一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法
【專利摘要】一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，本發(fā)明涉及基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法。本發(fā)明的目的是解決當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)距離未知或?yàn)椴欢ㄖ禃r(shí)，由于其到達(dá)接收機(jī)功率的不確定性，通過(guò)現(xiàn)有計(jì)算方法很難給出誤包率具體數(shù)值的問(wèn)題。步驟一、根據(jù)干擾WLAN發(fā)射機(jī)與期望SUN接收機(jī)之間的距離分布以確定干擾信號(hào)到達(dá)期望SUN接收機(jī)的功率Pr的概率分布函數(shù)步驟二、確定期望SUN接收機(jī)的信干噪比的概率分布函數(shù)；步驟三、確定誤碼率上限的概率分布函數(shù)；步驟四、確定誤包率的概率分布函數(shù)；步驟五、求出誤包率的平均值。本發(fā)明應(yīng)用于通信領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 智能電網(wǎng)是一種融合了電力、控制和通信技術(shù)的復(fù)雜而又精細(xì)的系統(tǒng)，它能夠監(jiān) 測(cè)和優(yōu)化從發(fā)電站到終端用戶的整個(gè)電力傳輸服務(wù)。智能電網(wǎng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是能夠?qū)﹄?能和各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向傳輸，從而使得電能供應(yīng)和用戶的需求達(dá)到平衡。與電 力傳輸配套的、無(wú)處不在的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的基礎(chǔ)。就目前通信技術(shù)發(fā)展情況 來(lái)看，無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用電網(wǎng)智能化是必然選擇。為推動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)在智能電 網(wǎng)信息接入與傳輸中的應(yīng)用，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織成立專門的工作組--IEEE 802. 15. 4g智能 公用事業(yè)網(wǎng)（Smart Utility Network, SUN)標(biāo)準(zhǔn)化工作組。該工作組所制定的新的無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802. 15. 4g是一個(gè)針對(duì)大范圍智能控制應(yīng)用的全球網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其主要功能是 通過(guò)較大地理范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)和控制。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種 低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其主要應(yīng)用場(chǎng)景是智能電網(wǎng)中的鄰域數(shù) 據(jù)接入與傳輸網(wǎng)。
[0003] IEEE 802. 15. 4g標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的SUN工作頻段是免許可的公共頻段，最典型的頻段 是ISM 2. 4GHz頻段。在智能電網(wǎng)鄰域組網(wǎng)應(yīng)用中，SUN主要用于連接智能電表間的信息接 入與傳輸，將一定地理范圍內(nèi)的智能電表組成無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一種工作在免許可頻段 上的新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，研究其在公共頻段上與其他共存網(wǎng)絡(luò)的相互干擾特性是組網(wǎng)時(shí)必 須考慮的問(wèn)題，例如同樣應(yīng)用于鄰域網(wǎng)的WLAN(Wireless Local Area Network)網(wǎng)絡(luò)也工 作在2. 4GHz的頻段上，因而WLAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)SUN網(wǎng)絡(luò)的干擾是不可避免的。由于SUN是一種 新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前還沒(méi)有專門針對(duì)存在隨機(jī)分布的WLAN網(wǎng)絡(luò)干擾時(shí)SUN網(wǎng)絡(luò)工作性能的 相關(guān)研究。
[0004] 一般通過(guò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼`包率（PER)、平均接收時(shí)間、平均傳輸時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)吞吐 量來(lái)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的干擾特性，而網(wǎng)絡(luò)的PER性能也直接決定了吞吐量、時(shí)延等其他性能。因 此，通過(guò)分析SUN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的PER特性，可以從理論上得出SUN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的干擾特性。通常 在計(jì)算PER時(shí)，若一個(gè)數(shù)據(jù)包中至少存在一個(gè)錯(cuò)誤比特，則稱其為一個(gè)差錯(cuò)數(shù)據(jù)包。誤包率 大小不僅與數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼`碼率有關(guān)也與數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度有關(guān)。求系統(tǒng)誤包率的傳統(tǒng)方法可 以用下面的式子表示
[0005] Pp=l-(l-Pb)N
[0006] 式中，Pp表示誤包率，Pb表示系統(tǒng)的誤碼率，N為數(shù)據(jù)包的總比特?cái)?shù)。該誤包率計(jì) 算模型是一個(gè)非常粗糙的模型，在計(jì)算過(guò)程中只考慮了系統(tǒng)誤碼率特性，并沒(méi)有考慮兩個(gè) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包傳輸模式，因而并不能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的誤包率性能。
[0007] 傳統(tǒng)的包碰撞模型在分析誤包率方面有很大的局限性，僅適用于分析干擾節(jié)點(diǎn)到 接收機(jī)距離固定時(shí)的系統(tǒng)工作性能。而在實(shí)際中，作為SUN網(wǎng)絡(luò)的部署人員，我們很難明確 地給出其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（即WLAN網(wǎng)絡(luò)）節(jié)點(diǎn)位置的具體信息，并且干擾節(jié)點(diǎn)的位置也可能是可 變的，因而很難應(yīng)用傳統(tǒng)的包碰撞模型計(jì)算出SUN系統(tǒng)的誤包率。例如，在圖2所示的SUN 與WLAN的共存情況中，作為SUN系統(tǒng)的部署人員，期望SUN發(fā)射機(jī)Td與期望SUN接收機(jī)的 位置t是已知的，因而之間的距離r sun是可以獲得的，而實(shí)際情況中我們很難獲得WLAN干 擾源?\的位置信息，因而其與t之間的距離r是未知的，但大部分情況下，可以分析出干擾 源分布的大致區(qū)域（即圖中的灰色圓環(huán)區(qū)域），進(jìn)而得到干擾源與接收機(jī)距離的變化范圍 [R min，R_]，在無(wú)法獲得干擾源真實(shí)位置的情況下，可以假設(shè)干擾源在該區(qū)域內(nèi)是隨機(jī)存在 的，即距離r是區(qū)間[R min，Rmax]上均勻分布的隨機(jī)變量。在這種共存場(chǎng)景中，原有的包碰撞 模型由于其無(wú)法適應(yīng)變化的誤碼率而失去了解決問(wèn)題的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是解決當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)距離未知或?yàn)椴欢ㄖ禃r(shí)，由于其到達(dá)接 收機(jī)功率的不確定性，通過(guò)現(xiàn)有計(jì)算方法很難給出誤包率具體數(shù)值的問(wèn)題，而提供一種通 過(guò)結(jié)合概率論和現(xiàn)有包碰撞模型建立的平均誤包率以及誤包率分布函數(shù)的計(jì)算方法，其具 體方法按照以下步驟進(jìn)行：
[0009] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 步驟一、根據(jù)干擾WLAN發(fā)射機(jī)與期望SUN接收機(jī)之間的距離分布以確定干擾信號(hào) 到達(dá)期望SUN接收機(jī)的功率已的概率分布函數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在于：一種基于概率論及 包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、根據(jù)干擾WLAN發(fā)射機(jī)與期望SUN接收機(jī)之間的距離分布以確定干擾信號(hào)到達(dá) 期望SUN接收機(jī)的功率已的概率分布函數(shù)
步驟二、根據(jù)干擾信號(hào)到達(dá)期望SUN接收機(jī)的功率已的概率分布函數(shù)
以確定期 望SUN接收機(jī)的信干噪比的概率分布函數(shù)； 步驟三、根據(jù)期望SUN接收機(jī)的信干噪比的概率分布函數(shù)確定誤碼率上限的概率分布 函數(shù)； 步驟四、結(jié)合包碰撞模型以及誤碼率上限的概率分布函數(shù)，確定誤包率的概率分布函 數(shù)； 步驟五、求出誤包率的平均值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述步驟一中干擾源與期望SUN接收機(jī)之間的距離r為圓環(huán)內(nèi)均勻分布隨機(jī)變量，則r 的概率分布函數(shù)Fr(x)為

結(jié)合干擾信號(hào)發(fā)射功率，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗模型，得到干擾信號(hào)到達(dá)期望SUN 接收機(jī)的功率已的分布： 若干擾信號(hào)發(fā)射功率用Pt表示，則干擾信號(hào)到達(dá)期望SUN接收機(jī)的功率為 其中b為路徑損耗系數(shù)； 距離r的取值范圍為[Rmin，Rmax]，[Rmin，Rmax]為干擾源與期望SUN接收機(jī)距離的變化范 圍，則已對(duì)應(yīng)的取值范圍用閉合區(qū)間來(lái)表示，其中
根據(jù)距離r的分布得到干擾信號(hào)到達(dá)期望SUN接收機(jī)的功率已的概率分布函數(shù)&; 〇v) 為
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述路徑損耗系數(shù)b的取值為4。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述步驟二中期望SUN接收機(jī)的信干噪比的表達(dá)式為
，其中SINR為信干 噪比，隊(duì)為接收端接收到的高斯白噪聲的功率，Pde為期望信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的功率； 同理，若信干噪比的取值范圍用[SINRmin，SINRmax]表示，則

根據(jù)干擾信號(hào)到達(dá)期望SUN接收機(jī)的功率匕的概率分布函數(shù)，得到期 望SUN接收機(jī)的信干噪比的概率分布函數(shù)為
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述Pde值根據(jù)步驟一中選定的路徑損耗模型和所設(shè)定的發(fā)射功率求得。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述步驟三中在求得到達(dá)期望SUN接收機(jī)的信干噪比后，即可根據(jù)SUN接收機(jī)的調(diào)制解 調(diào)方式，得出信干噪比與誤碼率之間的計(jì)算關(guān)系式； 單干擾源存在時(shí)的誤碼率Pb>1為：
其中，Q(x)為高斯分布的Q函數(shù)；高斯分布的Q函數(shù)具有如下所示的關(guān)系
從而可以得到誤碼率的上限，即Pb， up
同理，若Pb，up的取值范圍用
I表不，貝1J

;根據(jù)得到的信干噪比的分布可以得到誤碼率上限的概率分布函 數(shù)/·^為
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述步驟四中包碰撞模型具體為： 當(dāng)考慮到單干擾存在的情況下，在期望數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間內(nèi)只有碰撞和不碰撞這兩種情 況存在； 若期望數(shù)據(jù)包總時(shí)間長(zhǎng)度為L(zhǎng)s，每比特持續(xù)時(shí)間為Tb，則期望數(shù)據(jù)包總比特?cái)?shù)
若用隊(duì)表示期望數(shù)據(jù)包中未與干擾數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的比特?cái)?shù)，&表示期望數(shù)據(jù)包中與干擾 數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的比特?cái)?shù)，則顯然有等式關(guān)系N = 成立； 結(jié)合期望數(shù)據(jù)包的比特?cái)?shù)以及對(duì)應(yīng)比特的誤碼率，可以得到期望數(shù)據(jù)包的誤包率匕為
其中Pb;1，Pb;。分布表示單干擾以及無(wú)干擾存在時(shí)的誤碼率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述步驟四中的計(jì)算與步驟三中Pbil的計(jì)算方法相同，將其中干擾信號(hào)到達(dá)接收機(jī) 的功率已的數(shù)值帶入〇 ;在信干噪比大于1的情況下，單干擾存在時(shí)的誤碼率上限值與實(shí)際 值間的絕對(duì)誤差小，且隨著信噪比的增大誤差迅速減??； 在實(shí)際工作情況中，信干噪比總是大于1的，因而可用誤碼率的上限代替上式中的誤 碼率，從而得到誤包率的表達(dá)式，即
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述利用變量代換的方式求出誤包率的概率分布函數(shù)： (1)首先4
則
；繼而令
則有
再令T = lnd-PbJ-lnd-Phup),考慮到當(dāng)X趨近于0時(shí)，有l(wèi)n(l-x) ~ -X ;而誤碼率 Pb，up取值都非常小，所以有T。In (1-Pb，J +Pb，up ;則變量T的誤包率Pp，up概率分布函數(shù)FT (X) 為
若T的取值范圍用
表示，則

? ⑵繼而定義三個(gè)變量D，Dp D2，其中D = InNJ，Di = In%，D2 = InT ;則顯然有等式D =Di+D2成立；根據(jù)得到的變量T的取值范圍和變量T的誤包率概率分布函數(shù)FT(x)，可以 得到變量仏的取值范圍和變量D 2的誤包率概率分布方程；若仏的取值范圍用
表示，則
，變量D2的誤包率概率分布方程
為
期望數(shù)據(jù)包內(nèi)與干擾數(shù)據(jù)包重疊的比特?cái)?shù)在其取值范圍內(nèi)均勻分布，換言之，&為區(qū) 間[1，N]內(nèi)均勻分布的離散隨機(jī)變量；因此變量01的取值范圍為[0, InN]，變量Di在該區(qū) 間取任意值的誤包率概率分布方程為
繼而可求出D的取值范圍和變量D的誤包率概率分布方程fD(x);若D的取值范圍用
表示，則
；變量D的誤包率概率分布方程fD (X)為
變量D的概率分布函數(shù)FD(x)為

(3)變量Z與D的關(guān)系式為Z = Nlnd-PbJ-e11，因此可以確定變量Z的取值 范圍[Zmin，Zmax]以及變量Z的誤包率概率分布函數(shù)，其中
.變量Z的誤包率概率分布函數(shù)？2〇〇為 Fz(x) = l-FD(ln(Nln(l-Pb，0)-x)) 而變量Z與誤包率具有等式關(guān)系PRup = l-ez，同理可以確定P",m的取值范圍
以及誤包率概率分布函數(shù)，其中
〃變量 Z的誤包率概率分布函數(shù)
為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種基于概率論及包碰撞模型的誤包率計(jì)算方法，其特征在 于：所述步驟五中用誤包率的平均值來(lái)反映當(dāng)前情況下系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度以及工作性能；結(jié) 合變量D的概率分布函數(shù)及其與誤包率概率分布函數(shù)的關(guān)系，可以得出誤包率的平均值 PP，V 為
【文檔編號(hào)】H04L12/26GK104158703SQ201410418399
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】陳曉華, 陳舒怡, 馬若飛, 孟維曉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)