CN105119845B - 一种非先入先出包的能效数据流传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非先入先出包的能效数据流传输机制，其特征在于：通过拆分‑重组包的方式，将该原始数据包序列转化成“先入先出”包序列，在四种可能的最优情况下，通过“先入先出”包序列的最优传输机制并检测通过该传输机制获取的最优离开曲线的可行性，从而获得最优拆分因子以及原始含一个“非先入先出”包的数据流最优传输机制，降低总传输能耗。该机制以降低总传输能耗为原则，基于拆分‑重组包的方法，寻找最优的拆分因子，从而实现降低包序列的总传输能耗。

Description

一种非先入先出包的能效数据流传输方法

技术领域

本发明是在高斯白噪声时不变信道点对点链路中，考虑含有一个“非先入先出”包的包序列在满足因果性约束和截止时刻约束的前提下,实现能效的传输机制来降低总传输能耗的方法，属于移动通信技术领域。

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。因此，能效这样一个新兴技术的提出，旨在设计新型的通信系统来达到显著的能耗节省来减少通信系统的开销以及碳排放。特别地，无线数据流传输机制的相关研究结果表明，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，随着大量新兴的数据服务的出现，例如VoIP、视频会议、视频直播等，通信服务质量又面临着严峻的挑战，这是因为这些新兴数据业务对传输时延具有极高的要求。因此，当设计能效的实时通信系统时，服务质量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。然而在当前实际的实时无线通信系统中，不同的通信应用和服务对时延具有不同的要求，例如，实时语音、实时视频以及实时游戏具有很高的时延要求；而缓存视频流以及基于TCP的业务对于时延的要求却相对宽松一些。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。例如，微信以及QQ业务中的心跳包就破坏了包序列到达时刻和截止时刻的一致性，因为心跳包对时延有较高的要求，这就可能造成心跳包的截止时刻比它前一个包的截止时刻小。此外，心跳包的发送周期较长，一般为一到数分钟，这足以从时间上将心跳包彼此分开。因此，我们考虑只含有一个“非先入先出”包的系统模型符合该通信场景。我们采用拆分-重组包的方法将整个包序列的截止时刻和达到时刻转化一致，然后四种最优可能情况下采用“先入先出”包序列的最优传输机制并检测器可行性，从而获得可行的最优拆分因子，实现包序列的最优传输，有效地节省了包序列的总传输能耗。因此，我们的发明对于含有类似心跳包的高时延，长发送周期的“非先入先出”包的实时数据流的能效传输具有很高的研究价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种非先入先出包的能效数据流传输方法，该机制在满足包序列因果性约束和截止时刻约束的前提下，实现包序列总传输能耗的最小化。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种非先入先出包的能效数据流传输方法，通过拆分-重组包的方式，将该原始数据包序列转化成“先入先出”包序列，在四种可能的最优情况下，通过“先入先出”包序列的最优传输机制并检测通过该传输机制获取的最优离开曲线的可行性，从而获得最优拆分因子以及原始含一个“非先入先出”包的数据流最优传输机制，降低总传输能耗。

具体实现方法如下：

步骤1：拆分-重组包过程：将到达的包序列表示为对于每个包而言，其关键信息表示为I_i＝(B_i,t_a,i,t_d,i)，其中，B_i、t_a,i和t_d,i，i＝1,...,N，分别表示第i个包的大小、到达时刻和截止时刻；

拆分过程：将“非先入先出包”表示为P_j，j＝2,...,N，那么P_j-1将被拆分成两个子包和大小分别为S_j-1和B_j-1-S_j-1，其中，0≤S_j-1≤B_j-1表示拆分因子；

重组过程：将这N+1个包进行按如下顺序进行重组：其中，表示经过拆分-重组后的包序列，那么，被拆分成的两个子包和的关键信息分别变为(S_j-1,t_a,j-1,t_d,j)和(B_j-1-S_j-1,t_a,j,t_d,j-1)；因此新的包序列中不再含有“非先入先出”包，即，是“先入先出”包序列；

步骤2：最优“先入先出”包序列传输算法：

(1)初始化t₀＝0，D_opt(t₀)＝0和D_opt(T)＝D_min(T)，从起始点(t₀＝0,D_opt(t₀)＝0)用迭代方式获得最优离开曲线D_opt(t)；

(2)找出并且获得最优直线段L₀，其中表示以起始点为起点首先与A(t)(D_min(t))相交的射线的斜率；

(3)获得第一个相交时刻t₁满足L₀(t₁)＝A(t₁)或者L₀(t₁)＝D_min(t₁)，并且设置D_opt(t)＝L₀(t)，其中t∈(t₀,t₁]；

(4)如果t₁＝T，算法结束；否则，将起始点替换成(t₁,D_opt(t₁))，重复第二步和第三步。

其中，T表示包序列的截止时刻，A(t)是到达曲线，表示在[0,t]中到达的总比特数；D_min(t)是最小离开曲线，表示在[0,t]中必须发送完的最小比特数；D(t)是离开曲线，表示在[0,t]中发送的总比特数；D_opt(t)是最优离开曲线，表示最优传输机制下在[0,t]中一共发送的比特数；

步骤3：通过检测四种最优可能情况的可行性来确定最优拆分因子的取值，从而获得最优的传输机制。

步骤3的具体实现方法如下：

(1)令拆分因子S_j-1＝0，进行如步骤1所示的拆分-重组包过程，因此，“非先入先出”包P_j-1没有进行拆分，并且在包P_j传输完后进行传输，因此P_j-1的关键信息变为(B_j-1,t_a,j,t_d,j-1)；拆分-重组后新包序列为：进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线定义如下条件：

其中，b_j-2和b_j-1分别是包P_j-2和P_j-1完全传输完的时刻，和分别表示包P_j-2和P_j-1的传输速率，公式(1)表示P_j-2的传输速率不小于P_j-1的传输速率；因此，如果公式(1)满足，那么就是的最优传输机制，否则，跳至步骤(2)；

(2)令拆分因子S_j-1＝B_j-1，进行如步骤1所示的拆分-重组包过程，因此，“非先入先出”包P_j-1没有进行拆分，并且在包P_j传输前进行传输，因此P_j-1的关键信息变为(B_j-1,t_a,j-1,t_d,j)；拆分-重组后新的包序列为：进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线定义如下条件：

其中，b_j-1和b_j+1分别是包P_j-1和P_j+1完全传输完毕的时刻，和分别表示包P_j-1和P_j+1的传输速率，公式(2)表示P_j-1的传输速率不大于P_j+1的传输速率；因此，如果公式(2)满足，那么就是的最优传输机制，否则，跳至步骤(3)；

(3)将P_j-1和P_j合并成一个包其中，合并包的关键信息为(B_j-1+B_j,t_a,j-1,t_d,j-1)，相应地，进行合并后新的包序列可以表示为：进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线定义如下条件：

其中，公式(3)中第一项是因果性约束，表示到t_a,j时刻为止，通过步骤2所示的算法获得的最优离开曲线不大于此刻的到达曲线A^SAR(t_a,j；S_j-1)；因此，如果公式(3)满足，那么就是的最优传输机制；否则，跳至步骤(4)；

(4)如果步骤(1)-(3)中的可行性要求都不满足，那么最优的传输方式只可能是“非先入先出”包占用整个时间段[t_a,j,t_d,j]进行传输，其最优传输速率为B_j/(t_d,j-t_a,j)。将全部用来进行传输包P_j的时间段[t_a,j,t_d,j]剔除。剩下的N-1个包序列可以表示为：其到达时刻和截止时刻变为：

和

进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线因此，最优拆分因子为最优传输机制为：

终止条件：

当步骤3中可能性(1)-(4)中的任意一个可行性满足时，算法结束。

本发明的有益效果是：

本发明在高斯白噪声时不变信道点对点链路中，考虑含有一个非“先入先出”包以及包序列因果性约束和截止时刻约束的情况下,实行能效的传输机制来降低总传输能耗的方法。该机制以降低总传输能耗为原则，基于拆分-重组包的方法，寻找最优的拆分因子，从而实现降低包序列的总传输能耗。具有以下优点：

1、本发明考虑包序列中包含一个“非先入先出”包的传输模型，符合实际数据流传输中包含有低时延，长发送周期包的场景，例如：包含心跳包的微信业务。

2、本发明提出了新颖的拆分-重组包的方法，将原始数据包序列转化成“先入先出”序列，然后通过在四种可能的最优情况下检测“先入先出”包序列的最优传输机制的可行性来寻找最优拆分因子以及原始含有一个“非先入先出”包的数据流的最优传输机制，有效地节省了包序列传输能耗。

附图说明

图1为采用累积曲线表示的系统模型。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

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)，发送端将先后到达的N(N≥2)个数据包发送给接收端，其中，第j(j≥2)个包为“非先入先出”包。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。

步骤1：将“非先入先出”包P_j的前一个包P_j-1进行拆分-重组操作，那么，拆分-重组后新的包序列为：

步骤2：令S_j-1＝0，按照“先入先出”包序列最优传输机制获取离开曲线如果满足如(1)所示的可行性要求，那么，为最优传输机制，否则，跳至步骤3；

步骤3：令S_j-1＝B_j-1，按照“先入先出”包序列最优传输机制获取离开曲线如果满足如(2)所示的可行性要求，那么，为最优传输机制，否则，跳至步骤4；

步骤4：将包j-1和包j进行合并，新的包序列为：按照“先入先出”包序列最优传输机制获取离开曲线如果满足如(3)所示的可行性要求，那么，为最优传输机制，否则，跳至步骤5；

步骤5：将用于进行传输包P_j的时间段[t_a,j,t_d,j]剔除。剩余的N-1个包可以表示为：该序列相应的到达时刻和截止时刻如公式(4)和(5)所示。按照“先入先出”包序列最优传输机制获取离开曲线那么，最优传输机制可以表示为：

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (1)

1.一种非先入先出包的能效数据流传输方法，其特征在于：通过拆分-重组包的方式，将“非先入先出”包序列转化成“先入先出”包序列，在四种可能的最优情况下，通过“先入先出”包序列的最优传输机制并检测通过该传输机制获取的最优离开曲线的可行性，从而获得最优拆分因子以及原始含一个“非先入先出”包的数据流最优传输机制；具体实现方法如下：

步骤1：拆分-重组包过程：将到达的包序列表示为对于每个包而言，其关键信息表示为I_i＝(B_i,t_a,i,t_d,i)，其中，B_i、t_a,i和t_d,i分别表示第i个包的大小、到达时刻和截止时刻，i＝1,…,N；

拆分过程：将“非先入先出包”表示为P_j，j＝2,...,N，那么P_j-1将被拆分成两个子包和大小分别为S_j-1和B_j-1-S_j-1，其中，0≤S_j-1≤B_j-1表示拆分因子；

重组过程：将这N+1个包进行按如下顺序进行重组：其中，表示经过拆分-重组后的包序列，那么，被拆分成的两个子包和的关键信息分别变为(S_j-1,t_a,j-1,t_d,j)和(B_j-1-S_j-1,t_a,j,t_d,j-1)；因此新的包序列中不再含有“非先入先出”包，即，是“先入先出”包序列；

步骤2：最优“先入先出”包序列传输算法：

(1)初始化t₀＝0，D_opt(t₀)＝0和D_opt(T)＝D_min(T)，从起始点(t₀＝0,D_opt(t₀)＝0)用迭代方式获得最优离开曲线D_opt(t)；

(2)找出并且获得最优直线段L₀，其中F_A、表示以起始点为起点首先与A(t)、D_min(t)分别相交的射线的斜率；

(3)获得第一个相交时刻t₁满足L₀(t₁)＝A(t₁)或者L₀(t₁)＝D_min(t₁)，并且设置D_opt(t)＝L₀(t)，其中t∈(t₀,t₁]；

(4)如果t₁＝T，算法结束；否则，将起始点替换成(t₁,D_opt(t₁))，重复第二步和第三步；

其中，T表示包序列的截止时刻，A(t)是到达曲线，表示在[0,t]中到达的总比特数；D_min(t)是最小离开曲线，表示在[0,t]中必须发送完的最小比特数；D(t)是离开曲线，表示在[0,t]中发送的总比特数；D_opt(t)是最优离开曲线，表示最优传输机制下在[0,t]中一共发送的比特数；

步骤3：通过检测四种最优可能情况的可行性来确定最优拆分因子的取值，从而获得最优的传输机制；步骤3的具体实现方法如下：

(1)令拆分因子S_j-1＝0，进行如步骤1所示的拆分-重组包过程，因此，“非先入先出”包P_j-1没有进行拆分，并且在包P_j传输完后进行传输，因此P_j-1的关键信息变为(B_j-1,t_a,j,t_d,j-1)；拆分-重组后新包序列为：进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线定义如下条件：

其中，b_j-2和b_j-1分别是包P_j-2和P_j-1完全传输完毕的时刻，和分别表示包P_j-2和P_j-1的传输速率，公式(1)表示P_j-2的传输速率不小于P_j-1的传输速率；因此，如果公式(1)满足，那么就是的最优传输机制，否则，跳至步骤(2)；

(2)令拆分因子S_j-1＝B_j-1，进行如步骤1所示的拆分-重组包过程，因此，“非先入先出”包P_j-1没有进行拆分，并且在包P_j传输前进行传输，因此P_j-1的关键信息变为(B_j-1,t_a,j-1,t_d,j)；拆分-重组后新的包序列为：进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线定义如下条件：

其中，b_j-1和b_j+1分别是包P_j-1和P_j+1完全传输完毕的时刻，和分别表示包P_j-1和P_j+1的传输速率，公式(2)表示P_j-1的传输速率不大于P_j+1的传输速率；因此，如果公式(2)满足，那么就是的最优传输机制，否则，跳至步骤(3)；

(3)将P_j-1和P_j合并成一个包其中，合并包的关键信息为(B_j-1+B_j,t_a,j-1,t_d,j-1)，相应地，进行合并后新的包序列可以表示为：进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线定义如下条件：

其中，公式(3)中第一项是因果性约束，表示到t_a,j时刻为止，通过步骤2所示的算法获得的最优离开曲线不大于此刻的到达曲线A^SAR(t_a,j；S_j-1)；因此，如果公式(3)满足，那么就是的最优传输机制；否则，跳至步骤(4)；

(4)如果步骤(1)-(3)中的可行性要求都不满足，那么最优的传输方式只可能是“非先入先出”包占用整个时间段[t_a,j,t_d,j]进行传输，其最优传输速率为B_j/(t_d,j-t_a,j)；将全部用来进行传输包P_j的时间段[t_a,j,t_d,j]剔除，剩下的N-1个包序列可以表示为：其到达时刻和截止时刻变为：

和

进行如步骤2所示的算法获得包序列的最优离开曲线因此，最优拆分因子为最优传输机制为：

终止条件：

当步骤3中可能性(1)-(4)中的任意一个可行性满足时，算法结束。