技术领域本发明涉及无线通信领域，特别是指一种基于后向阀门的数据包传输调度方法和装置。
背景技术：
在能源日益紧张的背景下，追求较高的能量效率是无线通信发展的一个重要目标，而低能耗数据包传输是实现未来无线通信较高能量效率的关键部分。对于给定大小的数据包，传输速率越小，传输时间越长，相应的传输能耗就越小。下面将以AWGN(additivewhiteGaussiannoise，高斯白噪声)传输信道为例，结合香农定理说明以上结论。在给定信道带宽B及噪声功率谱密度N0的情况下，香农定理描述了信道容量即可达的传输速率R与信号功率P的关系，如下式所示：R=Blog2(1+PλN0B)]]>其中λ为路径损耗因子。从上式中可以得知，在要求的传输速率R下，信号功率P(R)可以表示为：P(R)=N0Bλ(2R/B-1)]]>从上式可知，对于一个给定大小为l的数据包，如果传输速率为R，所需传输时间为l/R，传输能耗E(R)为：E(R)=N0BlRλ(2R/B-1)]]>可以看出，传输速率越小，传输能耗就越低。然而，对于任何一个给定的数据包，传输速率不能任意小，即传输时间不能无限制地长。一方面，由于时延的限制，数据包需要在截止时刻之前传输完毕；另一方面，如果传输某个数据包占用了大量时间，就会使得随后的数据包传输时间很短，这可能反而会增加整体传输能耗。对于一系列数据包，实现较低的传输能耗需结合数据包的到达时间，截止时间进行相应的调度。针对在相同时刻到达但具有不同传输截止时刻要求的一系列大小不同的数据包，并考虑低复杂度低能耗传输调度。图1给出了典型的场景示例，要求在在初始时刻到达的数据包在各自的截止时刻之前传输完毕。如图1所示，记数据包的数目为N，共同的到达时刻t0记为0时刻，对第n个数据包，其截止时刻为tn，数据包大小为ln。设数据包按截止顺序编号，即：0＝t0＜t1＜t2＜…＜tN此外，用dn来表示第n-1及n个包的截止时间间隔，即dn＝tn-tn-1，这里dn可能具有不同的大小。对于上述场景，一般有如下两种方案：现有技术一：根据数据包截止时间间隔进行传输是一种很直观的数据包传输调度策略，在这种方案下，每个数据包在上一个包截止后才开始传输，并且在该数据包截止时刻正好传完，即ln的数据量在dn的时间内传输。如此，第n个数据包即时刻tn-1至tn的传输速率可以表示为下式所示。R(t)=rn=lndn(tn-1≤ttn)]]>该方案中，根据包截止时间间隔传输调度算法具有较低的复杂度，然而其并不能保证较低的传输能耗，尤其是在各个数据包传输速率rn差异较大的情况下所需传输能耗离最小传输能耗差距较大。现有技术二：为了实现最低能耗数据包传输调度，M.A.Zafer等人提出了利用数据包累积截止曲线来搜索各个时间段的最佳传输速率。以图2中的5个数据包传输为例，呈阶梯上升的折线为截止曲线D(t)，描述了在不同时刻已经传输截止的数据量，即最小要求传输量，可以得到连续折线C(t)为传输曲线，描述了在不同时刻已经传输的数据量，显然有C(t)≥D(t)，即数据包必须在截止前传输完毕；此外，要求(在图2中N＝5)，即在最后数据包截止时刻传输量等于所有数据包的总和。设传输曲线被分成M个传输段，并且第m传输段的起始时刻记为Tm，速率大小记为Rm。最低能耗传输曲线应该是以D(t)为边界，以(t0,0)及为端点的具有最短长度的曲线。具体实现方式为：记T1＝t0且(T1,0)为传输曲线第一传输段的起点，连接该点及各点，找出能得到最大斜率线段的点，记相应的时刻为T2，为第一传输段的终点及第二传输段的起点，且该最大斜率即为第一传输段的传输速率；同理，对于第m传输段，连接起点及各点，记能得到最大斜率线段的点为Tm+1，即为第m传输段的终点及第m+1传输段的起点，且该最大斜率为第m传输段的传输速率；不断重复以上过程，直至Tm+1＝tN，便得到整个传输曲线。该算法具体描述为下式所示。Tm+1=argmaxtn(tn>Tm)(D(tn+)-D(Tm+)tn-Tm)R(t)=Rm=max(tn>Tm)(D(tn+)-D(Tm+)tn-Tm)(Tm≤tTm+1)]]>对于图2中5个数据包的情况，最低能耗传输曲线包含两个传输段，即M＝2，其中第1，2个数据包作为第1传输段，第3，4，5个数据包作为第2传输段。该方案中，实现了最低能耗数据包传输，但其需要对传输曲线的每一个传输段对斜率进行遍历搜索，具有较高的计算复杂度。对于N个数据包及M个传输段，计算复杂度为O(MN)。
技术实现要素：
本发明提供一种基于后向阀门的数据包传输调度方法和装置，能够实现最低能耗数据包传输的传输调度，并且具有低复杂度。为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：一方面，本发明提供一种基于后向阀门的数据包传输调度方法，包括：步骤1：设定M＝0，其中，M为传输段数；步骤2：将n从1遍历到N，同时执行步骤3至步骤5，遍历完毕后，转至步骤8，其中，n为待处理的数据包的序号，N为数据包的总数；步骤3：将第n个数据包当作第M+1传输段，该传输段数据量为LM+1＝ln，起始时刻为TM+1＝tn-1，结束时刻为TM+2＝tn，该传输段长度为DM+1＝TM+2-TM+1，传输速率为RM+1＝LM+1/DM+1，其中，tn为第n个数据包的截止时刻，ln为第n个数据包的大小；步骤4：更新传输段数目为M＝M+1；步骤5：当M>1且RM≥RM-1时，执行步骤6至步骤7，否则，返回步骤2执行下一次遍历；步骤6：将第M-1传输段及第M传输段合并为新的第M-1传输段，该传输段的数据量为LM-1＝LM-1+LM，起始时刻仍为原来第M-1传输段的起始时刻，结束时刻更新为TM＝TM+1，传输段长度为DM-1＝DM-1+DM，传输速率为RM-1＝LM-1/DM-1；步骤7：更新传输段数目为M＝M-1，并转至步骤5；步骤8：得到传输速率随时间的变化情况为R(t)＝Rm，其中Tm≤t<Tm+1，1≤m≤M，并据此进行数据包的传输。与上述方法对应的，本发明提供一种基于后向阀门的数据包传输调度装置，包括：初值设置模块，用于设定M＝0，其中，M为初始传输段数；循环模块，用于将n从1遍历到N，同时执行传输段设置模块、第一计数模块、比较模块，遍历完毕后，转至传输模块，其中，n为待处理的数据包的序号，N为数据包的总数；传输段设置模块，用于将第n个数据包当作第M+1传输段，该传输段数据量为LM+1＝ln，起始时刻为TM+1＝tn-1，结束时刻为TM+2＝tn，该传输段长度为DM+1＝TM+2-TM+1，传输速率为RM+1＝LM+1/DM+1，其中，tn为第n个数据包的截止时刻，ln为第n个数据包的大小；第一计数模块，用于更新传输段数目为M＝M+1；比较模块，用于当M>1且RM≥RM-1时，转至传输段合并模块和第二计数模块，否则，返回循环模块执行下一次遍历；传输段合并模块，用于将第M-1传输段及第M传输段合并为新的第M-1传输段，该传输段的数据量为LM-1＝LM-1+LM，起始时刻仍为原来第M-1传输段的起始时刻，结束时刻更新为TM＝TM+1，传输段长度为DM-1＝DM-1+DM，传输速率为RM-1＝LM-1/DM-1；第二计数模块，用于更新传输段数目为M＝M-1，并转至比较模块；传输模块，用于得到传输速率随时间的变化情况为R(t)＝Rm，其中Tm≤t<Tm+1，1≤m≤M，并据此进行数据包的传输。进一步的，所述基于后向阀门的数据包传输调度装置为具有无线通信功能的智能设备，包括但不限于PC、手机或平板电脑。本发明有以下有益效果：与现有技术相比，本发明的基于后向阀门的数据包传输调度方法中，采用后向阀门模型来实现数据包传输调度，整个传输时间由数据包截止时刻分成了N个区间，每个区间被看作一个容器，各个容器按数据包的截止顺序从左至右排列，而数据包被看作液体，每个空容器内液体的初始体积即为数据包大小，液体的高度代表传输速率大小。在相邻容器间共存在N-1个后向阀门，后向阀门的特点是允许液体从右流向左，但不能从左流向右。具体实现流程为：按照时间顺序，每一个新截止的数据包被考虑成为一个新的传输段，其传输速率为ln/dn；打开该传输段左边的阀门，如果新的这一传输段的传输速率大于或等于它前面的传输段，将这两个传输段合并为一个新的传输段，并将传输速率更新为加权平均值；不断重复比较新合并的传输段及它前面的传输段，如果前者传输速率大于或等于后者，再次合并，直至新合并的传输段比它前面的传输段的传输速率小或它前面不存在其它传输段，即实现了最低能耗传输。该方法中共涉及三种运算类型，即比较运算、加/减运算以及乘/除法运算，相对而言乘/除法运算的次数直接决定整个算法的计算复杂度。可以看出，对每一个数据包及每一次传输段合并，都涉及一次除法运算，考虑N个数据包及M个传输段，传输段合并次数为N-M，那么整个除法的次数为N+(N-M)＝2N-M，故复杂度可以表示为O(N)，即是相对于数据包数目N的线性复杂度，复杂度低。附图说明图1为本发明中的数据包传输场景示意图；图2为本发明中的现有技术二的传输曲线示意图；图3为本发明中的引理一证明示意图；图4为本发明中的最低能耗传输的唯一性证明示意图；图5为本发明中的后向阀门模型的示意图；图6为本发明中的后向阀门算法的实例示意图；图7为本发明中的数据包传输能耗比较曲线图；图8为本发明中的数据包传输调度计算复杂度比较曲线图。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。首先，介绍本发明涉及到的理论基础：最低能耗传输的相关定理：定理一：对于最低能耗数据包传输，在每一个包截止时间间隔区间dn内，传输速率是恒定不变的。证明：由于信号功率是传输速率的凸函数，根据Jensen不等式可以得到：P(∫tn-1tnR(t)dt∫tn-1tndt)≤∫tn-1tnP(R(t))dt∫tn-1tndt]]>由∫tn-1tndt=tn-tn-1=dn]]>可知P(rn)·dn≤∫tn-1tnP(R(t))dt]]>其中为区间dn内的平均传输速率。上式中右半部分是在dn内按速率R(t)传输的能耗，而左半部分是按平均传输速率传输的能耗。可以得知，如果在dn内传输速率不是恒定值，那么只要把传输速率调整为平均值rn就会更节能。同时，在dn内除了端点处之外没有数据包有传输截止的要求，所以在保证dn内传输数据总量不变的前提下，调整传输速率至均值并不会违背数据包必须在截止前传输完毕的条件。因此，对于最低能耗数据包传输，传输速率在每一个包截止时间间隔区间dn内是恒定不变的。引理一：考虑两段区间dn及dn+1，假定总数据传输量恒定不变，如果这两段的传输速率大小差异越小，则越节能。证明：图3给出了信号功率随传输速率的变化曲线。假定在某种调度方案下，区间dn及dn+1的传输速率分别为rn及rn+1，并且rn>rn+1。在保证数据包必须在截止前传输完毕的前提下，通过将区间dn内传输的部分数据移至区间dn+1内传输，得到这两个区间新的传输速率为rn'和r′n+1，并有rn＞rn'≥r′n+1＞rn+1。如果把dn及dn+1看作一个整体区间，由定理一可知，当rn'＝r′n+1时最节能，不过，由于在tn时刻截止的包不可能在dn+1区间传输这个限制条件，这种最节能的条件不一定得以满足。然而，即使在rn'＞r′n+1的情况下，也比移动前的传输速率rn及rn+1更节能。由于P(R)是凸函数，可以得出：P(rn)-P(rn′)rn-rn′>P(rn+1′)-P(rn+1)rn+1′-rn+1]]>根据区间dn内减少的数据量等于dn+1内增加的数据量，可知(rn-rn')dn＝(r′n+1-rn+1)dn+1，因此可以得到：P(rn')dn+P(r′n+1)dn+1＜P(rn)dn+P(rn+1)dn+1上式中右边是移动前的传输耗能，而左边是按移动后的数据传输速率进行传输的耗能。可以看出，在区间dn及dn+1总数据传输量不变的情况下，如果它们的传输速率大小差异越小，则越节能。定理二：对于最低能耗数据包传输，在整个传输时间区间[0,T)内，传输速率随时间是非增变化的。证明：在每一个时间区间dn内，由定理一可知传输速率应该是恒定值才能保证最节能，因此非增特性满足。这样，定理二的表述等价于对任意两个相邻区间dn及dn+1，最低能耗传输方案要求rn≥rn+1。假定rn<rn+1，由引理可知，可以将区间dn+1内传输的部分数据移至区间dn传输，并使这两个区间具有相同的传输速率(rndn+rn+1dn+1)/(dn+dn+1)(注：将数据传输从后面的时间区间移至前面的时间区间不会造成数据包已经截止还未传输完毕的情况，而从前面的区间移至后面的区间需要兼顾这个约束)。综上可知，对于最低能耗传输，一定满足rn≥rn+1，定理二得证。定理三：对于最低能耗数据包传输，如果传输速率在tn(1≤n<N)时刻减小，那么在该时刻正好只传输了前面n个已经截止的数据包，而后面的数据包尚未开始传输。证明：定理三等价于如果rn+1<rn，那么在tn时刻正好只有前面截止的n个数据包传送完毕，而后面的数据包尚未开始传输。假定在这种情况下后面的数据包有部分数据已经传输，不妨设在区间dn内传输，根据引理，可以将dn内的部分属于后面数据包(前n个数据包之外的包)的数据移至dn+1内传输，rn与rn+1的差异就会减小并更节能。因此，对于最低能耗传输，定理三必定成立。相反，如果只有前n个数据包在tn时刻传送完毕并且rn>rn+1，将区间dn内的部分数据移动区间dn+1内传输是不现实的(这些数据在tn时刻已经截止，必须在tn时刻前传输)，所以这种情况下传输速率减小是可能的。综合以上定理，对于最低能耗数据包传输，传输速率只有在某个数据包截止时刻并且在该时刻只传输了已经截止的数据包的情况下才会降低，而在其它情况下都维持不变。最低能耗传输的唯一性最低能耗数据包传输调度需要满足以上三条定理，而以上三条定理也决定了唯一的传输策略，其必定满足最低能耗要求。考虑服从上述三个定理的传输策略一，设传输速率变化点为{T1,T2，…,TM,TM+1