專利名稱：通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā)送方法
通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā)送方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的領(lǐng)域，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、無線 局域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等，特別是涉及到無線共享信道的多址接入技術(shù)。
背景技術(shù)：
無線信道是一個共享的傳輸介質(zhì)。因此，當(dāng)多個用戶同時在信道上通信時必然將 導(dǎo)致碰撞，從而降低了系統(tǒng)的通過率。如何避免數(shù)據(jù)在廣播信道上的碰撞并提高鏈路的利 用率是多址接入的一個核心的問題。目前，多址接入算法主要有固定分配、按需分配和隨 機(jī)爭用3種類型。由于網(wǎng)絡(luò)的分布式特性和臨時性，以及業(yè)務(wù)的突發(fā)性，使得固定分配的多 址接入?yún)f(xié)議、按需分配的多址接入?yún)f(xié)議都不能有效的發(fā)揮作用。隨機(jī)爭用多址接入算法在 一定條件下能有效占用信道資源，減小轉(zhuǎn)接時延的技術(shù)，已得到廣泛的應(yīng)用。采用隨機(jī)爭用 多址接入算法的系統(tǒng)有一個共同特點(diǎn)，即系統(tǒng)中的用戶隨機(jī)占用信道資源，發(fā)送信息分組， 當(dāng)發(fā)送的信息分組沖突時，則需進(jìn)行沖突分解。這種系統(tǒng)具有不需集中控制，終端站增減容 易，操作簡便和傳送時延小等優(yōu)點(diǎn)。在輕負(fù)載情況下，系統(tǒng)中信息分組發(fā)生沖突的概率較 小，每個站可根椐需要有效地利用信道。但是隨著負(fù)載的加重，沖突會不斷增多，由于沖突 的信息分組需要重發(fā)，這會使時延增大、吞吐量下降，因此采用合理的沖突分解算法，就成 了提高隨機(jī)爭用多址訪問系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題。
沖突分解的基本思想是如果系統(tǒng)中有分組發(fā)生碰撞，則讓新到達(dá)的用戶業(yè)務(wù) 分組在系統(tǒng)外等待，在參與碰撞的分組均成功傳輸結(jié)束后，再讓新分組傳輸。目前，經(jīng) 典的沖突分解算法有樹形沖突分解算法和FCFS(First-Come First-Serve Splitting Algorithm，先到先服務(wù)沖突分解算法)沖突分解算法。
現(xiàn)有的沖突分解方法有
1、樹形沖突分解主要以二叉樹形分解算法為主，在二叉樹形分解算法中參加碰 撞的分組以某一概率隨機(jī)的選擇進(jìn)入左集或右集，并保證左集的優(yōu)先級比右集的高，即只 有當(dāng)左集分解成功后，才能進(jìn)入右集的分解。參見文獻(xiàn)J I Capetanakis. Tree Algorithms for PacketBroadcast Channels[J], IEEE Transactions on Information Theory, Septemberl979,Vol. 25, No. 5, Page (s). 505-515.樹形沖突分解對待沖突報(bào)文時，完全基于 隨機(jī)的方式，當(dāng)發(fā)生沖突的分組數(shù)比較多時，系統(tǒng)的時隙利用率會降低。
2、FCFS沖突分解發(fā)生碰撞的分組凍結(jié)在碰撞窗口中，然后碰撞分組按產(chǎn)生時 間先后進(jìn)行分解，保證先到達(dá)的分組先成功傳輸。參見文獻(xiàn)D Bertsekas, R Gallager. DataNetworks [Μ], 2nd Edition, Prentice-Hall, USA, 1992, Page (s) :229-238. FCFS沖突分 解算法根據(jù)報(bào)文的到達(dá)時間進(jìn)行調(diào)度，可以減少空閑時隙，但是當(dāng)碰撞分組中存在產(chǎn)生間 隔比較近的分組時，用時間條件分解將需要進(jìn)行多次分解，特別是當(dāng)用戶業(yè)務(wù)具有自相似 性時候，業(yè)務(wù)的時間突發(fā)性非常強(qiáng)，F(xiàn)CFS的效率將顯著下降。
3、HSA(Hybrid Splitting Algorithm，混合型沖突分解算法)繼承了樹形分解 算法和FCFS沖突分解算法的優(yōu)點(diǎn)，不僅考慮了碰撞分組的產(chǎn)生時間，使先產(chǎn)生的分組先得到服務(wù)，同時當(dāng)系統(tǒng)中存在產(chǎn)生間隔比較接近的分組時，采用樹形分解算法，使整個分 解過程不再僅僅局限于分組的產(chǎn)生時間，從而減少了分解所需的總時隙數(shù)。參見文獻(xiàn)Min Sheng,Jiandong Liand Fan Jiang. Hybrid splitting algorithm for wireless MAC,IEEE Communications Letters, vol. 9, Issue 5, May 2005Page (s) :468-470. HSA 計(jì)算從樹形分解算法切換到FCFS沖突分解算法的最佳時間點(diǎn)，該最佳時間點(diǎn)的得到需要 假定用戶業(yè)務(wù)模型是泊松過程，因此當(dāng)真實(shí)的用戶業(yè)務(wù)模型不滿足這一假設(shè)時，不能得到 最佳時間點(diǎn)，算法的性能將和樹形分解算法一致。
上述的沖突分解算法存在如下缺點(diǎn)樹形沖突分解單純依靠隨機(jī)分解的方式，當(dāng) 發(fā)生大量分組碰撞時，算法性能顯著下降；FCFS過于依靠時間條件分解碰撞報(bào)文，當(dāng)用戶 業(yè)務(wù)的時間突發(fā)性非常強(qiáng)時，算法效率下降；HSA局限性太強(qiáng)，需要假定用戶業(yè)務(wù)模型是泊 松過程，當(dāng)真實(shí)用戶業(yè)務(wù)不滿足這一假設(shè)時，其應(yīng)用范圍受限。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能準(zhǔn)確預(yù)測用戶業(yè)務(wù)分組達(dá)到時間，從 而將通信信道中的分組沖突有效分解的分組發(fā)送方法。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā) 送方法，包括以下步驟
A基于預(yù)測的分組發(fā)送步驟
Al系統(tǒng)已發(fā)送完畢在時間T(k)之前達(dá)到的用戶業(yè)務(wù)分組；
A2系統(tǒng)通過對時間T(k)之前已發(fā)送完畢的用戶業(yè)務(wù)分組的達(dá)到的時間序列建立 FARIMA (自回歸分?jǐn)?shù)整合滑動平均)模型；
A3通過所述FARIMA模型預(yù)測下一個用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間足(1)；
A4系統(tǒng)在當(dāng)前時隙k內(nèi)傳輸在[T(k)，T(k)+a(k)]內(nèi)到達(dá)的用戶業(yè)務(wù)分組，其中 指配區(qū)間為=，如當(dāng)前時隙k內(nèi)發(fā)生分組碰撞，則進(jìn)入沖突分解分組發(fā)送步 驟；否則，返回步驟Al;
B沖突分解分組發(fā)送步驟
Bl系統(tǒng)檢查時隙k內(nèi)的分組發(fā)送狀態(tài)，如發(fā)生分組碰撞，執(zhí)行步驟B2 ；如發(fā)送成功 或發(fā)送分組為空，且指示器為左集，執(zhí)行步驟B3，如空且指示器為左集，執(zhí)行步驟B3，如發(fā) 送成功且指示器為右集，執(zhí)行步驟B4 ；
B2設(shè)置k = k+Ι，在當(dāng)前時隙k內(nèi)繼續(xù)發(fā)送上次未成功發(fā)送分組的前一半，設(shè)置 T(k) =T(k_l)，α (k) = α (k_l)/2，并設(shè)置指示器為左集，系統(tǒng)在當(dāng)前時隙k內(nèi)傳輸在 [T(k),T(k)+a(k)]內(nèi)到達(dá)的用戶業(yè)務(wù)分組，之后，返回步驟Bl ；
B3設(shè)置k = k+Ι，在當(dāng)前時隙k內(nèi)繼續(xù)發(fā)送上次未成功發(fā)送分組的后一半，設(shè)置 T(k) =T(k-l) + a (k-1)，a (k) = a (k_l)，并設(shè)置指示器為右集，系統(tǒng)在當(dāng)前時隙k內(nèi)傳 輸在[T(k),T(k)+a(k)]內(nèi)到達(dá)的用戶業(yè)務(wù)分組，之后，返回步驟Bl ；
B4設(shè)置k = k+Ι，并設(shè)置指示器為右集，并返回步驟Al。
本發(fā)明為了在分組發(fā)送過程中更好地進(jìn)行沖突分解，由用戶業(yè)務(wù)建模對用戶業(yè)務(wù) 分組的達(dá)到時間序列建立一個用時間描述的數(shù)學(xué)模型，方便對未來的用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá) 時間進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)有多個分組需要發(fā)送且發(fā)生沖突時，可根據(jù)預(yù)測結(jié)果快速的分解分組。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于通過預(yù)測下一個用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間足(1)來確定當(dāng) 前時隙內(nèi)分組發(fā)送的指配區(qū)間α㈨= Λ(1)-Γ㈨，指配區(qū)間決定了當(dāng)前時隙內(nèi)發(fā)送在a(k) 時間長度內(nèi)達(dá)到的分組。這個指配區(qū)間a(k)是一個隨下一個用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間而變化的值，為了保證被預(yù)測準(zhǔn)確，本發(fā)明采用工作在自相似與長相關(guān)情形下的數(shù)學(xué)模型-FARIMA (fractional autoregressive integrated moving average，分?jǐn)?shù)自回歸求和滑動平均)模型。傳統(tǒng)的沖突分解，都是在MAC層(介質(zhì)訪問控制子層)內(nèi)對算 法的運(yùn)行機(jī)制與參數(shù)的選取上進(jìn)行考慮，沒有考慮用戶業(yè)務(wù)的不同要求，把用戶的業(yè)務(wù)模 型都假設(shè)成泊松到達(dá)，這與當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出自相似性和長時相關(guān)性是不 一致的，對實(shí)際業(yè)務(wù)擬合不夠好，會造成沖突分解算法的實(shí)用性下降。與現(xiàn)有技術(shù)不同，本 發(fā)明采用的FARIMA模型能夠很好地匹配當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用FARIMA模型與當(dāng)前用 戶業(yè)務(wù)分組進(jìn)行擬合，再結(jié)合本發(fā)明的整個分組傳送方法，能有效降低分組時延、提高網(wǎng)絡(luò) 吞吐率。
本發(fā)明采用FARIMA(p，d，q)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā)送方法，其特征在于，包括以下步驟 A基于預(yù)測的分組發(fā)送步驟Al系統(tǒng)已發(fā)送完畢在時間T(k)之前達(dá)到的用戶業(yè)務(wù)分組；A2系統(tǒng)通過對時間T(k)之前已發(fā)送完畢的用戶業(yè)務(wù)分組的達(dá)到的時間序列建立 FARIMA 模型；A3通過所述FARIMA模型預(yù)測下一個用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間足(1)； A4系統(tǒng)在當(dāng)前時隙k內(nèi)傳輸在[T(k)，T(k)+a(k)]內(nèi)到達(dá)的用戶業(yè)務(wù)分組，其中指配 區(qū)間為《(幻=足(1)-八幻，如當(dāng)前時隙1^內(nèi)發(fā)生分組碰撞，則進(jìn)入沖突分解分組發(fā)送步驟； 否則，返回步驟Al ；B沖突分解分組發(fā)送步驟Bl系統(tǒng)檢查時隙k內(nèi)的分組發(fā)送狀態(tài)，如發(fā)生分組碰撞，執(zhí)行步驟B2 ；如發(fā)送成功或發(fā) 送分組為空，且指示器為左集，執(zhí)行步驟B3，如空且指示器為左集，執(zhí)行步驟B3，如發(fā)送成 功且指示器為右集，執(zhí)行步驟B4 ；B2設(shè)置k = k+Ι，在當(dāng)前時隙k內(nèi)繼續(xù)發(fā)送上次未成功發(fā)送分組的前一半，設(shè)置T(k) = T(k-l), α (k) = α (k-1)/2，并設(shè)置指示器為左集，系統(tǒng)在當(dāng)前時隙k內(nèi)傳輸在[T(k)， T(k)+a(k)]內(nèi)到達(dá)的用戶業(yè)務(wù)分組，之后，返回步驟Bl ；B3設(shè)置k = k+Ι，在當(dāng)前時隙k內(nèi)繼續(xù)發(fā)送上次未成功發(fā)送分組的后一半，設(shè)置T (k) =T (k-1)+ a (k-1) , α (k) = α (k_l)，并設(shè)置指示器為右集，系統(tǒng)在當(dāng)前時隙k內(nèi)傳輸在 [T(k),T(k)+a(k)]內(nèi)到達(dá)的用戶業(yè)務(wù)分組，之后，返回步驟Bl ； B4設(shè)置k = k+Ι，并設(shè)置指示器為右集，并返回步驟Al。
2.如權(quán)利要求1所述通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā)送方法，其特征在于，步驟A2中系 統(tǒng)通過對時間T(k)之前已發(fā)送完畢的用戶業(yè)務(wù)分組的達(dá)到的時間序列建立自回歸分?jǐn)?shù)整 合滑動平均模型的具體方法為A2-1已發(fā)送完畢的用戶業(yè)務(wù)分組Xt進(jìn)行去均值操作，即進(jìn)行Xt-P，此時得到一個零均 值的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)序列Xt-μ，其中μ = E[XJ是業(yè)務(wù)序列的期望；Α2-2采用重標(biāo)極差法估計(jì)序列的赫斯特參數(shù)H，得到參數(shù)d = H-0. 5 ； A2-3得到一個自回歸滑動平均模型ARMA (P，q)序列Vt, Wt = Vd (Xt-μ)·, Α2-4利用赤池信息量準(zhǔn)則對序列Wt定階，得到p，q的值；A2-5利用近似最大似然估計(jì)得到序列Wt的所有參數(shù)θ π θ 2，. . .，θ q，φρ φ2，...， Φρ'Ο2；Α2-6 將 d，p，q，θ” θ2，..·，θ q, φ17 φ2, . . . , φρ, ο 2 帶入 FARIMA (ρ，d，q)模型，即 得到用戶業(yè)務(wù)的FARIMA(p，d，q)模型。
3.如權(quán)利要求2所述通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā)送方法，其特征在于，所述 FARIMA (p，d，q)模型為Φ{Β)ν Χ = Θ(Β)α{其中，xt為用戶業(yè)務(wù)分組到達(dá)時間序列，t表示業(yè)務(wù)分組到達(dá)的時刻，d是差分階數(shù)，滿 足d e (-0. 5，0.幻，ρ是自回歸階數(shù)，q是滑動平均階數(shù)，P、q是非負(fù)整數(shù)，at是一個零均值 且方差為σ2的維納過程，且
4.如權(quán)利要求3所述通信信道中基于預(yù)測的分組發(fā)送方法，其特征在于，步驟A3中通 過FARIMA (p，d，q)模型預(yù)測下一個用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間足(1)的方法為 禾IJ用得到的<(1)，可以得到Ii(I)，之⑴=—Σ 容⑷
全文摘要
本發(fā)明提供一種能準(zhǔn)確預(yù)測用戶業(yè)務(wù)分組達(dá)到時間，從而將通信信道中的分組沖突有效分解的分組發(fā)送方法。為了在分組發(fā)送過程中更好地進(jìn)行沖突分解，由用戶業(yè)務(wù)建模對用戶業(yè)務(wù)分組的達(dá)到時間序列建立一個用時間描述的數(shù)學(xué)模型，方便對未來的用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)有多個分組需要發(fā)送且發(fā)生沖突時，可根據(jù)預(yù)測結(jié)果快速的分解分組。本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于通過預(yù)測下一個用戶業(yè)務(wù)分組的到達(dá)時間來確定當(dāng)前時隙內(nèi)分組發(fā)送的指配區(qū)間，指配區(qū)間決定了當(dāng)前時隙內(nèi)發(fā)送在支配區(qū)間時間長度內(nèi)達(dá)到的分組。本發(fā)明采用的FARIMA模型能夠很好地匹配當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，再結(jié)合本發(fā)明的整個分組傳送方法，能有效降低分組時延、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。
文檔編號H04W74/08GK102036255SQ20101057119
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者余敬東, 劉偉, 劉軍, 楊雙懋, 蘇儉, 郭偉 申請人:電子科技大學(xué)