一种无线数据广播周期长度的估算方法

专利名称：：一种无线数据广播周期长度的估算方法
技术领域：
：本发明属于移动数据库
技术领域：
，具体涉及一种无线移动环境中进行数据管理的方法，进一步涉及一种无线数据广播周期长度的估算方法。
背景技术：
：随着无线网络技术的迅速发展和无线移动设备的日趋普及，人们可访问信息的种类越来越多，途径越来越灵活，期望访问效率也能够越来越高。但与有线网络相比，无线网络环境具有低带宽(目前无线局域网带宽最大只能达到54Mbps，而采用3G技术的无线峰窝网络也只有3.75Mbps的信道带宽)、频繁断接性、带宽多样性、网络通信的非对称性(下行信道带宽远大于上行信道带宽)、无线设备的电源能力较低和可伸缩性等特点，如何在无线环境中进行有效的数据管理并提供高效的数据服务一直是学术界和工业界极为关注的研究课题。数据广播是无线环境中向大量用户提供高效数据服务的一种新的数据发送(datadissemination)方式。与点对点(point-to-point)发送方式不同，数据广播(databroadcast)无需在收发双方建立一对一的逻辑通道，而是利用无线移动网络固有的广播机制，不断地将信息发送给广播区域中的全部用户，用户侦听广播信道并从中下载需要的信息。由于发送一次数据就可以同时满足多个对该数据的请求，这种数据发送方式使得系统的可伸缩性极好，用户数量的增加不会提高系统的开销，可以高效地利用有限的无线带宽资源；同时在无线通信中，接收数据比发送数据消耗的电池能量要小得多，因此数据广播也是一种节省能量的数据访问方式。数据广播系统的主要性能衡量指标包括(1)访问时间(Accesstime,AT):从用户发出请求到得到返回的结果的时间。访问时间小表示用于获取数据的响应时间小。(2)调谐时间(Tune-inTime,TT):在一次数据访问的过程中，移动用户处于活动状态、从信道上接收信息(下载信息)的时间。调谐时间小表示系统用于接收数据消耗的能量小。由于对数据的一次广播可以同时满足对该数据的全部请求，因此数据广播最主要的优点是可以适合任意数量的用户，可伸縮性极强。但数据广播也存在不利于用户访问的因素，即广播的线性访问特性(linearaccessproperty),用户只能对广播信道中的数据进行顺序访问，当所需的数据项尚未广播时，用户需要等待直到数据出现在广播信道上，而一旦用户错过了数据的一次广播，只能等待该数据的下一次广播时才能访问到数据。线性访问特性成为影响数据广播性能的主要因素。由于广播的线性访问特性，其访问时间比基于磁盘或内存的随机访问要长。例如在图1中的数据广播片段中，数据项c/;,^的长度分别为/a&，6,按照从左到右的顺序依次在广播信道上广播，假设信道带宽是l，如果用户从初始探测点(inkprobe)开始侦听信道，那么对于数据项必的^r是0，^r是/"对于数据项J,的^T是/2+^，而^47是6+/5+//(因为己经错过了A的第一次广播，只能等待下一次广播)，用户需要等待非常长的时间才能访问到《。如何获得更小的访问时间是数据广播研究的最基本问题之一，也是数据广播调度(databroadcastscheduling)研究的核心内容。数据广播调度就是确定在一个广播过程中各个数据项的发送次序和频率，即服务器何时广播什么数据，使得用户访问时间最小。如果实现可以预知用户对数据的访问概率，则周期广播可以获得最小的平均访问时间。所谓周期广播就是数据在广播信道上周期性地出现，在一个周期中每个数据项至少广播一次。广播周期长度是影响数据广播性能的一个基本参数，许多调度算法都以它为输入参数，并在此基础上进行调度，但是如果广播周期长度选择不当，将影响调度获得的访问时间或者调度执行的效率。
发明内容为解决此问题，本发明提出一种精确确定广播周期长度的方法，以此方法确定的长度为广播周期进行周期广播调度可以获得近似最优的平均访问时间，而且广播周期长度较小，调度代价和存储开销低。假设数据项集￡)={力,rf2，...，^}表示数据库中需要广播的数据项，W为数据项个数，数据项4的访问概率为^，长度为/,，在信道上的广播频率为y;。为了说明广播周期的确定方法，我们引入以下定义-定义1.广播周期(broadcastcycle)是一个广播信道上所有数据项至少广播一次的广播序列，该序列在广播信道上周期地进行广播，序列长度称为广播周期长度，表示为丄。定义2.数据项的广播实例(instance)是数据项在广播信道上的一次发送。定义3.数据项相邻两个实例之间的间隔(spacing)是从一个实例开始广播到下一个实例开始广播之间的距离。用&表示数据项Z的第/个实例与其后相邻实例的间隔。例如在图1中数据项力的两个实例之间的间隔等于根据以上定义，数据项/的平均访问时间为,,=2:么,^，而系统的总平均访问时间为为了获得最小访问时间，数据项在广播信道上需要满足以下两个条件(l)数据项的相邻广播实例之间的间隔相等；(2)数据项的广播频率与其访问概率的平方根成正比，并且与其长度的平方根成反比。这两点就是数据广播调度的平方根规则。根据平方根规则，系统的总平均访问时间的最优值为r'4(s::,v^)2，即与广播周期长度无关，但我们发现在实际调度时，广播周期长度却对性能有较大影响，主要原因有(1)数据项的广播频率必须通过广播周期长度来确定，而且数据项的广播频率必须是大于或等于l;(2)为了达到最优访问时间，数据项的广播频率必须符合平方根规则，这样计算出来的数值在绝大多数时候是一个有理数，而实际广播调度时，广播频率只能是整数，因此将产生误差；(3)如果广播频率不能精确符合平方根规则，那么数据项的实例间也不能保持等间距。以上原因使得实际广播调度并不能得到最优访问时间。在平方根规则的基础上，本发明给出周期广播长度的精确值的确定方法。但由于该精确值绝大多数时间为有理数，因此实际只能取近似值。根据平方根规则，得到数据项^的广播频率y;=￡7^/1^,7^;，以此公式为基础估算广播周期长度的具体步骤是步骤h首先比较数据项的访问概率与长度的比值，找到比值最小的数据项，并设该数据项为第iV个数据项4;步骤2:设置^的广播频率为1，即/fl;步骤3:根据上述广播频率的公式可以得到丄5:::,v^々p;^，由于丄必须为整数，所以在实际调度时的广播周期长度取值为在获得了广播周期长度的基础上，本发明给出相应的数据项i的广播频率(/D和实例间的间隔(％)的计算方法-<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>广播周期长度的一个重要应用就是数据广播调度，为此，以周期广播调度过程来说明广播周期长度的应用。周期广播调度过程输入iV个数据项力，&，...，A的序列，数据项i的长度Z,均为1，数据项i的访问概率A，该序列已按A降序排序输出一个广播周期内的数据项广播序列步骤1:按照前面描述的方法利用公式1估算广播周期长度￡1;步骤2:根据公式2计算每个数据项/的广播频率,w。""rf(^/vW)，调整力使得步骤3:根据公式3计算每个数据项/在一个广播周期中的/个实例的间距，调整&，步骤4:对于数据项1到数据项N:将每个数据项《的力个实例按照步骤3确定的间距放置到广播信道上，如果该位置上已被其他数据项占据，则在该位置附近寻找最近的空位。根据以上步骤调度获得的平均访问时间非常接近理论最优值，实验表明，误差值在5%以下。图2的实验中数据项个数等于1000，访问概率服从Zipf分布，分布的偏斜程度由偏斜因子《决定，当^=0时，每个数据项的访问概率相同，随着e的增大，偏斜度增大，实验中^=0.8。从图2中可以看出，运用本发明提出的估算公式得到的广播周期长度进行周期广播调度获得的平均访问时间与最优值的误差小于5%，随着广播周期取值增大，误差只略微减小。而由于广播周期增大，调度的开销明显增加，需要存储调度结果的空间也相应增加，因此本发明确定的广播周期长度在获得接近理论最优访问时间的同时，长度值却不大，调度代价和存储开销都较小。图l.广播周期的一个片段。图2.广播周期长度对平均访问时间的影响。具体实施例方式我们以一个实例来介绍本发明的具体实施方式。假设系统中有6个等长数据项力,c/2,c4A，其访问概率依次为0.41，0.20，0.14，0.10，0.08，0.07，长度都为l，那么按照以下步骤估算广播周期长度(1)找出在这些数据项中，访问概率与长度比值最小的数据项，即第6个数据项&;(2)设置《的广播频率为1，即力=1;(3)根据aw。"w(HV^^^)计算广播周期长度，得到五丄=9;执行周期广播调度的步骤(1)估算广播周期长度，得到五丄=9;(2)根据公式2计算每个数据项的广播频率依次为3，2，1，1，1，1(3)根据公式3计算每个数据项的广播实例间隔为《的3个实例间隔分别为3，3，3;^的2个实例间隔分别为5，4;其他数据项在广播周期中只广播一次，它们的实例间隔都等于9(即广播周期长度)(4)根据数据项的广播频率和实例间隔，可以得到一个广播周期中各数据项的广播次序，即did3d2did4d5did2d6该广播序列的平均访问时间(计算公式为^2^(i:^(《/2i))p,)与理论最优值(计算公式为,4&")2)的误差为4.37%。权利要求1、一种无线数据周期广播周期长度的估算方法，其特征在于具体步骤如下(1)首先比较每个数据项的访问概率与长度的比值，找到比值最小的数据项，并设其为第N个数据项dN；(2)设置第N个数据项dN的广播频率fN＝1；(3)广播周期的长度按照以下公式估算<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><mi>EL</mi><mo>=</mo><mi>round</mi><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></msubsup><msqrt><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>i</mi></msub></msqrt><mo>/</mo><msqrt><msub><mi>p</mi><mi>N</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mi>N</mi></msub></msqrt><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="S2007101721746C00011.gif"wi="43"he="7"top="5"left="5"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->其中，li为第i个数据项的长度，pi为第i个数据项di的访问概率，lN为第N个数据项的长度，PN为第N个数据项的访问频率。2、一种如权利要求1所述方法估算的无线数据周期广播周期长度在周期广播调度过程中的应用，具体步骤如下输入7V个数据项&,&,...，A的序列，数据项i的长度A均为1，数据项i的访问概率A，该序列已按/7,降序排序输出一个广播周期内的数据项广播序列；步骤l:按照下述估算广播周期长度五^步骤2:计算每个数据项z'的广播频率y^麵^/^K),调整力使得i:::,力^"步骤3:计算每个数据项/在一个广播周期中的y;个实例的间距&，~或~4五"/;」，调整使得i:;v,/=紅；步骤4:对于数据项1到数据项N:将每个数据项*的》个实例按照步骤3确定的间距放置到广播信道上，如果该位置上己被其他数据项占据，则在该位置附近寻找最近的空位。全文摘要本发明属于移动数据库
技术领域：
，具体为一种无线数据广播周期长度的估算方法。该方法中，输入广播数据项的个数N，数据项i的长度l_i和访问概率p_i，第N个数据项具有最小的访问概率与长度的比值(即p_N/l_N)，则广播周期长度的估算公式为上式。这种估算方法计算出的广播周期长度小，并且采用此长度作为广播周期进行周期广播调度可以获得近似最优的用户平均访问时间。文档编号H04L12/28GK101179464SQ20071017217公开日2008年5月14日申请日期2007年12月13日优先权日2007年12月13日发明者平余,孙未未,张卓瑶,覃泳睿申请人:复旦大学