CN112469059B - 后到先服务通信系统、发射端设备、介质及信号处理方法 - Google Patents

后到先服务通信系统、发射端设备、介质及信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种后到先服务通信系统、发射端设备、介质及信号处理方法，首先，根据排队论和短帧传输理论，考虑具有重传和非抢占策略的后到先服务系统，推导平均PAoI和平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达式；然后通过加权和的方法将多目标优化转化成单目标的优化问题；最后，推导出最优的更新速率的闭式表达式并提出最优帧长的求解方法，以极低的复杂度完成了帧长和更新速率的联合优化，可以实现PAoI和时延的高性能权衡。

Description

后到先服务通信系统、发射端设备、介质及信号处理方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种后到先服务通信系统、发射端设备、介质及信号处理方法。
背景技术
第五代移动通信(5G)被期望可以支撑新兴的时间敏感型应用，例如工厂自动化中的实时感知和监控，自动驾驶以及远程手术等场景。这些时间敏感应用不仅需要极低的时延(例如，车联网中车辆的协作要求时延低于10ms)，同时也需要高信息新鲜度保证信息传输的时效性。与传统的时延关注每一个数据包不同，信息新鲜度仅关注接收端是否从源端接收到了信息的数据包。因此，联合考虑时延和信息新鲜度对于新兴的时间敏感型应用十分重要。采用信息年龄可以衡量信息传递的信息度，然而如果同时兼顾时延和信息年龄进行优化尚不清晰，这制约了低时延传输和高信息新鲜度传输的发展。另外，在时间敏感型应用中，数据包的大小通常较小，采用短帧传输可以有效降低时延和信息年龄。但是采用短帧传输会引入不可忽略的传输错误率，同时传统的基于香农定理的结论不再适用，短帧长和更新速率对时延和信息年龄的联合影响尚不清晰。因此，研究在短帧域中的时延和信息年龄的联合优化十分迫切且必要。
发明内容
本申请旨在提供一种，以至少解决上述技术问题之一。
本申请提供了一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统的信号处理方法，根据排队论及短帧传输理论，构建出平均峰值信息年龄PAoI以及平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达，所述方法包括：在发射端，
基于由所述平均PAoI以及所述平均时延所对应近似表达所构建的、加权和形式的联合优化目标函数，求解在所述更新速率固定时所述短帧长的第一最优取值，并求解所述更新速率关于所述短帧长的最优闭式表达的第二最优取值；
利用所述第一最优取值调整当前数据帧长度，利用所述第二最优取值调整实时更新速率。
进一步的，根据排队论及短帧传输理论，构建出平均峰值信息年龄PAoI以及平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达，具体包括：
根据e指数的一阶泰勒展开公式，得到所述平均PAoI以及所述平均时延关于所述短帧长和所述更新速率的近似表达。
进一步的，基于由所述平均PAoI以及所述平均时延所对应近似表达所构建的、加权和形式的联合优化目标函数，求解在所述更新速率固定时所述短帧长的第一最优取值，具体包括：
在所述更新速率固定时，利用二分法搜索得到所述第一最优取值。
进一步的，基于由所述平均PAoI以及所述平均时延所对应近似表达所构建的、加权和形式的联合优化目标函数，求解所述更新速率关于所述短帧长的最优闭式表达的第二最优取值，具体包括：
求所述联合优化目标函数关于所述更新速率的一阶导数，得到所述第二最优取值。
本申请还提供了一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统中的发射端设备，包括：处理器及存储器，所述存储器存储有可供所述处理器调用的计算机程序，所述计算机程序在调用时可执行如上述的方法。
本申请还提供了一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统，包括：如上述的发射端设备。
本申请还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器调用可执行如上述的方法。
本申请的有益效果在于：
通过提供一种后到先服务通信系统、发射端设备、介质及信号处理方法，首先，根据排队论和短帧传输理论，考虑具有重传和非抢占策略的后到先服务系统，推导平均PAoI和平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达式；然后通过加权和的方法将多目标优化转化成单目标的优化问题；最后，推导出最优的更新速率的闭式表达式并提出最优帧长的求解方法，以极低的复杂度完成了帧长和更新速率的联合优化，可以实现PAoI和时延的高性能权衡。
附图说明
图1是本申请实施例一的后到先服务系统框图。
图2是本申请实施例一的算法性能比较示意图。
具体实施方式
下面结合一些实施例，对本申请所涉及发明创造的原理进行具体阐述，所举出的实施例用于解释发明创造，不代表本申请的保护范围仅仅只包含该些实施例，其他未列入下面内容的、属于发明创造构思下的实施例仍在本申请的保护范围内。
实施例一：
本申请实施例一提供了一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统的信号处理方法。以下分几个部分，对该方法进行具体说明。
2010年，Kaul等人提出信息年龄(Age of information,AoI)的概念，用于对信息新鲜度的严格量化。信息年龄被定义为上一个成功传输的数据包的生成时刻到当前时刻的时间间隔。基于此，形式更为简洁的峰值信息年龄(Peak AoI,PAoI)被提出，其被定义为上一个数据包被成功接收之前最大年龄，用于表征AoI的最差情况。PAoI和AoI正相关，但是更易处理，因此被广泛研究。在时间间隔[0,τ]内，平均PAoI可以表示为：
公式一
Figure BDA0002822470200000031
其中，Ai表示第i个更新的PAoI，Nτ表示在时间间隔[0,τ]内成功传输的信息包的数量，Wi-1表示第i-1个数据包的等待时间，Si-1表示第i-1个数据包的服务时间，Yi表示第两个连续成功传输数据包的间隔时间，Ε[·]表示求期望。
2010年，Polyanskiy等人推导了加性高斯白噪声(Additive white gaussiannoise，AWGN)信道下的可达速率关于帧长、的近似表达式。基于此，我们可以推导出短帧域中的BLEP：
公式二
Figure BDA0002822470200000041
其中，
Figure BDA0002822470200000042
表示AWGN信道下的信道容量，
Figure BDA0002822470200000043
表示信道色散，m为短帧长，γ为信噪比(Signal-to-noiseratio,SNR)，L为传输的信息比特数。
针对现有短帧传输方法尚未联合考虑时延和信息年龄权衡的问题，本发明提出一种短帧域的信息年龄和时延联合优化方法。首先，根据排队论和短帧传输理论，考虑具有重传和非抢占策略的后到先服务系统，推导平均PAoI和平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达式；然后通过加权和的方法将多目标优化转化成单目标的优化问题；最后，推导出最优的更新速率的闭式表达式并提出最优帧长的求解方法。
一种基于信息年龄和时延权衡的短帧传输优化方法，其中系统框图如图1所示，其中Θ表示调制阶数，数据包的更新服从泊松分布，λ表示其平均更新速率，具体的实现步骤如下：
步骤一，根据排队论及短帧传输理论，采用M＝mTs表示数据包的传输时间，Ts表示符号持续时间，可以推导出后到先服务系统的平均PAoI表达式：
公式一：
Figure BDA0002822470200000044
ε为包错误率
具体的过程分为三个部分：
步骤A，在非抢占的传输策略中，每一个新到的数据包都需要等待当前数据包完成传输任务，根据泊松分布的无记忆性，可以推导出等待时间的期望为：
公式二：
Figure BDA0002822470200000051
步骤B，数据包的服务时间与数据包长相关，考虑传输失败后数据包会一直传输最新的包直到有新的数据包到来，因此服务时间的期望可以表示为：
公式三：
Figure BDA0002822470200000052
步骤C，连续两个成功传输数据包的时间间隔可以表示为
公式四：
Figure BDA0002822470200000053
将公式二、公式三和公式四相加可以得到平均PAoI的表达式，如公式一所示。
根据e指数的一阶泰勒展开公式，可以得到平均PAoI的近似表达式：
公式二：
Figure BDA0002822470200000054
步骤二，根据排队论和短帧传输理论，可以得到后到先服务系统的平均时延的表达式：
公式三：
Figure BDA0002822470200000055
根据e指数的一阶泰勒展开公式，可以得到平均时延的近似表达式：
公式四：
Figure BDA0002822470200000056
步骤三，基于平均PAoI和平均时延的近似表达式，构建如下所示的优化问题，旨在通过联合优化帧长和更新速率来最小化平均PAoI和平均时延的加权和。
公式五：
Figure BDA0002822470200000061
其中信息年龄相比于延时的权重θ根据PAoI和时延来调整，PAoI越重要，权重越大；延时越重要权重越小；(C1)用于保证队列的稳定性；(C2)限制了最小的帧长；(C3)和(C4)分别限制了最大可允许的平均
Figure BDA0002822470200000062
和平均时延
Figure BDA0002822470200000063
(C5)限制了最大的发射功率Pmax。
步骤四，根据公式二和公式四可以得出，当更新速率固定，
Figure BDA0002822470200000064
取得最小时值，平均PAoI和平均时延可以达到其最小值。因此最优的帧长可以通过二分法搜索下面的公式获得：
公式六：
Figure BDA0002822470200000065
步骤五，通过求目标函数J关于更新速率λ的一阶导数，可以获得最优的更新速率，因此最优的更新速率可以表示为：
公式七：
Figure BDA0002822470200000066
其中
Figure BDA0002822470200000067
表示更新速率的下界，
Figure BDA0002822470200000068
表示更新速率的上界。
步骤六，根据公式六和公式七我们可以得到使得时延PAoI最小的最优包长和最优更新速率，将此总结为联合帧长更新速率优化(Joint block length and update rate,JBUO)算法。该算法面向具有重传和非抢占策略的后到先服务系统，以极低的复杂度完成了帧长和更新速率的联合优化，可以实现PAoI和时延的高性能权衡。在短帧传输系统中，在发射端根据时延和PAoI的性能指标需求，利用JBUO算法对数据帧结构和更新速率进行优化，可以得到最优的帧长(公式六)和最优的更新速率(公式七)，然后改变发射端的更新速率和数据帧长度，使得时延和PAoI最小。相比于之前的单一变量优化算法(仅优化帧长或仅更新速率优化)，JBUO具有较大的性能提升。
实验对比：
为了验证本发明方法的性能，进行了仿真实验验证。
如图2所示，通过比较我们的JBUO算法和现有的单一优化算法相比，可以看出我们算法获得更好的时延和PAoI性能，表明了我们算法的有效性。同时由于我们推导了最优的更新速率的表达式，算法也具有较低的复杂度。
实施例二：
本实施例提供了一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统中的发射端设备，包括：处理器及存储器，所述存储器存储有可供所述处理器调用的计算机程序，所述计算机程序在调用时可执行如上述实施一的方法。
本实施例还提供了一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统，包括：如上述的发射端设备。
本申请还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器调用可执行如上述实施例一的方法。
通过硬件组件来实现上述系统、设备、介质中示出的执行，这里针对实施例一或实施例二描述的操作的设备、单元、模块、装置和其他组件。硬件组件的示例包括控制器、传感器、生成器、驱动器、存储器、比较器、算术逻辑单元、加法器、减法器、乘法器、除法器、集成器、处理器以及本领域普通技术人员所知的被配置为执行本申请中描述的操作的任意其他电子组件。在一个示例中，通过一个或多个处理器或计算机来实现硬件组件。通过一个或多个处理元件(诸如，逻辑门的阵列、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、可编程逻辑控制器、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列、微处理器或本领域普通技术人员所知的能够以限定的方式响应并执行指令以获得期望结果的任意其他装置或装置的组合)来实现处理器或计算机。
在一个示例中，处理器或计算机包括或连接到存储由处理器或计算机执行的指令或软件的一个或多个存储器。通过处理器或计算机实现的硬件组件执行指令或软件(诸如，操作系统OS和在OS上运行的一个或多个软件应用)，以执行这里针对实施例一或实施例二描述的操作。硬件组件还响应于指令或软件的执行而访问、操控、处理、创建和存储数据。为了简明，单数术语“处理器”或“计算机”可用于这里描述的示例的描述，但在其他示例中，多个处理器或计算机被使用，或者处理器或计算机包括多个处理元件或多种类型的处理元件或二者。在一个示例中，硬件组件包括多个处理器，在另一示例中，硬件组件包括处理器和控制器。硬件组件具有任意一个或多个不同的处理配置，其示例包括单个处理器、独立处理器、并行处理器、单指令单数据SISD多处理、单指令多数据SIMD多处理、多指令单数据MISD多处理和多指令多数据MIMD多处理。
通过被实现为如上所述的执行指令或软件以执行本申请中描述的由方法执行的操作的计算硬件(例如，通过一个或多个处理器或计算机)来执行在实施例一或实施例二中示出的执行本申请中描述的操作的方法。例如，可通过单个处理器、或者两个或更多个处理器、或者处理器和控制器来执行单个操作或者两个或更多个操作。可通过一个或多个处理器、或者处理器和控制器来执行一个或多个操作，可通过一个或多个其他处理器、或者另一处理器和另一控制器来执行一个或多个其他操作。一个或多个处理器、或者处理器和控制器可执行单个操作或者两个或更多个操作。用于控制处理器或计算机实现硬件组件并且执行如上面描述的方法的指令或软件可被写为计算机程序、代码段、指令或它们的任何组合，以单独地或共同地指示或配置处理器或计算机作为用于执行由硬件组件执行的操作和如上所述的方法的机器或专用计算机进行操作。在一个示例中，指令或软件包括直接由处理器或计算机执行的机器代码，诸如，由编译器产生的机器代码。在另一示例中，指令或软件包括由处理器或计算机使用解释器执行的更高级代码。本领域普通编程人员可基于公开了用于执行由硬件组件执行的操作和如上所述的方法的算法的附图中示出的框图和流程图以及说明书中的相应描述，容易地编写指令或软件。
用于控制处理器或计算机实现硬件组件并且执行如上所述的方法的指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件以及数据结构可被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质中，或被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质上。非暂时性计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、闪存、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-RLTH、BD-RE、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘和本领域普通技术人员所知的任意装置，所述任意装置能够以非暂时性的方式存储指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构，并将指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件以及数据结构提供给处理器或计算机，以便处理器或计算机能执行指令。在一个示例中，指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件以及数据结构被分布在联网的计算机系统上，使得指令和软件以及任何相关联的数据、数据文件以及数据结构通过处理器或计算机以分布式的方式被存储、访问和执行。
虽然本公开包括特定示例，但是本领域普通技术人员在获得本主题申请的公开的全面理解之后将清楚的是：在不脱离权利要求和它们的等同物的精神和范围的情况下，可对这些示例进行形式和细节上的各种改变。在此描述的示例应仅在描述意义上考虑，而非为了限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被视为可应用于其他示例中的相似特征或方面。如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同方式被组合和/或被其他组件或其等同物替代或补充，则可实现合适的结果。因此，本公开的范围并非由具体实施方式限定，而是由权利要求和它们的等同物所限定，并且在权利要求和它们的等同物的范围内的所有变化将被解释为包括在本公开中。

Claims (7)

1.一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统的信号处理方法，其特征在于，根据排队论及短帧传输理论，构建出平均峰值信息年龄PAoI以及平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达，所述方法包括：在发射端，
基于由所述平均PAoI以及所述平均时延所对应近似表达所构建的、加权和形式的联合优化目标函数，求解在所述更新速率固定时所述短帧长的第一最优取值，并求解所述更新速率关于所述短帧长的最优闭式表达的第二最优取值；
利用所述第一最优取值调整当前数据帧长度，利用所述第二最优取值调整实时更新速率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据排队论及短帧传输理论，构建出平均峰值信息年龄PAoI以及平均时延关于短帧长和更新速率的近似表达，具体包括：
根据e指数的一阶泰勒展开公式，得到所述平均PAoI以及所述平均时延关于所述短帧长和所述更新速率的近似表达。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于由所述平均PAoI以及所述平均时延所对应近似表达所构建的、加权和形式的联合优化目标函数，求解在所述更新速率固定时所述短帧长的第一最优取值，具体包括：
在所述更新速率固定时，利用二分法搜索得到所述第一最优取值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于由所述平均PAoI以及所述平均时延所对应近似表达所构建的、加权和形式的联合优化目标函数，求解所述更新速率关于所述短帧长的最优闭式表达的第二最优取值，具体包括：
求所述联合优化目标函数关于所述更新速率的一阶导数，得到所述第二最优取值。
5.一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统中的发射端设备，其特征在于，包括：处理器及存储器，所述存储器存储有可供所述处理器调用的计算机程序，所述计算机程序在调用时可执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。
6.一种面向具有重传和非抢占策略的后到先服务通信系统，其特征在于，包括：如权利要求5所述的发射端设备。
7.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器调用可执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。
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