CN111884947B - 一种在接收端基于信息年龄的数据包管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说涉及一种在接收端基于信息年龄的数据包管理方法。本发明通过对数据包管理来最小化接收端信息的平均年龄，从而使接收端获得更新鲜的信息。接收端通过判断到达的数据包带来的信息年龄(AoI)降低量来决定是否接收该数据包。本方法引入了一个判决门限用于判决到达的数据包是否值得接收。基于模拟退火法找到了最优的判决门限。特别地，提出了一种迭代算法来计算信息的平均年龄，这是找到最优判决门限的基础。最后，实验结果表明使用本方法可以使接收端信息年龄有较大的下降，即信息的新鲜度有较大的提升，这对提升系统的实时性能是很有帮助的。

Description

一种在接收端基于信息年龄的数据包管理方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说涉及一种在接收端基于信息年龄的数据包管理方法。

背景技术

随着蜂窝网络的快速发展，未来的第五代(5G)网络预计将支持大量用户连接，并提供低延迟和高可靠性服务。在此背景下，物联网(IoT)的应用开始逐渐兴起，例如智能家居、智能交通、工业自动化、电力系统自动化、远程医疗等。在这些面向实时通信的物联网应用中，设备往往需要实时监测周围的物理环境并及时更新监测到的系统状态，从而为智能决策和实时控制提供及时、有效的信息，因此信息的新鲜度就显得尤为重要。传统的网络性能指标如吞吐量和时延都不能够有效地刻画信息的新鲜度，也不适用于面向实时状态更新的应用网络设计中，因此为了刻画信息新鲜度而提出的“信息年龄”(AoI)的概念在近年来已经成为继吞吐量、时延等网络性能指标外的重要指标。

近年来，信息年龄迅速成为了研究热点，关于AoI的研究主要集中在不同排队网络、不同信道状态、信息论和编码理论等方面。在排队网络中，系统会在通信网络的源端或者中间链路的节点部署特定的缓存队列以适应链路的传输速率和节点的处理能力。在这样的网络中就涉及到了数据包的管理方法，比如数据包应该何时产生，何时发送，以什么准则进行服务。在许多研究中，针对不同的排队网络，都给出了相应的数据包管理方法以降低接收端的信息的平均年龄。实际上，在接收端设计数据包的管理方法也是有意义的，因为在接收端能避免讨论信道的状态，同时还能将一些控制约束考虑进来。

通过对数据包进行管理，可以降低系统信息的平均年龄，提高系统信息的新鲜度，从而提高系统的控制性能。因此，研究无线通信中数据包管理方法对于增大系统的信息新鲜度是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是当发送端能源源不断产生数据包，即采用“零等待策略时”时，通过设计一种在接收端的包管理方法以降低信息的平均年龄，即使系统获得更新鲜的信息以提高控制性能。针对上述问题，提出一种基于接收端信息年龄的包管理方法。

本发明的技术方案如下：

一种在接收端基于信息年龄的包管理方法，定义T_i为第i个数据包在发射端的传输时延，即服务时间，T_i服从参数为λ的指数分布即T_i～E(λ)，T_i对应的概率密度为

一种被普遍接受的假设是忽略数据包产生所需的时间，这时发射端就能以自己的“意志”产生数据包，即可以理解为当发射端需要发送一个数据包的时候，它能立刻产生一个数据包并开始发送。在本发明所采用的系统模型中，发射端在源源不断地发送数据包，即当发射端服务完一个数据包后紧接着服务下一个数据包。在接收端，有一个大小为1的缓冲队列用来存放由发射端发送的数据包，接收端的执行器会从队列中取出数据包并执行相应的命令，考虑控制性能需求，执行器执行数据包时存在一个最小执行时间，这里设为C_min，即每个命令至少要执行C_min时长。定义△A为两个数据包产生的时间间隔。定义一个丢包判决门限θ，接收端通过判断当前包能带来的AoI降低量与判决门限θ的关系来决定是否丢弃当前的数据包。为了衡量信息的新鲜度，采用了信息年龄(AoI)的概念，用△(t)来表示信息年龄，则△(t)可定义为：

△(t)＝t-U(t)，

其中，t表示当前时刻，U(t)表示信息产生的时刻。

本发明设计的方法包括以下几个步骤：

S1、发射端开始发送数据包，记发射端产生并发出数据包的时间为g_i；

S2、数据包经过时间T_i后到达接收端，到达时刻为S_i＝g_i+T_i；

S3、当第i个数据包到达接收端时，接收端首先统计第i个数据包产生时间距上一个被接收的数据包产生时间的时间间隔△A，然后比较△A和判决门限θ的大小，判决门限θ的获取方法是，建立如下优化方程：

上式中，减号前后两项分别为使用包管理方法前后的信息平均年龄，g(θ)表示应用了包管理方法后信息平均年龄降低的大小。E[D_n]为控制器总执行时长的期望值。信息年龄被表示为年龄曲线△(t)下一系列不相交的梯形Q_i的面积之和：

D_i是接收端开始执行第i个包的命令的时间，n是数据包数量，控制器开始执行数据包的命令时的初始信息年龄为A_i，一个数据包完成服务与上一次信息年龄更新间的时间间隔为Y_i：

Y_i＝S_i-D_i-1

执行器在执行数据包时最小执行时间为C_min，Y_i>C_min时：

Q_i＝0.5*Y_i ²+Y_i*A_i-1

Y_i<C_min时：

未使用包管理方法时，将两种情况下的Q_i统一表示为：

Q_i＝f(C_min,A_i-1,Y_i,θ＝0)

使用包管理方法后，将两种情况下的Q_i统一表示为：

Q_i＝f(C_min,A_i-1,Y_i,θ)

未使用包管理方法的平均信息年龄为：

使用包管理方法后的平均信息年龄为：

采用迭代算法可以分别求得使用包管理方法前后的平均信息年龄，之后采用基于模拟退火法的启发式算法求解优化方程即可得到判决门限θ；

若△A大于门限值θ，收端接收第i个数据包，并判断缓冲队列是否为空，若是，则把第i个数据包放进缓冲队列中，进入步骤S4，若否，则用第i个数据包替换缓冲队列中的数据包；若△A小于门限值θ，则接收端丢弃第i个数据包，同时更新△A的值，即：

△A＝△A+T_i

重复步骤S3；

S4、执行器执行完C_min时间后，执行器检查缓冲队列是否有数据包，如果有，执行器就从缓冲队列中取出新数据包执行；如果没有，执行器就继续执行原来的数据包，并监控缓冲队列，当缓冲队列有新数据包到达时，执行器立刻取出数据包并执行。

本发明的有益效果为，相较于在发射端的包管理策略，本发明充分考虑了系统的控制性能要求，即控制器执行一个数据包命令所需的最小时间，而传统设计通常通过假设来避免对该问题的讨论，并没有考虑执行的两个数据包产生时间的间隔，当两个数据包间隔很小时，新的数据包没有使信息的年龄下降太多，但执行器会花费一定时间去执行它，所以会导致信息的年龄增大。在设计的丢包策略中，保证了被执行的数据包产生的时间间隔较大，因此会带来信息年龄有较大的下降，从而使接收端的接收信息的平均年龄较小。此外，本发明还提出了在接收端计算平均年龄的迭代算法以及求取最优门限的启发式算法。

附图说明

图1为本发明的系统模型示意图；

图2为本系统接收端AoI变化示意图；

图3为指数分布均值与包管理方法最优丢包门限间关系的示意图；

图4为固定指数分布均值与包管理方法最优丢包门限(λ＝0.25，θ＝4)下原始决策与包管理方法的平均AoI对比示意图；

图5为不同丢包门限下的原始决策与包管理方法的平均AoI对比示意图；

图6为不同指数分布均值下包管理方法较原始方法降低的平均AoI百分比变化示意图；

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

记源端产生并发出数据包的时间为g₁,g₂,...g_n，经过一段服务时间T_i后到达接收端，即到达时刻S_i＝g_i+T_i，采用“零等待策略”下，每当一个数据包到达接收端的同时源端会产生并发出一个新的数据包。记接收端(即控制端)开始执行第i个包的命令的时间为D_i，此时AoI会更新。记当前数据包到达的总时间为s_t，当前时间总的AoI为S_a。记一个包完成服务与上一次AoI更新间的时间间隔为Y_i，则

Y_i＝S_i-D_i-1

考虑时隙[0,D_n]，总信息年龄S_a可以被表示为信息年龄曲线△(t)下一系列不相交的梯形Q_i的面积之和：

考虑以下两种可能的情况，情况一：当Y_i>C_min时，新到的包一到达接收端就可以立刻被执行，因为此时控制器是空闲的；情况二：当Y_i<C_min时，新到达的包会在队列中进行排队，等待控制器完成上一条指令，而这也是AoI更新与包达到时间不同步的原因。并且根据系统模型，队列中排队的包会被更新的包所替代。因此，AoI的计算可以具体分析如下。

情况一(Y_i>C_min)：记控制器开始执行包的命令时的初始AoI为A_i，由于AoI更新与包达到时间可能不同步，A_i表示为迭代形式：A_i＝A_i-1+Y_i-△A，其中△A表示下一次更新时AoI会降低的值，此时Q_i为

Q_i＝0.5*Y_i ²+Y_i*A_i-1

情况二(Y_i<C_min)：此时A_i＝A_i-1+C_min-△A，Q_i为

综上，未使用包管理方法时，记Q_i＝f(C_min,A_i-1,Y_i,θ＝0)，平均AoI可以表示为：

使用包管理方法后，记Q_i＝f(C_min,A_i-1,Y_i.θ)，平均AoI可以表示为：

从上面的数学表达式可以看出，一段时间内的平均AoI不能表示为一个闭式表达式，但是通过迭代算法可以计算它在一段特定时间内的值，系统平均信息年龄迭代求解算法的具体步骤如下：

S1、设置迭代次数N,控制命令最小执行时间C_min，初始化D_t,θ,T_k,s_t,k＝0,i＝1。初始化丢包门限θ，若不使用包管理方法，θ＝0；若使用包管理方法，令θ为某一定值。

S2、当i<N时，重复执行步骤S3-S11，否则跳到步骤S12。

S3、更新s_t＝s_t+T_k；△A＝△A+T_k-1；

S4、当△A<θ时，新到的包不值得被执行，丢弃该包，执行步骤S5。

S5、更新△A＝△A+T_k；s_t＝s_t+T_k+1；k＝k+1；若△A<θ，则回到步骤S4，否则执行步骤S6。

S6、Y_i＝s_t-D_t。

S7、判断Y_i>C_min是否成立，若是，执行步骤S8，否则跳入步骤S9。

S8、S_a＝S_a+Q_i；D_t＝D_t+Y_i。

S9、判断Y_i+T_k+1<C_min是否成立，若是，更新Y_i,△A,s_t,k，更新方法同S5、S6，否则跳入步骤S10。

S10、累加梯形面积：S_a＝S_a+Q_i；D_t＝D_t+C_min。

S11、k＝k+1；i＝i+1。回到步骤S2。

S12、迭代结束，计算平均AoI：A_ave＝S_a/D_t。

本发明的核心是在接收端引入了一个判决门限为θ的丢包方法，每当有新的数据包到达接收端时，控制器通过判断该包所能带来的AoI改变量决定丢弃或执行该包。当新到达接收端的包所能带来的AoI改变量小于门限θ时，控制器主动丢弃该包并等待下一个包，以此来降低系统的平均AoI，从而最大化接收端的信息新鲜度并达到更好的控制性能。

建立以下最优化方程求解最优的丢包判决门限θ：

在上式中，g(θ)是应用了包管理方法后平均AoI降低的大小，

与

分别通过前述系统平均信息年龄迭代求解算法求得。针对以上无闭式解的最包管理问题，本发明提出了一种基于模拟退火法的启发式算法来搜索不同发射端情况下，即不同指数分布均值情况下的最优判决门限。记退火的初始温度为F_max，F_max是一个较大的值；记退火的温度下限为F_min，F_min是一个较小的值；记初始门限为θ₀，迭代次数为L.。具体步骤如下：

S1、初始化F_max,F_min,θ₀,L,l＝0,j＝1；

S2、当F>F_min时，重复执行步骤S3-S10；

S3、当j在从1至L的范围内，重复执行步骤S4-S7；

S4、△θ＝rand(1)；θ_new＝θ₀+△θ；△g＝g(θ_new)-g(θ₀)，其中g(x)即为公式(1)中的目标函数，它也是退火算法的代价函数，θ_new表示基于当前解产生的位于解空间的新解。

S5、判断△g>0是否成立，若是，说明新解θ_new能带来更大的AoI降低，因此算法接收新解，即令θ₀＝θ_new；l＝0；否则执行步骤S6；

S6、y＝rand(1)；

S7、判断y<e^△g/(KT)是否成立，若是，接收新解θ₀＝θ_new；l＝0；否则,l＝l+1；

其中y<e^△g/(KT)为接收当前解的概率，因此模拟退火算法有可能跳出局部最优解，并进而搜索到全局最优解。

S8、判断停止条件l>15是否成立，若是，令θ＝θ₀且跳出循环，否则执行步骤S9；

S9、F＝0.8*F。回到步骤S2。

本发明将未使用包管理方法的平均AoI同本使用了本发明方法的平均AoI对比分析，以进一步验证本发明的性能。

在附图中，“原始方法”指未使用本发明的传统方案，即丢包门限为0时的方案，“包管理方法”指使用了本发明后的方案。

图1为本发明的系统模型示意图。源端采用“零等待策略”并通信通信网络源源不断地将数据包发送给接收端，接收端采用一个容量为一的缓冲区，接收到的包在缓冲器队列中进行排队，等待接收端取用，且缓冲区中的包会被更新到达的包所替代。

图2为本系统接收端AoI变化示意图。从图中可以看出，当包服务时间小于控制器最小命令执行时间时(Y_i<C_min)，包达到接收端后需等待一段时间；当包服务时间小于控制器最小命令执行时间时(Y_i>C_min)，该包可以立即被执行；若新包到达时换缓冲区中已有包在排队，则正在排队的包会被丢弃。

图3为指数分布均值与包管理方法最优丢包门限间关系的示意图。从图中可以看出，在给定的指数分布参数λ的范围内，本发明搜索出了其对应的最佳丢包判决门限，该门限是随指数分布参数λ递减的。

图4为固定指数分布均值与包管理方法最优丢包门限(λ＝0.25，θ＝4)下原始决策与包管理方法的平均AoI对比示意图；从图中可以看出，采用了本发明的包管理方法较原始方法有效降低了系统的平均AoI。

图5为不同丢包门限下的原始决策与包管理方法的平均AoI对比示意图；从图中可以看出，当指数分布参数λ固定时，包管理方法的平均AoI随丢包门限θ呈现“U型”，证明了最佳丢包门限的存在性，且在该最佳丢包门限下较原始方法系统的平均AoI有效降低。

图6为不同指数分布均值下包管理方法较原始方法降低的平均AoI百分比变化示意图；从图中可以看出，针对不同的指数分布参数λ包管理方法都使用最佳的丢包判决门限时，包管理方法都可以降低系统的平均AoI，且在某一指数分布参数λ下包管理方法可以达到一最优性能。

综上所述，本发明提出了一种新的在接收端基于信息年龄的包管理方法。在提高信息新鲜度方面，本发明较不主动丢包的原始方法具有更小的系统平均AoI，说明本发明具有一个更好的系统性能，也体现了本发明的优势。

Claims (1)

1.一种在接收端基于信息年龄的数据包管理方法，假设每当一个数据包到达接收端的同时发射端产生并发出一个新的数据包，在接收端，有一个大小为1的缓冲队列用来存放由发射端发送的数据包，接收端的执行器会从缓冲队列中取出数据包并执行相应的命令，其特征在于，所述方法包括：

S1、发射端开始发送数据包，记发射端产生并发出数据包的时间为g_i；

S2、数据包经过时间T_i后到达接收端，到达时刻为S_i＝g_i+T_i；

S3、当第i个数据包到达接收端时，接收端首先统计第i个数据包产生时间距上一个被接收的数据包产生时间的时间间隔△A，然后比较△A和判决门限θ的大小，判决门限θ的获取方法是，建立如下优化方程：

上式中，g(θ)表示信息年龄降低的大小，E[D_n]为控制器总执行时长的期望值，信息年龄被表示为年龄曲线△(t)下一系列不相交的梯形Q_i的面积之和：

S_a是当前时间总的信息年龄，D_i是接收端开始执行第i个数据包的命令的时间，n是数据包数量，控制器开始执行数据包的命令时的初始信息年龄为A_i，一个数据包完成服务与上一次信息年龄更新间的时间间隔为Y_i：

Y_i＝S_i-D_i-1

执行器在执行数据包时最小执行时间为C_min，Y_i>C_min时：

Q_i＝0.5*Y_i ²+Y_i*A_i-1

Y_i<C_min时：

未使用数据包管理方法时，将两种情况下的Q_i统一表示为：

Q_i＝f(C_min,A_i-1,Y_i,θ＝0)

使用数据包管理方法后，将两种情况下的Q_i统一表示为：

Q_i＝f(C_min,A_i-1,Y_i,θ)

未使用数据包管理方法的平均信息年龄为：

使用数据包管理方法后的平均信息年龄为：

采用迭代算法分别求得使用数据包管理方法前后的平均信息年龄，之后采用基于模拟退火法的启发式算法求解优化方程即可得到判决门限θ；

若△A大于门限值θ，接收端接收第i个数据包，并判断缓冲队列是否为空，若缓冲队列为空，则把第i个数据包放进缓冲队列中，进入步骤S4，若缓冲队列不为空，则用第i个数据包替换缓冲队列中的数据包，进入步骤S4；若△A小于门限值θ，则接收端丢弃第i个数据包，同时更新△A的值，即：

△A＝△A+T_i

重复步骤S3；

S4、执行器对当前第i-1个数据包执行完C_min时间后，执行器检查缓冲队列是否有数据包，如果有，执行器就从缓冲队列中取出新数据包执行；如果没有，执行器就继续执行原来的数据包，并监控缓冲队列，当缓冲队列有新数据包到达时，执行器立刻取出数据包并执行。

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