Sampling multidimensional Wiener processes

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Sampling multidimensional Wiener processes

给出了多维维纳过程下event-triggered的采样策略是optimal的,finite/infinite horizon,以及具体的采样策略

PROBLEM STATEMENT

xt=[x1(t)xm(t)],dxt=i=1meidwi

其中 wi(t) 为独立的标准维纳过程。
优化目标:找到适应于过程 xt 的最优 sampling rule δt

(1)limTE[1T0Txtx^t22dt|δ]s.t.limTE[1Tt[0,T]δt]=1c

其中

δt={1if xt is sampled at time t0otherwise.

SOLUTION OVER FINITE HORIZON

通过假设演绎+动态规划逐步递推采样时间。

  1. 对于 finite horizon,优化目标为
(3)minE[1T0Txtx^t22dt|δ]s.t.t[0,T]δt=N
  1. 根据 Wiener 过程的独立零均值增量特性,易知根据采样的最优估计为上一次的采样值:x^t=xtlast
  2. 对于无采样情形(或者 N=0
E[0Txtx^t22dt]=E[0Txt22dt]=E[0Ti=1mxi2(t)dt]=mT22
  1. 通过上述式子假设 MSE 与采样之间间隔平方成正比(δn1 表示 n1 次采样)
infδn1E[t1t2xtx^t22dtδn1]=θn12(t2t1)2

“taking only (n − 1) samples is assumed to be proportional to the square of the length of the interval” (Nar和Basar, 2014, p. 3427)

  1. 利用 DP 原理,假设 δn 为 n 次最优采样策略,τ1 为其中第一次采样时刻,那么在 τ1T 的最优采样 δ(n1) 应与 δn 一致
    那么 n 个样本中第一个采样时刻最优即最小化
J(τ)=E[0τxt22dt+θn12(Tτ)2]=E[0τi=1mxi2(t)dt+θn12(Tτ)2]
  1. 利用伊藤公式得到等价问题
minJ(τ)minE[2(Tτ)ixi2(τ)+(mθn1)(Tτ)2]
  1. 通过定义 Snell envelope U(t,x) 将该问题转化为最优停时问题,可解得
U(t,x)=βn[m(Tt)2+2(Tt)x22+x24m+2],βn=4+m+θn1θn12+(8+2m)θn1+m24(12)infτJ(τ)=mT2212U(0,x0)=mT2212mβnT2=m(1βn)T22=:θnT22

从 n-1 次最优采样推出上式 n 次最优采样的 MSE,与 4 中采样间隔平方成正比的假设一致,因此假设成立。
8. optimal stopping time

inft0{t|2(Tt)xt22+(mθn1)(Tt)2U(t,xt)}=inft0{t|xt22(m+2)(θn1θn)1θnm(Tt)}

那么以此类推 the optimal time τNk to take the (Nk)th sample is

(14)inftτNk1{t|xtx^t22(m+2)(θkθk+1)1θk+1m(Tt)}

其中 θn=m4(mθn1+θn12+(8+2m)θn1+m2),θ0=m,τ0=0

SOLUTION OVER INFINITE HORIZON

通过扩展 finite horizon 的结论得到在 infinite horizon 的性质。固定 N/T=c 表示采样的平均频率,可以得到最优采样策略即如下的 event-triggered 策略

Theorem

The optimal sampling policy that minimizes (1) subject to (2) is the following constant threshold rule:

(20)δt={1if xtx^t22mc0otherwise.

通过 (12) 式带入可得到 MSE:

limTE[1T0Txtx^t22dt|δ]=limn1cnθn(cn)22=αc2=m22(m+2)c

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