CN111132292A - 一种依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，在传输总时长内按照数据包到达的先后顺序依次完成所有数据包的传输，同时通过调整每个数据包的开始传输时刻，最小化系统总能量消耗。本发明在优化过程中采用了内部迭代和外部迭代，在内部迭代中，按照数据包到达的先后顺序依次对相邻两个数据包的开始传输时刻进行调整，使得该两个数据包的能量消耗之和最小；每次外部迭代包含N‑1次内部优化，对比当前次外部迭代后与上次外部迭后系统总能量消耗。迭代结束后，计算每个数据包的传输速率，调整该数据包的传输速率等于最优传输速率和计算值中的较大值。本发明能够有效降低系统总能量消耗，并且计算复杂度低。

Description

一种依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法

技术领域

本发明涉及一种离线且考虑电路功率消耗的情况下，依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，属于无线通信技术。

背景技术

随着用户的业务增长，带来了很大的能量消耗，随着5G的发展，移动终端的普及，数据传输所消耗的能量也因此迅速上升。而就环保和可持续发展的角度而言，降低传输能耗成了一个重要的问题。

数据本身存在突发性和不均匀性，而用户又有对时延的需求。用户数突然增大，以及数据本身的突发性和不均匀性，使得原有算法不能满足突发而不均匀的数据包传输要求，传统的即到即传的算法会造成大量的能量损耗，这也给继续优化基站的能量消耗问题带来了进一步探究的契机。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，该方法考虑了电路功率消耗的影响，在规定传输总时长内完成全部数据包传输的基础上，通过设计每个数据包的传输时长使系统总能量消耗最小。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，在传输总时长内按照数据包到达的先后顺序依次完成所有数据包的传输，同时通过调整每个数据包的开始传输时刻和结束传输时刻，最小化系统总能量消耗；在整个调整过程中，始终保持数据包的如下特性。

①每个数据包的开始传输时刻不得早于上一个数据包的结束传输时刻。

②每个数据包的开始传输时刻不得早于该数据包的到达时刻。

③所有数据包的传输时长之和不得大于传输总时长。

④所有数据包按照到达先后顺序依次进行传输。

具体的，该方法包括如下步骤。

（1）参数初始化：传输总时长为T，数据包总个数为N，第i个数据包的大小为B _i ，第i个数据包的到达时刻为T _i ，第i个数据包的开始传输时刻为t _i ，第i个数据包的传输时长为τ _i ，电路功率消耗为p ₀、迭代终止门限为ε。

（2）迭代初始化：令每一个数据包的开始传输时刻与该数据包的到达时刻相同（即t _i =T _i ），后一个数据包的到达时刻为该数据包的结束传输时刻，计算第i个数据包的传输时 长

、存在电路功率消耗情况下数据包的最优传输速率r _ee （使得系统总能量消耗最小）。

（3）内部迭代和外部迭代：在内部迭代中，不考虑电路功率消耗情况下（单个数据包传输占用时间越长，则系统在此数据包上所消耗的能量越小，因此采用本发明提供的内外部迭代方法，前一个数据包的结束传输时刻必定为后一个数据包的开始传输时刻），按照数据包到达的先后顺序依次对相邻两个数据包中后一个数据包的开始传输时刻进行调整，在保证该两个数据包的传输时长之和不变的情况下，使得该两个数据包的能量消耗之和最小，同时确保后一个数据包的开始传输时刻为前一个数据包的结束传输时刻，数据包的开始传输时刻晚于数据包的到达时刻；每次外部迭代包含N-1次内部优化，对比当前次外部迭代后与上次外部迭后系统总能量消耗，根据对比结果判断是否结束迭代，外部迭代次数不确定。

（4）传输速率覆盖：计算第i个数据包的传输速率为r _i =B _i /τ _i ，确定第i个数据包的 最优传输速率为

；在覆盖过程中，确保数据包的开始传输时刻和结 束传输时刻满足前文先后顺序的规定。

具体的，所述步骤（3）包括如下步骤。

（31）计算每一个数据包占用的传输时长

，计算优 化前系统总能量消耗

；进入步骤（32）。

（32）i=1；进入步骤（33）。

（33）通过加权平均法求解

；进入步骤 （34）。

（34）判断τ _best < T _i+1-t _i 是否成立：若成立，则使用T _i+1替换t _i+1，即t _i+1= T _i+1，进入步骤（35）；否则，使用T _i +τ _best 替换t _i+1，即t _i+1= T _i +τ _best ，进入步骤（35）。

（35）判断i= N-1是否成立：若成立：则进入步骤（36）；否则，i= i +1，返回步骤（33）。

（36）计算每一个数据包占用的传输时长

，计算本 次内部迭代优化后系统总能量消耗

；进入步骤（37）。

（37）判断

是否成立：若成立，则进入步骤（4）；否则，E ₀=E，返回步骤 （32）。

具体的，所述步骤（4）包括如下步骤。

（41）i=1；进入步骤（42）。

（42）计算第i个数据包的开始传输时刻

；计 算第i个数据包的传输时长

；进入步骤（43）。

（43）确定第i个数据包的最优传输速率

，即

，进入步骤（44）。

（44）判断i= N是否成立：若成立，则结束；否则，i= i +1，返回步骤（42）。

有益效果：本发明提供的离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，在满足数据包传输时延的条件下，以较低的复杂度对数据包进行传输，有效降低了系统总能量消耗，能够缓解随着数据业务增长带来的能量消耗问题。

附图说明

图1为一次外部迭代中，每次内部优化后数据包的开始传输时刻示例。

图2为本发明方法和传统的加权平均分配方法、即到即传方法的系统总能量消耗对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供了一种离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，在传输总时长内按照数据包到达的先后顺序依次完成所有数据包的传输，同时通过调整每个数据包的开始传输时刻和结束传输时刻，最小化系统总能量消耗；在整个调整过程中，始终保持数据包的如下特性。

①每个数据包的开始传输时刻不得早于上一个数据包的结束传输时刻。

②每个数据包的开始传输时刻不得早于该数据包的到达时刻。

③所有数据包的传输时长之和不得大于传输总时长。

④所有数据包按照到达先后顺序依次进行传输。

该方法包括如下步骤。

（1）参数初始化：传输总时长为T，数据包总个数为N，第i个数据包的大小为B _i ，第i个数据包的到达时刻为T _i ，第i个数据包的开始传输时刻为t _i ，第i个数据包的传输时长为τ _i ，电路功率消耗为p ₀、迭代终止门限为ε。

（2）迭代初始化：令每一个数据包的开始传输时刻与该数据包的到达时刻相同（即t _i =T _i ），后一个数据包的到达时刻为该数据包的结束传输时刻，计算第i个数据包的传输时 长

、存在电路功率消耗情况下数据包的最优传输速率r _ee （使得系统总能量消耗最小）。

（3）内部迭代和外部迭代：在内部迭代中，不考虑电路功率消耗情况下，按照数据包到达的先后顺序依次对相邻两个数据包中前一个数据包的结束传输时刻、后一个数据包的开始传输时刻进行调整，在保证该两个数据包的传输时长之和不变的情况下，使得该两个数据包的能量消耗之和最小，同时确保后一个数据包的开始传输时刻为前一个数据包的结束传输时刻，数据包的开始传输时刻晚于数据包的到达时刻；每次外部迭代包含N-1次内部优化，对比当前次外部迭代后与上次外部迭后系统总能量消耗，根据对比结果判断是否结束迭代，外部迭代次数不确定；包括如下步骤。

（31）计算每一个数据包占用的传输时长

，计算 优化前系统总能量消耗

；进入步骤（32）。

（32）i=1；进入步骤（33）。

（33）通过加权平均法求解

；进入步骤 （34）。

（34）判断τ _best < T _i+1-t _i 是否成立：若成立，则使用T _i+1替换t _i+1，即t _i+1= T _i+1，进入步骤（35）；否则，使用T _i +τ _best 替换t _i+1，即t _i+1= T _i +τ _best ，进入步骤（35）。

（35）判断i= N-1是否成立：若成立：则进入步骤（36）；否则，i= i +1，返回步骤（33）。

（36）计算每一个数据包占用的传输时长

，计 算本次内部迭代优化后系统总能量消耗

；进入步骤（37）。

（37）判断

是否成立：若成立，则进入步骤（4）；否则，E ₀=E，返回步骤 （32）。

（4）传输速率覆盖：计算第i个数据包的传输速率为r _i =B _i /τ _i ，确定第i个数据包的 最优传输速率为

；在覆盖过程中，确保数据包的开始传输时刻和结 束传输时刻满足前文先后顺序的规定；包括如下步骤。

（41）i=1；进入步骤（42）。

（42）计算第i个数据包的开始传输时刻

；计 算第i个数据包的传输时长

；进入步骤（43）。

（43）确定第i个数据包的最优传输速率

，即

，进入步骤（44）。

（44）判断i= N是否成立：若成立，则结束；否则，i= i +1，返回步骤（42）。

一个基于本发明方法的具体实施例，电路功率消耗为p ₀=1.2瓦，5个数据包的大小分别为15、12、8、13、4比特，每间隔20秒到达一个数据包，迭代终止限制值ε为0.5%。

图1给出了在一次外部迭代中，每次内部优化后，5个数据包的开始传输时刻示意图。

图2给出了本发明方法和传统的加权平均分配方法、即到即传方法的系统总能量消耗对比示意图；可见，本发明提出的方法实施结果效果远好于传统算法和即到即传策略，能很好地应对数据的不均匀和突发性。

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)

1.一种离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，其特征在于：在传输总时长内按照数据包到达的先后顺序依次完成所有数据包的传输，在满足传输时长不超过总时长的前提下，同时通过调整每个数据包的开始传输时刻和结束传输时刻，最小化系统总能量消耗；该方法包括如下步骤：

1）参数初始化：传输总时长为T，数据包总个数为N，第i个数据包的大小为B _i ，第i个数据包的到达时刻为T _i ，第i个数据包的开始传输时刻为t _i ，第i个数据包的传输时长为τ _i ，电路功率消耗为p ₀、迭代终止门限为ε；

2）迭代初始化：令每一个数据包的开始传输时刻与该数据包的到达时刻相同，后一个数据包的到达时刻为该数据包的结束传输时刻，计算第i个数据包的传输时长τ _i 、存在电路功率消耗情况下数据包的最优传输速率r _ee ；

3）内部迭代和外部迭代：在内部迭代中，不考虑电路功率消耗情况下，按照数据包到达的先后顺序依次对相邻两个数据包中后一个数据包的开始传输时刻进行调整，在保证该两个数据包的传输时长之和不变的情况下，使得该两个数据包的能量消耗之和最小，同时确保后一个数据包的开始传输时刻为前一个数据包的结束传输时刻，数据包的开始传输时刻晚于数据包的到达时刻；每次外部迭代包含N-1次内部优化，对比当前次外部迭代后与上次外部迭后系统总能量消耗，根据对比结果判断是否结束迭代；

4）传输速率覆盖：计算第i个数据包的传输速率为r _i =B _i /τ _i ，确定第i个数据包的最优传 输速率为

。

2.根据权利要求1所述的离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，其特征在于：所述步骤3）包括如下步骤：

31）计算每一个数据包占用的传输时长

，计算优化前 系统总能量消耗

；进入步骤32）；

32）i=1；进入步骤33）；

33）通过加权平均法求解

；进入步骤34）；

34）判断τ _best < T _i+1-t _i 是否成立：若成立，则使用T _i+1替换t _i+1，即t _i+1= T _i+1，进入步骤35）；否则，使用T _i +τ _best 替换t _i+1，即t _i+1= T _i +τ _best ，进入步骤35）；

35）判断i= N-1是否成立：若成立：则进入步骤36）；否则，i= i +1，返回步骤33）；

36）计算每一个数据包占用的传输时长

，计算本次 内部迭代优化后系统总能量消耗

；进入步骤37）；

37）判断

是否成立：若成立，则进入步骤4）；否则，E ₀=E，返回步骤32）。

3.根据权利要求1所述的离线传输情况下依次传输多个数据包的能量消耗最小化方法，其特征在于：所述步骤4）包括如下步骤：

41）i=1；进入步骤42）；

42）计算第i个数据包的开始传输时刻

；计算第i个 数据包的传输时长

；进入步骤43）；

43）确定第i个数据包的最优传输速率

，即

，进 入步骤44）；

44）判断i= N是否成立：若成立，则结束；否则，i= i +1，返回步骤42）。

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