CN106455017A - 基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法，包括步骤：将在某个时间窗口内的到达的数据包分为两类，第一类通过最高能效传输时间传输，即没有截止时刻限制下的最少能耗传输时间来进行传输，发射端每传输完一组第一类包便进入休息状态，直至下一个数据包到达时重新进入工作状态；第二类使用基于迭代的方法来确定其传输时间，使得系统的总能耗最小的调度方案相同，发射端在传输第二类数据包时保持工作状态。本发明以降低系统总能耗为原则，由于数据包使用最高能效的传输时间进行传输，发射器可以处于关闭状态，从而节省整个系统的能量消耗。

Description

基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其是一种基于非理想电路损耗的多接收端系统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。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。

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，无线数据流传输机制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高斯白噪声时不变点对点信道中的能效传输，即系统中具有一个发射端，一个接收端。然而在当前实际的无线通信系统中，信道多种多样，存在多址接入信道、广播信道、多输入多输出信道。现有技术中并未考虑更具一般性的系统模型，即系统具有多个接收端。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种在具有非理想电路损耗的高斯白噪声时不变信道中，考虑具有单个发射端、多个接收端的系统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系统总能耗的方法，本发明提出基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法。

技术方案：本发明提出的技术方案为：

基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法，所述多接收端系统包括单个发射端和若干接收端；该方法包括步骤：

(1)发射端获取时间窗[0，τ]内到达数据包的到达时刻、截止时刻和数据包大小，并按照数据包的到达时刻对这些数据包进行排序，最早到达的数据包序号最小；

(2)定义j表示迭代次数，令j＝1；初始化m₀＝k₀＝s₀＝q₀＝0；

(3)找出第j轮迭代中第一个破坏因果性限制条件或截止时刻限制条件的数据包m_j；

(4)判断步骤(3)得到的m_j是否为破坏因果性限制条件的数据包；若判断结果为是，发射端从时刻开始以最高能效的传输时间传输数据包到m_j，在包m_j传输完成时刻到包m_j+1到达时刻之间，发射器处于休息状态；若判断结果为否，则不能决定数据包m_j-1+1到m_j的开始传输时刻和传输时间；

(5)步骤(4)完成后，令j＝j+1，返回步骤(3)，当所有数据包均被考虑一遍后停止迭代并进入步骤(6)；

(6)将剩余未确定开始传输时刻和传输时间的数据包按照到达时刻重新排序，形成数据包集合为剩余的数据包确定开始传输时刻和传输时间，包括步骤：

(6-1)定义k表示迭代次数，表示第k轮迭代中数据包i的开始传输时刻，表示第k轮中数据包i的传输时间，初始化k＝0，则

(6-2)令k＝k+1，对任意两个序号相邻的数据包构建局部能量最小化模型：

在不变的条件下求解该模型，式中，ω_i表示传输第i个包所需要的能量消耗；转入步骤(4-4)；

(6-3)判断是否满足若判断结果为否，则返回步骤(6-2)；否则，结束迭代。

进一步的，所述步骤(3)中在第j轮迭代中找出第一个破坏因果性限制条件或截止时刻限制条件的数据包的方式为：

m_j＝min(k_j，s_j)

式中，k_j为第j轮迭代中第一个破坏因果性限制条件的数据包；s_j为第j轮迭代中第一个破坏截止时刻限制条件的数据包；q_j表示数据包m_j的缓冲时间，M表示时间窗[0，τ]内到达的数据包的总数；τ_ei表示数据包i的最高能效传输时间；t_i表示数据包i的到达时刻；T_i表示数据包i的截止时刻；e_i＝t_i+1-t_i表示数据包i和数据包i+1之间的到达时间间隔。

进一步的，所述最高能效传输时间的计算方法为：

式中，B_i表示数据包i的大小，W表示朗伯W函数，α表示电路损耗，表示发射端和预期的数据包i的接收者u_i之间的信道增益，σ²表示噪声方差。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1本发明考虑了在信号处理过程中，由放大器、滤波器、DSP、整流器、振荡器等引起的电路损耗，符合实际无线通信场景的要求。

2本发明考虑具有多个接收端的系统模型，对已有点对点信道的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。

3本发明提出了新颖的基于迭代的方法，将被传输的数据包分为两种类型，一类数据包通过使用最高能效的传输时间传输，另一类数据包使用基于迭代的方法来确定其传输时间，有效地降低了系统的总能量消耗。

附图说明

图1为以数据包到达率为自变量，系统采用本发明所提出的技术方案与采用现有机制的总能耗对比图；

图2为以数据包截止时刻限制为自变量，系统采用本发明所提出的技术方案与采用现有机制的总能耗对比图。

具体实施方式

本发明是在具有非理想电路损耗的高斯白噪声时不变信道中，考虑具有单个发射端、多个接收端的系统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系统总能耗的方法。下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例：本实例以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)，5个接收端(基站或移动用户)，电路损耗为3W。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。

本实施例中接收端的工作流程如下：

(1)发射端按照数据包的到达时刻对这些数据包进行排序，最早到达的数据包序号最小；

(2)根据公式(1)计算数据包i的最高能效传输时间，即没有截止时刻限制下的最少能耗传输时间：

式中，B_i表示数据包i的大小，W表示朗伯W函数，α表示电路损耗，表示发射端和预期的数据包i的接收者u_i之间的信道增益，σ²表示噪声方差；

(3)初始化迭代变量：设m₀＝k₀＝s₀＝q₀＝0，j＝1，t_i表示数据包i的到达时刻，T_i表示数据包i的截止时刻，e_i＝t_i+1-t_i表示数据包i+1和数据包i之间的到达时间间隔。

(4)根据公式(2)、(3)、(4)、(5)找到在第j轮迭代中，第一个破坏因果性限制或截止时刻限制条件的数据包序号m_j：

m_j＝min(k_j，s_j) (5)

式中，k_j为第j轮迭代中第一个破坏因果性限制条件的数据包；s_j为第j轮迭代中第一个破坏截止时刻限制条件的数据包；q_j表示数据包m_j的缓冲时间，M表示时间窗[0，τ]内到达的数据包的总数；τ_ei表示数据包i的最高能效传输时间；t_i表示数据包i的到达时刻；T_i表示数据包i的截止时刻；e_i＝t_i+1-t_i表示数据包i和数据包i+1之间的到达时间间隔；

(5)根据步骤(4)的计算结果，如果m_j＝s_j，不能决定包m_j-1+1到包m_j的传输时间；如果m_j＝k_j，那么将一组连续的数据包m_j-1+1到m_j分为第一类数据包，从时刻，发射端开始用最高能效的传输时间传输数据包m_j-1+1到m_j，直到包m_j传输完毕，在包m_j传输完的时刻到包m_j+1的到达时刻之间，发射器处于休息状态。

(6)步骤(5)结束后，将作为新的起点，更新j＝j+1，返回步骤(4)，直至所有数据包被考虑一遍后转入步骤(7)。

(7)发射端将剩余未确定开始传输时刻和传输时间的数据包分为第二类数据包，并未第二类数据包确定开始传输时刻和传输时间，具体实现方法如下：

(7-1)初始化迭代变量：设k＝0，其中k表示第k轮迭代；重新分配的序列号集合声其中N表示数据包的总数；t_i，T_i，分别表示第i个数据包的到达时刻，截止时刻以及在第k轮中包i的开始传输时刻和传输时间，其中初始化包的到达时刻为包的传输时刻，即初始化第i个包的传输时间为：

(7-2)第k次迭代中，依次对包i和包i+1进行局部最优化求解。固定和使保持恒定，根据公式(6)找到使得传输这两个包消耗的局部能量最小的包i+1的开始传输时刻：

更新k＝k+1，则转入步骤(7-3)；ω_i表示传输第i个包所需要的能量消耗；

(7-3)判断此轮迭代更新后的状态和上轮迭代更新后的状态是否相同，即是否满足若满足，则停止迭代，否则返回步骤(7-2)。

如图1所示为以数据包到达率为自变量，系统采用本发明所提出的技术方案与采用现有机制的总能耗对比图；对于图1的设置，发送端在时间窗[0，80]内根据不同的包到达率0.1、0.2、…、1.0包/秒产生连续的包序列。每个包的截止时刻设为1s，每个包的大小设为1KBits。由图1可以看出，随着数据包到达率由0.1包/秒增至1.0包/秒，我们提出的能效传输方法优于现有传输机制。同时，由于数据包到达率的增加，包序列的总大小增加，因此，两种机制的总传输能耗增加。当包到达率从0.4包/秒变化至0.5包/秒时，传输总能耗迅速增大。这是因为，在包到达率小于0.4包/秒时，这里将存在许多空闲时段，发射器可以处于关闭状态从而节省大量电路耗能。但是，当包到达率大于0.5包/秒，发射器将一直处于开的状态，从而消耗大量的能量。

图2为以数据包截止时刻限制为自变量，系统采用本发明所提出的技术方案与采用现有机制的总能耗对比图。图2的设置为：发送端在时间窗[0，500]内存在500个包需要被传输，数据包具有不同的截止时刻限制0.2、0.4、…、1.8秒。图1、图2的仿真结果都是在1000次仿真结果中取平均值。由图2可以看出，本发明提出的能效传输方法在不同的数据包截止时刻限制的情况下总是要优于现有传输机制，并且随着包的截止时刻的增大，截止时刻限制条件变得越来越松，能耗越来越小，进而所有的包都可以以最高能效的传输时间进行传输，能耗不再改变。

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。

Claims (3)

1.基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法，其特征在于，所述多接收端系统包括单个发射端和若干接收端；该方法包括步骤：

(1)发射端获取时间窗[0，τ]内到达数据包的到达时刻、截止时刻和数据包大小，并按照数据包的到达时刻对这些数据包进行排序，最早到达的数据包序号最小；

(2)定义j表示迭代次数，令j＝1；初始化m₀＝k₀＝s₀＝q₀＝0；

(3)找出第j轮迭代中第一个破坏因果性限制条件或截止时刻限制条件的数据包m_j；

(4)判断步骤(3)得到的m_j是否为破坏因果性限制条件的数据包；若判断结果为是，发射端从时刻开始以最高能效的传输时间传输数据包m_j-1+1到m_j，在包m_j传输完成时刻到包m_j+1到达时刻之间，发射器处于休息状态；若判断结果为否，则不能决定数据包m_j-1+1到m_j的开始传输时刻和传输时间；

(5)步骤(4)完成后，令j＝j+1，返回步骤(3)，当所有数据包均被考虑一遍后停止迭代并进入步骤(6)；

(6)将剩余未确定开始传输时刻和传输时间的数据包按照到达时刻重新排序，形成数据包集合为剩余的数据包确定开始传输时刻和传输时间，包括步骤：

(6-1)定义k表示迭代次数，表示第k轮迭代中数据包i的开始传输时刻，表示第k轮中数据包i的传输时间，初始化k＝0，则

(6-2)令k＝k+1，对任意两个序号相邻的数据包构建局部能量最小化模型：

$s_{i+1}^k=\underset{x\∈\[s_{i+1}^{k-1},\min \{T_i,s_{i+2}^{k-1}\}\]}{\arg \min }{\mathrm{\ω}}_i(x-s_i^k)+{\mathrm{\ω}}_{i+1}(s_{i+2}^{k-1}-x)$

在不变的条件下求解该模型，式中，ω_i表示传输第i个包所需要的能量消耗；转入步骤(4-4)；

(6-3)判断是否满足若判断结果为否，则返回步骤(6-2)；否则，结束迭代。

2.根据权利要求1所述的基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法，其特征在于，所述步骤(3)中在第j轮迭代中找出第一个破坏因果性限制条件或截止时刻限制条件的数据包的方式为：

$k_j=m_{j-1}+\underset{k=1,2,...,M-m_{j-1}}{min}\{k:q_{j-1}+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&tau;}}_{e(m_{j-1}+i)}<\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{e}_{m_{j-1}+i}\}$

$s_j=m_{j-1}+\underset{s=1,2,...,M-m_{j-1}}{min}\{s:t_{m_{j-1}+1}+q_{j-1}+\underset{i=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&tau;}}_{e(m_{j-1}+i)}\&GreaterEqual;T_s\}$

$q_j=\left\{\begin{array}{cc}0& \begin{array}{cc}if& m_j=k_j\end{array}\\ T_{m_j}-\underset{i=1}{\overset{m_j}{\&Sigma;}}{e}_i& otherwise\end{array}\right.$

m_j＝min(k_j，s_j)

式中，k_j为第j轮迭代中第一个破坏因果性限制条件的数据包；s_j为第j轮迭代中第一个破坏截止时刻限制条件的数据包；q_j表示数据包m_j的缓冲时间，M表示时间窗[0，τ]内到达的数据包的总数；τ_ei表示数据包i的最高能效传输时间；t_i表示数据包i的到达时刻；T_i表示数据包i的截止时刻；e_i＝t_i+1-t_i表示数据包i和数据包i+1之间的到达时间间隔。

3.根据权利要求2所述的基于非理想电路损耗的多接收端系统能效数据流传输方法，其特征在于，所述最高能效传输时间的计算方法为：

${\mathrm{\&tau;}}_{ei}=\frac{2B_i\&CenterDot;\ln 2}{W\left(\frac{{\mathrm{\&alpha;h}}_{u_i}/{\mathrm{\&sigma;}}^2-1}{e}\right)+1}$

式中，B_i表示数据包i的大小，W表示朗伯W函数，α表示电路损耗，表示发射端和预期的数据包i的接收者u_i之间的信道增益，σ²表示噪声方差。