CN114205869A - 双队列短包系统的高时效传输模式选择方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法及装置，所述方法包括如下步骤：根据排队论和短包传输理论，分别得到短包域复用模式和短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益；根据平均峰值信息年龄PAoI增益以及数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导得到数据包更新在高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；根据信噪比阈值进行传输模式选择。本发明通过信噪比阈值进行高时效传输模式选择，并根据平均峰值信息年龄PAoI体现高时效传输模式选择方法的有效性。

Description

双队列短包系统的高时效传输模式选择方法及装置

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法及装置。

背景技术

信息的新鲜度在对时间敏感的智能制造应用中起着关键作用。例如实时控制中，过时的数据包与陈旧的信息可能会导致错误的操作。为此，一个新的性能指标，即信息年龄(Age of information,AoI)已经被提出来用于衡量信息的新鲜程度。AoI只关注最新的数据包，因此与传统的延迟指标有本质的区别。而延迟指标对每个数据包都一视同仁，无论是否新鲜都尽力传输。在智能工厂中才用多队列云无线接入网是减少AoI的有效方法，特别是在空间和资源有限的应用中更加实用，这种多队列云无线接入网的方式可以建模为一个双队列系统。

在工厂自动化等典型的实时通信场景中，状态更新信息的大小有限，因此用短包进行传输，例如20-250字节。使用短包传输预计会减少传输延迟，从而减少AoI，而它可能会引起不可避免的传输错误率进而影响信息新鲜度。数据包复用即短包域复用和传输分集即短包域分集是双队列系统的典型传输模式。数据包复用是通过多个链路传输独立的数据包，可以实现更高的传输速率，从而降低AoI。而传输分集是通过允许多个链路传输相同的数据，以实现更高的传输可靠性，因此也可以降低AOI。然而，它们对AoI性能的定量影响仍然是未知的，从而导致双队列短包传输系统的高时效传输模式难以确定。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法、装置及计算机存储介质。

本发明的第一方面，提供了一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法，所述方法包括如下步骤：

根据排队论和短包传输理论，分别得到短包域复用模式和短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C、G_D；

根据G_C、G_D、以及数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导得到数据包更新在高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；

根据信噪比阈值进行传输模式选择，具体为：

在高速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于高速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式；

在低速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于低速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式。

进一步的，所述短包域复用模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C为：

其中ζ₁＝1-E[ε_M](π₁p₁₁+π₁p₁₂+π₂p₂₁+π₃p₃₁)-π₂p₂₃-π₃p₃₃，φ＝M/(1-e^-λM)-1/λ，λ表示数据包的更新速率，M表示数据包的传输时间，

m表示数据包长，π表示圆周率，L表示传输的信息比特数，

表示平均信噪比，

δ＝e^L/m-1，E[ε_M]表示短包域复用模式下的平均错误率，π₁、π₂、π₃分别表示短包域复用模式下数据包传输的3种稳态概率，p_ij表示状态i向j转移的概率，i,j∈{1,2,3}。

进一步的，所述短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_D为：

进一步的，所述数据包更新在低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值

为

的根，其中

进一步的，所述数据包更新在高速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值

为：

本发明的第二方面，提供了一种双队列短包系统的高时效传输模式选择装置，所述装置包括：

平均峰值信息年龄PAoI增益获取模块，用于根据排队论和短包传输理论，分别得到短包域复用模式和短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C、G_D；

信噪比阈值获取模块，用于根据G_C、G_D、以及数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导得到数据包更新在高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；

传输模式选择模块，用于根据信噪比阈值进行传输模式选择，具体为：

在高速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于高速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式；

在低速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于低速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式。

本发明的第三方面，提供了一种双队列短包系统的高时效传输模式选择装置，包括：处理器；以及存储器，其中，所述存储器中存储有计算机可执行程序，当由所述处理器执行所述计算机可执行程序时，执行上述双队列短包系统的高时效传输模式选择方法。

本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有指令，所述指令在被处理器执行时，使得所述处理器执行上述双队列短包系统的高时效传输模式选择方法。

本发明提供的一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法、装置及计算机存储介质，针对双队列短包域中复用和分集传输模式的时效性增益不清晰的问题，首先，根据排队论和短包传输理论，考虑队列容量为0的后到先服务系统，推导两种传输模式的平均PAoI关于信噪比和更新速率的表达式；然后根据e指数的泰勒一阶展开公式等近似方法，分析两种传输模式相比于单队列系统的PAoI增益；根据PAoI增益和数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；最后根据信噪比阈值进行传输模式选择。最终得到的有益效果是：通过信噪比阈值进行高时效传输模式选择，并根据平均峰值信息年龄PAoI体现高时效传输模式选择方法的有效性，充分利用了双队列短包域中复用模式传输得到更高的传输速率，从而降低AoI的优势以及分集传输模式可以获得更高传输可靠性的优势。

附图说明

图1是本发明实施例的双队列短包系统的传输示意图；

图2是本发明实施例的双队列短包系统的高时效传输模式选择方法流程图；

图3是本发明实施例的双队列短包系统平均信噪比对平均峰值信息年龄PAoI的影响效果对比图；

图4是本发明实施例的不同到达速率和平均信噪比对应的高时效传输模式选择适用区间图；

图5是本发明实施例的双队列短包系统的高时效传输模式选择装置结构示意图；

图6是本发明实施例中的计算机设备的架构图。

具体实施方式

为进一步对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的步骤。

本发明所述排队论及短包传输理论中，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，峰值信息年龄(PeakAoI,PAoI)可以表征AoI的最差情况。PAoI和AoI正相关，在时间间隔[0,τ]内，单队列系统的平均PAoI可以表示为：

其中，A_i表示第i个更新的PAoI，N_τ表示在时间间隔[0,τ]内成功传输的信息包的数量，W_i-1表示第i-1个数据包的等待时间，S_i-1表示第i-1个数据包的服务时间，Y_i表示第两个连续成功传输数据包的间隔时间，E[·]表示求期望，E[ε]表示平均错误率。

根据衰落信道模型，复用传输模式下每个队列的信道增益服从指数分布，而分集传输模式下的信道增益可以等效为两个独立的指数分布的和，服从埃尔朗分布。基于此，可以推导出短包域复用模式下的平均短包错误率(Block errorprobability,BLEP)为：

其中，

δ＝e^L/m-1，C(γ)＝log₂(1+γ)表示信道容量，V(γ)＝(1-1/(1+λ)²)(log₂e)²表示信道色散，m为短包长，γ为信噪比(Signal-to-noiseratio,SNR)，L为传输的信息比特数。同时，短包域分集模式下的平均BLEP表示为：

实施例1

一种双队列短包域系统的高时效传输模式选择方法，其中双队列短包域系统模型如图1所示，其中数据包的更新服从泊松分布，λ表示数据包更新速率，m表示数据包长，ε_k表示队列k的错误率，一种双队列短包域系统的高时效传输模式选择方法步骤如图2所示，具体的实现步骤如下：

步骤1、根据排队论及短包传输理论，采用M＝mT_s表示数据包的传输时间，T_s表示数据包长为m的数据持续时间，可以推导出短包域复用模式下的平均PAoI增益G_C表达式：

其中ζ₁＝1-E[ε_M](π₁p₁₁+π₁p₁₂+π₂p₂₁+π₃p₃₁)-π₂p₂₃-π₃p₃₃，φ＝M/(1-e^-λM)-1/λ，λ表示数据包的更新速率，M表示数据包的传输时间，

m表示数据包长，π表示圆周率，L表示传输的信息比特数，

表示平均信噪比，

δ＝e^L/m-1，E[ε_M]表示短包域复用模式下的平均错误率，π₁、π₂、π₃分别表示短包域复用模式下数据包传输的3种稳态概率，p_ij表示状态i向j转移的概率，i,j∈{1,2,3}。

具体过程为：

步骤11、双队列系统复用模式下的数据包传输可以用马尔科夫链表示，其中数据包的传输共有3种状态，分别用π₁表示数据包通过队列1进行传输的概率，用π₂表示数据包通过队列2进行传输的概率，π₃表示由于两个队列繁忙而导致数据包被丢弃的概率。用p_ij表示状态i向j转移的概率，例如p₁₁表示维持状态1的概率，p₁₂表示状态1向2转移的概率，p₂₁表示状态2向1转移的概率，p₃₁表示状态1向2转移的概率，可以得到状态转移矩阵

如表I所示：

表I状态转移概率

步骤12、通过求解

和π＝πT，其中π＝[π₁,π₂,π₃]，可以得到数据包传输的稳态概率，如表II所示。

表II马尔可夫过程稳态概率

步骤13、根据表I和II可以得到数据包接收间隔的期望，如表III所示：

表III数据包平均到达间隔

步骤14、根据表I，II和III的可以得到复用模式下的平均PAoI，如(5)所示。

步骤15、利用(5)的复用模式平均PAoI除以通过式(1)得到的单队列系统的平均PAoI可以得到式(4)的复用模式PAoI增益G_C。

步骤2、根据式(1)得到的单队列系统的平均PAoI和分集模式下的平均BLEP表达式(3)，得到短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_D，如(6)所示：

步骤3、低速率情况下，λ较小，数据包很少由于队列繁忙而被丢弃。在此情况下，根据数据包在双队列复用模式的转移概率，复用模式的PAoI增益可以近似表示为：

其中E[∈_M]表示复用模式下的平均错误率。

步骤4、通过比较(6)和(7)，可以得到数据包更新在低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值

为

的根，其中

步骤5、高速率情况下，λ较大，数据包几乎等概率通过两个队列进行传输，复用模式的PAoI增益可以近似表示为：

其中E[∈_S]表示分集模式下的平均错误率。

步骤6、通过比较(6)和(9)，可以得到数据包更新在高速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值

，如(10)所示。

步骤7、根据信噪比阈值进行传输模式选择，具体为：

在高速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于高速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式；

在低速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于低速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式。

为了验证本发明方法的性能，进行了仿真实验验证：

实验一

设数据包更新速率固定为0.5packet/ms和5packets/ms，包长固定为150，改变信噪比可以得到平均PAoI和信噪比的关系图。如图3所示，可以看出低速率和高速率时理论推导的PAoI表达式以及信噪比阈值(公式(6)和公式(10))和数值结果完美的匹配，说明了本发明推导的高时效模式切换方法的有效性。

实验二

设数据包长固定为m＝150，通过调整更新速率和信噪比，可以获得速率和信噪比对高时效模式选择的联合影响，展示不同模式的适用区间。如图4所示，表明本发明分析的高时效传输模式选择方法的有效性和适用性。

实施例2

参照图5来描述根据本公开实施例的与图2所示的方法对应的装置，一种双队列短包系统的高时效传输模式选择装置，所述装置100包括：平均峰值信息年龄PAoI增益获取模块101，用于根据排队论和短包传输理论，分别得到短包域复用模式和短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C、G_D；信噪比阈值获取模块102，用于根据G_C、G_D、以及数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导得到数据包更新在高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；传输模式选择模块103，用于根据信噪比阈值进行传输模式选择，具体为：在高速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于高速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式；在低速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于低速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式。除了这3个模块以外，装置100还可以包括其他部件，然而，由于这些部件与本公开实施例的内容无关，因此在这里省略其图示和描述。

一种双队列短包系统的高时效传输模式选择装置100的具体工作过程参照上述一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法实施例1的描述，不再赘述。

实施例3

本发明实施例的装置也可以借助于图6所示的计算设备的架构来实现。图6示出了该计算设备的架构。如图6所示，计算机系统201、系统总线203、一个或多个CPU 204、输入/输出组件202、存储器205等。存储器205可以存储计算机处理和/或通信使用的各种数据或文件以及CPU所执行的程序指令，程序指令包括执行实施例1所述的方法。图6所示的架构只是示例性的，在实现不同的设备时，根据实际需要调整图6中的一个或多个组件。

实施例4

本发明实施例也可以被实现为计算机可读存储介质。根据实施例的计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令。当所述计算机可读指令由处理器运行时，可以执行参照以上附图描述的根据本发明实施例1的双队列短包系统的高时效传输模式选择方法。

综合上述各实施例提供的双队列短包系统的高时效传输模式选择方法、装置及计算机存储介质，针对双队列短包域中复用和分集传输模式的时效性增益不清晰的问题，首先，根据排队论和短包传输理论，考虑队列容量为0的后到先服务系统，推导两种传输模式的平均PAoI关于信噪比和更新速率的表达式；然后根据e指数的泰勒一阶展开公式等近似方法，分析两种传输模式相比于单队列系统的PAoI增益；根据PAoI增益和数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；最后根据信噪比阈值进行传输模式选择。最终得到的有益效果是：通过信噪比阈值进行高时效传输模式选择，并根据平均峰值信息年龄PAoI体现高时效传输模式选择方法的有效性，充分利用了双队列短包域中复用模式传输得到更高的传输速率，从而降低AoI的优势以及分集传输模式可以获得更高传输可靠性的优势。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法所固有的要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双队列短包系统的高时效传输模式选择方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

根据排队论和短包传输理论，分别得到短包域复用模式和短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C、G_D；

根据G_C、G_D、以及数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导得到数据包更新在高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；

根据信噪比阈值进行传输模式选择，具体为：

在高速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于高速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式；

在低速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于低速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式。

2.根据权利要求1所述的高时效传输模式选择方法，其特征在于，所述短包域复用模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C为：

其中ζ₁＝1-E[ε_M](π₁p₁₁+π₁p₁₂+π₂p₂₁+π₃p₃₁)-π₂p₂₃-π₃p₃₃，φ＝M/(1-e^-λM)-1/λ，λ表示数据包的更新速率，M表示数据包的传输时间，

m表示数据包长，π表示圆周率，L表示传输的信息比特数，

表示平均信噪比，

δ＝e^L/m-1，E[ε_M]表示短包域复用模式下的平均错误率，π₁、π₂、π₃分别表示短包域复用模式下数据包传输的3种稳态概率，p_ij表示状态i向j转移的概率，i,j∈{1,2,3}。

3.根据权利要求2所述的高时效传输模式选择方法，其特征在于，所述短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_D为：

4.根据权利要求2所述的高时效传输模式选择方法，其特征在于，所述数据包更新在低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值

为

的根，其中

5.根据权利要求2所述的高时效传输模式选择方法，其特征在于，所述数据包更新在高速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值

为：

6.一种双队列短包系统的高时效传输模式选择装置，其特征在于，所述装置包括：

平均峰值信息年龄PAoI增益获取模块，用于根据排队论和短包传输理论，分别得到短包域复用模式和短包域分集模式相比于单队列系统的平均峰值信息年龄PAoI增益G_C、G_D；

信噪比阈值获取模块，用于根据G_C、G_D、以及数据包在双队列复用模式下的转移概率分别推导得到数据包更新在高速率和低速率情况下高时效传输模式切换的信噪比阈值；

传输模式选择模块，用于根据信噪比阈值进行传输模式选择，具体为：

在高速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于高速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式；

在低速率情况下，当双队列短包系统平均信噪比大于或等于低速率情况下的信噪比阈值，采用短包域复用模式，否则，采用短包域分集模式。

7.一种双队列短包系统的高时效传输模式选择装置，其特征在于，包括：处理器；以及存储器，其中，所述存储器中存储有计算机可执行程序，当由所述处理器执行所述计算机可执行程序时，执行权利要求1-5中任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有指令，所述指令在被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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