一种基于任意截止时刻包序列的能效数据流传输方法与流程

本发明涉及移动通信技术领域，尤其是一种基于任意截止时刻包序列的能效数据流传输方法。

背景技术：

近年来，越来越严峻的环境问题摆在人类面前。节能、降耗、减排成了大势所趋。通信作为一种服务业，依赖大量的工业产品，如基站、终端设备、传输路线等。这些都会随着网络市场的大规模扩大而翻倍增加，耗能巨大。所以，“绿色通信”这个概念孕育而生。绿色通信(Green Communications)，指节能减排、减少环境污染、资源浪费以及对人体和环境危害的新一代通信理念，主要采用创新的高效功放、多载波、分布式、智能温控等技术，以达到降低能耗的目的，最终实现人与自然和谐相处，实现可持续发展。

在通信系统中，数据包的高能效传输是能效研究的一个热点问题。特别地，无线数据流传输方法的相关研究结果表明，在无电路损耗的影响下，通过低速率的匀速传输可以有效地降低数据流的传输能耗。然而，实际情况中，由放大器、滤波器、DSP、整流器、振荡器等引起的电路损耗是不可忽视的。由于电路损耗的影响，低速率的传输数据包有可能增加电路损耗，从而使整个网络的能耗增加。因此，当设计能效的实时通信系统时，电路损耗是一个十分重要的考虑因素。

当前的无线数据传输研究主要侧重于“先入先出”数据流的能效传输，即包序列的到达时刻和截止时刻具有一致性，先到达的包拥有较早的截止时刻。然而在当前实际的实时无线通信系统中，不同的应用和设备对数据包时延有着不同的需求，例如，实时语音通信、视频通信、实时游戏对数据包时延有着严格的要求，然而，像某些基于TCP的服务，如www，ftp和e-mail，这些对延迟的要求相对宽松一些。因此，“先入先出”的数据传输模型可能不再符合实际的数据流传输。

技术实现要素：

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种在满足包序列因果性约束和截止时刻约束的前提下，最小化整个网络的总能耗的数据流传输方法，本发明提出一种基于任意截止时刻包序列的能效数据流传输方法。

技术方案：本发明提出的技术方案为：

一种基于任意截止时刻包序列的能效数据流传输方法，包括步骤：

(1)参数初始化：初始化变量其中，为数据包集合，N为数据包总数，t_a，i、t_d，i和分别为数据包i的到达时刻、截止时刻和生存时间，定义为已确定传输速率的数据包集合，初始化

(2)对于任意且k≠l，找出区间内所有至少包含一个数据包生存时间的子区间计算每个子区间的最小传输速率，找出最小传输速率中的最大值及其对应的子区间

(3)计算系统的最高能效传输速率r_ee；计算生存时间包含在子区间内的所有数据包的最优传输速率；

(4)根据步骤(3)的计算结果确定生存时间包含在子区间的所有数据包的传输顺序，包括步骤：

令对于任意时刻寻找其中是在时刻t子区间内已经到达并且未传输完毕的具有最小截止时刻的包序号；以最优传输速率传输数据包判断是否满足若满足，则结束迭代；若不满足，则转入步骤(5)；

(5)令

转入步骤(2)。

进一步的，所述步骤(2)中计算每个子区间的最小传输速率的方法为：

式中，B_m表示数据包m的大小，表示至少包含一个数据包生存时间的子区间，表示生存时间包含在子区间内的所有数据包的集合。

进一步的，所述步骤(2)中最小传输速率中的最大值对应的子区间为：

式中，为最小传输速率最大值对应的子区间，最小传输速率最大值为

进一步的，所述步骤(3)中最高能效传输速率r_ee的计算方法为：

其中，W(.)是朗伯W函数，h表示信道增益，σ²表示噪声功率，α表示电路功率。

进一步的，所述步骤(3)中计算生存时间包含在子区间内的所有数据包的最优传输速率的计算公式为：

表示生存时间包含在子区间内的所有数据包的集合。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明考虑包序列中各个数据包具有任意的截止时刻的传输模型，对已有先入先出的包传输模型进行了有效地拓展和一般化，同时也符合实际无线通信场景的要求。

2、本发明提出了新颖的基于迭代的方法，寻找最优的传输速率，同时，基于最小截止时刻的原则，确定最优的数据包传输顺序。该方法有效地降低网络的总能耗。

附图说明

图1为本发明提出的方法与现有技术在相同Non-FIFO包到达率条件下的系统平均总能耗对比图；图中，横坐标表示Non-FIFO包到达率，纵坐标表示系统平均总能耗；

图2为本发明提出的方法与现有技术在相同Non-FIFO包大小条件下的系统平均总能耗对比图；图中，横坐标表示Non-FIFO包大小，纵坐标表示系统平均总能耗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明是在高斯白噪声时不变信道点对点链路中，考虑了非理想的电路损耗，对具有任意截止时刻的包序列的网络，在满足因果性约束和截止时刻约束的前提下，提出一种最优的传输方法来降低网络总能耗。本实施例的具体步骤为：

(1)参数初始化：初始化变量其中，为数据包集合，N为数据包总数，t_a，i、t_d，i和分别为数据包i的到达时刻、截止时刻和生存时间，定义为已确定传输速率的数据包集合，初始化

(2)计算系统的最高能效传输速率r_ee为：

(3)计算子区间最小传输速率：对于任意且i，j，k，l两两互不相等，找出区间内所有至少包含一个数据包生存时间的子区间计算每个子区间的最小传输速率为：

式中，B_m表示数据包m的大小，表示至少包含一个数据包生存时间的子区间，表示生存时间包含在子区间内的所有数据包的集合；

找出最小传输速率中的最大值对应的子区间，定义变量表示当前最小传输速率最大值对应子区间，则有：

对应的最小传输速率最大值为

(4)计算集合中各数据包的最优速率为：

(5)确定集合中各个数据包的传输顺序，包括步骤：

令对于任意时刻寻找其中是在时刻t集合中已经到达并且未传输完毕的具有最小截止时刻的包序号；以最优传输速率传输数据包判断是否满足若满足，则结束迭代；若不满足，则转入步骤(6)；

(6)更新：

转入步骤(3)。

本实例以点对点的通信链路的实时数据流传输为例，设置系统包含一个发送端(基站或移动用户)，一个接收端(基站或移动用户)，假设通信信道为高斯白噪声时不变信道，数据包的大小、到达时刻和截止时刻以及信道状态信息对于发送端而言均为已知信息。对于图1的设置，发送端在时间窗[0，80]s内以0.5包/秒的速率产生FIFO数据包，其中，每个包的大小设置为1KBit，生存时间为4秒，同时，发送端又在同一时间窗分别以0.05、0.1、0.15、0.2、0.25包/秒的速率产生Non-FIFO包序列，其中，每个Non-FIFO包的大小设置为1.5KBit，生存时间为1秒。对于图2的设置，发送端在时间窗[0，80]s内以0.2包/秒的速率产生FIFO数据包，Non-FIFO包大小取值范围为0.8KBit到1.8Kbit，每个数据包的生存时间为4秒。图1、图2的仿真结果都是在1000次仿真结果中取平均值得到的。

由附图可以看出：

图1中，随着Non-FIFO包的到达率由0.05包/秒增至0.25包/秒，本发明提出的能效传输方法优于现有传输方法，并且节能的效果随着Non-FIFO包到达率的增大而变好。同时，由于Non-FIFO数据包到达率的增加，包序列的总大小增加，因此，两种方法的总能耗增加。

图2中，本发明提出的能效传输方法在不同的Non-FIFO包大小的情况下总是要优于现有传输方法，并且节能的效果随着Non-FIFO包的增大而变好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。