CN101448326B - 一种数据访问方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据访问方法，所述方法包括以下步骤：获取终端的最佳发送概率；当所述终端需要从服务器获取数据时，根据所述最佳发送概率向服务器发送请求；在下一周期，所述终端接收服务器发送的数据。本发明避免了终端之间的协商，有效减小了系统开销和延时，节省了能量；终端以选定的最优概率值来确定是否要发送请求，有效减少了冗余请求，一方面节省了能量，另一方面减少了数据包冲突，提高了系统效率；从而有效延长了终端电源的使用时间；支持基于PMP的网络体系架构；系统复杂度低，实现简单，且具有很强的扩展性。

Description

一种数据访问方法

技术领域

本发明涉及宽带无线通信网络技术领域，特别是涉及一种数据访问方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，无线移动终端(例如手机、PDA、笔记本电脑等)越来越普及，无线网络的应用范围也越来越广。无线网络的一个应用是按需的数据访问，也就是将所有数据存储在某特定的服务器中，无线终端可以根据需要向该服务器发送请求，从而获得所需要的数据。该技术可以广泛应用于无线数据点播以及无线视频点播中。但是，目前常用的随机访问技术是时隙ALOHA方式，它并不是一种高效的方法，因此能有效地实现按需数据访问是一个新时期需要解决的重要问题。

现有的无线网络技术主要有IEEE 802.11系列标准、IEEE 802.16系列标准、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等。但在这些技术规范中并没有考虑按需数据访问的特殊性。若利用它们实现无线数据点播等类似业务，会造成一定程度的终端能量浪费。另一方面，考虑到无线终端的能量有限，因此，上述通用技术不适合用于按需数据访问业务。

现有技术的基于PMP(Point-to-Multipoint，点到多点)拓扑结构的网络，如图1所示。该网络中有一个服务器和多个无线终端，终端与服务器之间是通过无线链路连接。网络拥有一个上行信道和一个下行信道。终端利用上行信道向服务器发送数据下载请求，为了节省能量，要求终端不监听上行信道，因此每个终端不可能知道其他终端是否发送下载请求；服务器利用下行信道向所有终端广播数据。

该网络的基本系统模型如图2所示。该系统以L秒为一个操作周期。在每个周期内，终端会根据需求不定时地向服务器发送请求，要求服务器广播所需要的数据，如图2所示，q_i(d_a)表示终端i发送请求，要求服务器广播数据d_a。然后，再下一个周期的开始时刻，服务器检查自己已经成功接收到的请求，并根据这些请求向所有终端广播对应的数据。与此同时，每个终端会监听服务器的广播数据，检查是否有自己需要的数据：如果有，终端接收数据，本次请求完成；如果没有，终端将重新发送请求并等待下一次广播。终端执行该程序，直到成功接收到所需要的数据为止。

在上述的基本操作中存在以下两个问题：

第一，没有考虑请求数据包之间发生碰撞的影响。因为只有一个上行信道，所以它是被所有终端共享的。如果不同终端在同一时刻发送数据下载请求，那么携带请求数据的数据包会发生碰撞，于是服务器无法正确接收这些发生碰撞的请求。在这种情况下，终端可能会在下一周期再次发送请求。这一方面会造成终端能量浪费，另一方面会降低上行信道的使用效率，导致终端的等待时间增大。

第二，可能会有冗余请求。由于每个终端不知道其他终端是否发送请求的情况，因此在一个周期内，可能有多个终端发送请求，要求服务器广播相同的数据。如图2所示，在时间t到时间t+L内，终端j和k都要求服务器发送数据。实际上，这种情况并不需要两个请求，只要其中一个请求发送成功，两个终端都会在下个周期接收到所需要的数据。也就是说，当某个节点需要获得数据时，即使它不向服务器发送请求，它也有可能收到所需要的数据。显然，冗余请求一方面会造成能量浪费，另一方面会加剧碰撞的发生。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种数据访问方法，在终端能量受限的无线网络中，有效地实现按需的数据访问，以达到节省能量， 延长终端电源使用时间的目的。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种数据访问方法，所述方法包括以下步骤：

根据公式

$s^{*}=\frac{(4\mathrm{\α}{p}_s+4p_s-2){\mathrm{\χ}}^2-(1-\mathrm{\α}{p}_s)\mathrm{\χ}-1}{(4\mathrm{\α}{p}_s^2+6p_s^2-4p_s){\mathrm{\χ}}^2-2p_s^2\mathrm{\χ}}$

获取终端的最佳发送概率；

其中，s^*是终端的最佳发送概率；

χ＝(1-s^*p_s)^(m-1)；

m是在当前周期希望得到同一个数据的终端的个数；

p_s是每个请求的平均碰撞概率；

$\mathrm{\α}=\frac{E_w}{E_s};$

E_s是终端向服务器发送一个请求消耗的能量；

E_w是在每个周期的开始，终端等待接收数据但没有接收到数据消耗的能量；

当所述终端需要从服务器获取数据时，根据所述最佳发送概率向服务器发送请求；

在下一周期，所述终端接收服务器发送的数据。

其中，当所述终端没有接收到服务器发送的数据时，所述方法还包括：判断所述终端向服务器发送请求的次数是否大于预先设定的阈值，如果否，则再次根据所述最佳发送概率向服务器发送请求。

其中，如果所述终端向服务器发送请求的次数大于预先设定的阈值，则所述终端以概率1向服务器发送请求。

其中，所述预先设定的阈值为2。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明实施例避免了终端之间的协商，有效减小了系统开销和延时，节省了能量；终端以选定的最优概率值来确定是否要发送请求， 有效减少了冗余请求，一方面节省了能量，另一方面减少了数据包冲突，提高了系统效率；从而有效延长了终端电源的使用时间；支持基于PMP的网络体系架构；系统复杂度低，实现简单，且具有很强的扩展性。

附图说明

图1是现有技术的一种基于点到多点拓扑结构的网络图；

图2是图1中该网络的基本系统模型图；

图3是本发明实施例的一种基本系统模型图；

图4是本发明实施例的一种终端的工作流程图；

图5是本发明实施例的一种服务器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在按需数据访问网络中，减少不必要的请求可以减少能量消耗，减少请求数据包的碰撞，从而达到提高系统效率，增加终端电源的使用时间的目的。也就是说，当一个终端需要获取某个数据时，它可以依某个概率发送请求，以达到减小能耗、减少碰撞的目的。而确定终端发送请求的最佳概率就成为解决问题的关键。

通常，节点间需要进行一定程度的合作才能确定节点发送请求的最佳概率。在分布式的网络中，用于节点合作的数据开销会消耗能量，并增加系统延时。为了解决这个问题，本发明用非合作博弈来描述按需的数据访问，并利用博弈论的相关理论来得到终端发送请求的最佳概率值。

为了更清楚地描述该非合作数据访问博弈，本发明引入下列符号：

N：N＝{1，2，...n}，所有终端的集合。

E_total：每个终端的总能量。

E_UL ⁱ：从准备发送一个请求到接收到相应的数据，终端i平均消耗的发送能量。

E_DL ⁱ：终端i接收一个数据包平均消耗的能量。

E_s：终端向服务器发送一个请求消耗的能量。

E_w：在每个周期的开始，终端等待接收数据但没有接收到数据消耗的能量。

α：参数， $\mathrm{\α}=\frac{E_w}{E_s}.$

s_i：终端i的策略，也就是i发送请求的概率，0≤s_i≤1。

s：s＝(s₁，s₂，...s_n)，在某个周期内，所有终端发送概率的联合。

S：S＝{s|s＝(s₁，s₂，...s_n)}，终端的策略集，即终端联合发送概率的集合。

U_i： $U_i=\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_{\mathrm{UL}}^i+E_{\mathrm{DL}}^i},$ 表示终端i的收益函数，也就是终端i能接收到的总数据包数量。

U：U＝{U_i|i∈N}，表示所有终端的收益函数的集合。

从而，本发明提出的非合作数据访问博弈可以进行如下描述：

非合作数据访问博弈就是一个三元组(N，U，S)。当每个终端都确定了它们的发送概率后，基于联合发送概率s，每个终端会得到相应的收益函数U_i(s)。

本发明的目标是找到使收益函数最大的策略s^*。在非合作数据访问博弈中，s^*就是该博弈的纳什均衡点，其定义如下：

当策略 $s^{*}=\{s_1^{*},s_2^{*},...,s_n^{*}\}$ 满足如下条件：

$U_i\left(s^{*}\right)\≥U_i(s_{-i}^{*},s_i),$ $\∀s_i\∈\left[\mathrm{0,1}\right],$ 其中 $s_{-i}^{*}=\{s_1^{*},s_2^{*},...,s_{i-1}^{*},s_{i+1}^{*},...,s_n^{*}\},$

那么，s^*是终端i的纳什均衡点

为了得到系统的纳什均衡点，本发明采用图3所示的基本系统模型。当终端i需要从服务器获取数据时，终端i以概率s_i ^*决定是否发送请求，并在下一周期准备接收数据。如果没有接收到所需数据，则终端i以概率s_i ^*进行第二次发送。如果在第三个周期的开始仍然没有 接收到所需数据，那么，终端i在第三周期以概率1进行第三次发送。

此外，假定系统满足以下三个条件：

1.所有终端的初始能量相同。

2.服务器经过一段时间的统计可以推断出，在每个周期内，对于任意数据包a，希望得到该数据包的终端数m_a。并且在每个周期的开始，服务器会把这些信息广播给每个终端。

3.经过一段时间的统计，服务器可以计算出每个请求的平均碰撞概率，并会把平均碰撞概率广播给每个终端。

那么，本发明就可以计算出每个终端的最佳发送概率，即纳什均衡点s^*满足下面的式子：

$s^{*}=\frac{(4\mathrm{\α}{p}_s+4p_s-2){\mathrm{\χ}}^2-(1-\mathrm{\α}{p}_s)\mathrm{\χ}-1}{(4\mathrm{\α}{p}_s^2+6p_s^2-4p_s){\mathrm{\χ}}^2-2p_s^2\mathrm{\χ}},$ 其中χ＝(1-s^*p_s)^(m-1)。

在上面的式子中，m表示在当前周期有m个终端希望得到同一个数据，p_s表示每个请求的平均碰撞概率。

终端的工作流程可以概括为图4，服务器的工作流程概括为图5。

作为一个特殊的无线通信系统，本发明提出的基于博弈论的按需数据访问系统有广阔的应用前景。它可以用于小范围内、下行数据流量远大于上行流量的场景，尤其是一部分数据会被频繁访问的场景。本发明可以应用于无线数据下载共享。例如，可以在图书馆，利用该系统来提供资料和文献的查询下载服务。或者在一个公司内部，可以利用该系统来提供公司内部资料的查询和下载服务。此外，该系统也可以用于小区无线视频点播业务。

下面讨论一下系统服务器与终端的实施方式。目前符合IEEE802.11系列标准的发射与终端设备在世界范围内得到了广泛应用。由于本发明主要涉及通信系统的MAC层，因此，我们可以利用符合IEEE 802.11系列标准的硬件设备，通过修改硬件驱动来更改MAC层协议，从而实现本发明提出的基于博弈论的按需数据访问系统。在系统应用初期，为了方便快捷的实现本系统，还可以不修改硬件驱动， 而用应用层程序来模拟基于博弈论的按需数据访问系统。总之，不需要制作专门的硬件设备，只需要修改IEEE 802.11系列硬件设备的驱动或者应用程序，就可以方便快捷的实施本发明。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，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。

Claims (4)

1.一种数据访问方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据公式

$s^{*}=\frac{(4\mathrm{\α}{p}_s+4p_s-2){\mathrm{\χ}}^2-(1-\mathrm{\α}{p}_s)\mathrm{\χ}-1}{(4\mathrm{\α}{p}_s^2+6p_s^2-4p_s){\mathrm{\χ}}^2-2p_s^2\mathrm{\χ}}$

获取终端的最佳发送概率；

其中，s^*是终端的最佳发送概率；

χ＝(1-s^*p_s)^(m-1)；

m是在当前周期希望得到同一个数据的终端的个数；

p_s是每个请求的平均碰撞概率；

$\mathrm{\α}=\frac{E_w}{E_s};$

E_s是终端向服务器发送一个请求消耗的能量；

E_w是在每个周期的开始，终端等待接收数据但没有接收到数据消耗的能量；

当所述终端需要从服务器获取数据时，根据所述最佳发送概率向服务器发送请求；

在下一周期，所述终端接收服务器发送的数据。

2.如权利要求1所述的数据访问方法，其特征在于，当所述终端没有接收到服务器发送的数据时，所述方法还包括：

判断所述终端向服务器发送请求的次数是否大于预先设定的阈值，如果否，则再次根据所述最佳发送概率向服务器发送请求。

3.如权利要求2所述的数据访问方法，其特征在于，如果所述终端向服务器发送请求的次数大于预先设定的阈值，则所述终端以概率1向服务器发送请求。

4.如权利要求2或3所述的数据访问方法，其特征在于，所述预先设定的阈值为2。

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