīng)急生活物質(zhì)配送中心選址#基站選址#道路燈柱布置#樞紐節(jié)點(diǎn)部署#輸電線路臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置#集裝箱調(diào)度 #機(jī)組優(yōu)化 #投資優(yōu)化組合 #云服務(wù)器組合優(yōu)化#天線線性陣列分布優(yōu)化#CVRP問(wèn)題#VRPPD問(wèn)題#多中心VRP問(wèn)題#多層網(wǎng)絡(luò)的VRP問(wèn)題#多中心多車型的VRP問(wèn)題 # 動(dòng)態(tài)VRP問(wèn)題 #雙層車輛路徑規(guī)劃2E-VRP #充電車輛路徑規(guī)劃EVRP #油電混合車輛路徑規(guī)劃#混合流水車間問(wèn)題#訂單拆分調(diào)度問(wèn)題#公交車的調(diào)度排班優(yōu)化問(wèn)題#航班擺渡車輛調(diào)度問(wèn)題#選址路徑規(guī)劃問(wèn)題#港口調(diào)度#港口岸橋調(diào)度#停機(jī)位分配#機(jī)場(chǎng)航班調(diào)度#泄漏源定位#冷鏈#時(shí)間窗#多車場(chǎng)等#選址優(yōu)化#港口岸橋調(diào)度優(yōu)化#交通阻抗#重分配#停機(jī)位分配#機(jī)場(chǎng)航班調(diào)度#通信上傳下載分配優(yōu)化#機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)時(shí)序#回歸#分類#聚類和降維#bp時(shí)序#回歸預(yù)測(cè)和分類#ENS聲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序#回歸預(yù)測(cè)和分類#SVM#CNN-SVM#LSSVM#RVM支持向量機(jī)系列時(shí)序#CNN#TCN#GCN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系列時(shí)序#ELM#KELM#RELM#DELM極限學(xué)習(xí)機(jī)系列時(shí)序#GRU#Bi-GRU#CNN-GRU#CNN-BiGRU門(mén)控神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序#ELMAN遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序#LSTM#BiLSTM#CNN-LSTM#CNN-BiLSTM/長(zhǎng)短記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系列時(shí)序#RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序#DBN深度置信網(wǎng)絡(luò)時(shí)序#FNN模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序#RF隨機(jī)森林時(shí)序#回歸預(yù)測(cè)和分類#BLS寬度學(xué)習(xí)時(shí)序#回歸預(yù)測(cè)和分類#PNN脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類#模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)和分類#XGBOOST集成學(xué)習(xí)時(shí)序#回歸預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)和分類#Transform各類組合時(shí)序#回歸預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)和分類#風(fēng)電預(yù)測(cè)#光伏預(yù)測(cè)#電池壽命預(yù)測(cè)#輻射源識(shí)別#交通流預(yù)測(cè)#負(fù)荷預(yù)測(cè)#股價(jià)預(yù)測(cè)#PM2.5濃度預(yù)測(cè) #電池健康狀態(tài)預(yù)測(cè)#用電量預(yù)測(cè)#水體光學(xué)參數(shù)反演#NLOS信號(hào)識(shí)別#地鐵停車精準(zhǔn)預(yù)測(cè)#變壓器故障診斷#圖像處理方面#圖像識(shí)別 #圖像分割#圖像檢測(cè)#圖像隱藏#圖像配準(zhǔn)#圖像拼接#圖像融合#圖像增強(qiáng)#圖像壓縮感知#路徑規(guī)劃方面#旅行商問(wèn)題TSP #車輛路徑問(wèn)題VRP #MVRP#CVRP#VRPTW等 #無(wú)人機(jī)三維路徑規(guī)劃#無(wú)人機(jī)協(xié)同#無(wú)人機(jī)編隊(duì)#機(jī)器人路徑規(guī)劃#柵格地圖路徑規(guī)劃#多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸問(wèn)題#充電車輛路徑規(guī)劃EVRP #雙層車輛路徑規(guī)劃2E-VRP #油電混合車輛路徑規(guī)劃 #船舶航跡規(guī)劃 #全路徑規(guī)劃規(guī)劃 # 倉(cāng)儲(chǔ)巡邏 #公交車時(shí)間調(diào)度#水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化#多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)化#無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面#無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃 #無(wú)人機(jī)控制#無(wú)人機(jī)編隊(duì)#無(wú)人機(jī)協(xié)同#無(wú)人機(jī)任務(wù)分配#無(wú)人機(jī)安全通信軌跡在線優(yōu)化#車輛協(xié)同無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃 ##通信方面#傳感器部署優(yōu)化 #通信協(xié)議優(yōu)化#路由優(yōu)化#目標(biāo)定位優(yōu)化#Dv-Hop定位優(yōu)化 #Leach協(xié)議優(yōu)化#WSN覆蓋優(yōu)化#組播優(yōu)化#RSSI定位優(yōu)化#水聲通信#通信上傳下載分配#信號(hào)處理方面#信號(hào)識(shí)別 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