基于最小时延抖动的tdma通信网络时隙均匀分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子通信领域，尤其涉及随机状态转移算法和TDMA通信网络时隙均 匀分配方案。
【背景技术】
[0002] 时延抖动是TDMA通信网络的重要技术指标，指的是TDMA通信网络通信时延的变 化，也就是通信网络的不稳定性。TDMA通信网络对时延抖动的要求是TDMA通信网络组网规 划阶段的关键部分，寻求一种科学有效的时隙分配方法意义重大。在TDMA通信网络的时隙 分配中常常使用的二叉树的固定时隙分配方案，保证了各个网络用户通信需求的同时，也 保证了所分配的时隙块在数据链的一个通信时间单位内的均匀性，使得通信网络的工作稳 定性大大提高，不足在于无法满足在不同时间单位的总体均匀性（如图1)。在TDMA通信 网络实际的运用中，如果给所有网络用户分配固定的时隙块，往往会造成时隙资源的浪费， 降低数据链的工作效率。更合理的运用是固定分配方式与争用方式等多种分配方式搭配使 用，提高通信链的资源利用率，但这会造成可用时隙的不均匀性，为之后的时隙均匀分配造 成障碍。
[0003] 随着新理论的不断出现，关于TDMA通信网络时隙最优分配的研究也在不断探索 和深入。传统对TDMA通信网络时隙分配主要依靠二叉树的分配方法，分配方法主要考虑 了时隙在一个时间单位内的最小时延抖动和分配方案的可行性，然而整个TDMA通信网络 的基本通信时间单位循环往复，并且在不同的分配方案中所付出的时延抖动代价也不尽相 同，依靠传统的分配方法显然存在很多局限性和不准确性。目前已经有少量学者利用图论 有向边的思想实现了某型数据链的时隙均匀分配，但是局限在时隙较少的情况下，而且没 有针对实际做出算法优化，导致算法复杂度大大增加。
【发明内容】
[0004] 本发明针对TDMA通信网络时隙分配方案研究的不完善，提出一种基于最小时延 抖动的TDMA通信网络时隙均匀分配方法，即以TDMA通信网络协议为依据，基于随机状态转 移理论，在已知可用且分布不均匀的时隙中，求解一种时隙分配方案使之达到最小的时延 抖动，并结合实际做了分配效果评估，对TDMA通信网络的组网规划提供理论支撑，具有很 强的现实意义。
[0005] 基于最小时延抖动的TDMA通信网络时隙均匀分配方法，包括如下步骤：
[0006] S1、根据TDMA通信网络相关协议作出假设，定义时延抖动的代价函数，具体为：
[0007] Sll、TDMA通信网络的单位时间为一个时帧，一个时帧的时隙数为Μ个，其中，Μ为 不为零的自然数；
[0008] S12、当前可用于分配时隙的数量为Ν个，当前需要给某个网络用户分配L个时隙， 其中，L为不为零的自然数；
[0009] S13、在理想的时隙分配方案中相邻的时隙间隔为
个，在实际的时隙分配方 案中相邻的时隙i与时隙j的间隔为
其中，tab (j)为 时隙 j 的标号，tab (i)为时隙 i 的标号，i = 1，2, 3, · · ·，N，j = 1，2, 3, · · ·，N ;
[0011] S14、分配时隙i，j付出的抖动代价函数为
[0012] S2、根据TDMA通信网络相关协议和随机状态转移理论进行建模，具体为：
[0013] S21、把每一种可用于分配的时隙认为是一个独立的状态s，则有状态集合S = {Si, S2, ···, Si, ···, SN !, SN}；
[0014] S22、设每个状态到下一个状态的转移概率是等概率的，则根据随机过程相关理论 可知
[0015] S23、定义一步代价矩阵
，其中，所述一步代价矩阵P中 的元素含义为从状态Si到状态s /斤付出的概率；
[0016] S24、分配N个时隙需要N步的状态转移，则由马尔可夫链的齐 次性和S23所述一步代价矩阵P可知η(1 < η < N)的状态转移矩阵为
.其中，一步状态转移期望代价为
，一步状态转移代价矩阵为：
[0017] S25、η步代价矩阵表示为
[0018] 526、定义路径矩阵卩&让(11);
[0019] S27、设定约束条件，具体为：
[0020] 模型中可用于分配的时隙数量Ν小于一个时帧的时隙总数Μ，
[0021] 模型中某个用户的需求时隙数量L小于可用于分配的时隙数量Ν，
[0022] 模型中必须保证已分配的时隙数量与所剩的时隙数量不小于所需要的时隙数量， 即当η步代价矩阵Pjn)的第i行第j列元素若满足
，则将此元素对应的 状态转移视为无意义的状态转移，将其置为〃X"，任何数值与〃X"的运算都会得到〃X";
[0023] S28、设完成时隙分配后总的时延抖动代价期望值为C，则模型目标为C = min diag{Pe(N)}，Pe(N)矩阵中最小对角元素所对应的Path(N)元素为最小的时延抖动分配方 案；
[0024] S3、根据S2所述模型整合数据M、N、L计算代价函数，对S25所述Ρε(η)进行数据 简化，剔除无意义的状态转移，计算η步代价矩阵，更新S26所述路径矩阵Path (η)，选出分 配方案；
[0025] S4、整合S3所述结果，验证结果是否正确。
[0026] 进一步地，S26所述定义路径矩阵Path (η)的具体步骤为：
[0027] S261、设
：为状态集{s1>S2}的一步状态转移所付出的代价期望矩阵有
，其中，第一个矩阵元素的计算规则满 足
：，.表不Si- S S i/X- S 2- S i两种状态转移的代价期望；
[0028] S262、P(2)对应的路径
，同样有
其中，a+a+a /b+c+a/a+b+c/b+d+c 表不和对应的 Path(3):
[0031] S263、其他元素和更高阶的期望矩阵的计算根据S262类推。
[0032] 本发明的有益效果是：
[0033] 在给定单位通信时间内可用时隙数和预期分配时隙数的情况下，利用本发明提出 的基于最小时延抖动的TDMA通信网络时隙均匀分配方案，可以计算出最小时延抖动的时 隙分配方案。结合实际对算法优化后，算法简单，计算量小，效果良好。
【附图说明】
[0034] 图1为传统二叉树时隙分配示意图。
[0035] 图2为模型假设示意图。
[0036] 图3为时隙标号不意图。
[0037] 图4为状态转移示意图。
[0038] 图5为运算流程示意图。
[0039] 图6为实例假设示意图。
[0040] 图7为分配方案示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。
[0042] S1、根据TDMA通信网络相关协议作出假设，定义时延抖动的代价函数，具体为：
[0043] 如图2所示，不是一般性地，做出假设：
[0044] Sll、TDMA通信网络的单位时间为一个时帧，一个时帧的时隙数为Μ个，其中，Μ为 不为零的自然数；
[0045] S12、当前可用于分配时隙的数量为Ν个，当前需要给某个网络用户分配L个时隙， 其中，L为不为零的自然数；
[0046] 定义时延抖动代价函数：
[0047] S13、在理想的时隙分配方案中相邻的时隙间隔为
个，在实际的时隙分配方 案中相邻的时隙i与时隙j的间隔为
，其中，如图3所 示，tab (j)为时隙 j 的标号，tab (i)为时隙 i 的标号，i = 1，2, 3, · · ·，N，j = 1，2, 3, · · ·，N ;
[0049] S14、分配时隙i，j付出的抖动代价函数为
[0050] S2、根据TDMA通信网络相关协议和随机状态转移理论进行建模，具体为：
[0051] S21、把每一种可用于分配的时隙认为是一个独立的状态s，则有状态集合S = {Si, S2, ···, Si, ···, SN !, SN}；
[0052] S22、设每个状态到下一个状态的转移概率是等概率的，则根据随机过程相关理论 可知
，该过程是其次马 尔科夫过程；
[0053] S23、定义一步代价矩阵：
，其中，所述一步代价矩阵P中 的元素含义为从状态Si到状态s /斤付出的概率；
[0054] S24、分配N个时隙需要N步的状态转移，则由马尔可夫链的齐 次性和S23所述一步代价矩阵P可知η(1 < η < N)的状态转移矩阵为
，其中，一步状态转移期望代价为
，一步状态转移代价矩阵为
[0055] S25、η步代价矩阵表示为
[0056] 326、定义路径矩阵？&也(11)，具体为：
[0057] S261、设
为状态集{s1>S2}的一步状态转移所付出的代价期望矩阵有
，