本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于非理想電路損耗的多接收端系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)流傳輸方法。

背景技術(shù)：

近年來，越來越嚴峻的環(huán)境問題擺在人類面前。節(jié)能、降耗、減排成了大勢所趨。通信作為一種服務(wù)業(yè)，依賴大量的工業(yè)產(chǎn)品，如基站、終端設(shè)備、傳輸路線等。這些都會隨著網(wǎng)絡(luò)市場的大規(guī)模擴大而翻倍增加，耗能巨大。因此，能效這樣一個新興技術(shù)的提出，旨在設(shè)計新型的通信系統(tǒng)來達到顯著的能耗節(jié)省來減少通信系統(tǒng)的開銷以及碳排放。

在通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)包的高能效傳輸是能效研究的一個熱點問題。特別地，無線數(shù)據(jù)流傳輸機制的相關(guān)研究結(jié)果表明，在無電路損耗的影響下，通過低速率的勻速傳輸可以有效地降低數(shù)據(jù)流的傳輸能耗。然而，實際情況中，由放大器、濾波器、DSP、整流器、振蕩器等引起的電路損耗是不可忽視的。由于電路損耗的影響，低速率的傳輸數(shù)據(jù)包有可能增加電路損耗，從而使整個網(wǎng)絡(luò)的能耗增加。因此，當設(shè)計能效的實時通信系統(tǒng)時，電路損耗是一個十分重要的考慮因素。

當前的無線數(shù)據(jù)傳輸研究主要側(cè)重于高斯白噪聲時不變點對點信道中的能效傳輸，即系統(tǒng)中具有一個發(fā)射端，一個接收端。然而在當前實際的無線通信系統(tǒng)中，信道多種多樣，存在多址接入信道、廣播信道、多輸入多輸出信道。現(xiàn)有技術(shù)中并未考慮更具一般性的系統(tǒng)模型，即系統(tǒng)具有多個接收端。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，提供一種在具有非理想電路損耗的高斯白噪聲時不變信道中，考慮具有單個發(fā)射端、多個接收端的系統(tǒng)在滿足因果性約束和截止時刻約束的前提下，實現(xiàn)能效的傳輸機制來降低系統(tǒng)總能耗的方法，本發(fā)明提出基于非理想電路損耗的多接收端系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)流傳輸方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

基于非理想電路損耗的多接收端系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)流傳輸方法，所述多接收端系統(tǒng)包括單個發(fā)射端和若干接收端；該方法包括步驟：

(1)發(fā)射端獲取時間窗[0，τ]內(nèi)到達數(shù)據(jù)包的到達時刻、截止時刻和數(shù)據(jù)包大小，并按照數(shù)據(jù)包的到達時刻對這些數(shù)據(jù)包進行排序，最早到達的數(shù)據(jù)包序號最?。?/p>

(2)定義j表示迭代次數(shù)，令j＝1；初始化m₀＝k₀＝s₀＝q₀＝0；

(3)找出第j輪迭代中第一個破壞因果性限制條件或截止時刻限制條件的數(shù)據(jù)包m_j；

(4)判斷步驟(3)得到的m_j是否為破壞因果性限制條件的數(shù)據(jù)包；若判斷結(jié)果為是，發(fā)射端從時刻開始以最高能效的傳輸時間傳輸數(shù)據(jù)包到m_j，在包m_j傳輸完成時刻到包m_j+1到達時刻之間，發(fā)射器處于休息狀態(tài)；若判斷結(jié)果為否，則不能決定數(shù)據(jù)包m_j-1+1到m_j的開始傳輸時刻和傳輸時間；

(5)步驟(4)完成后，令j＝j(luò)+1，返回步驟(3)，當所有數(shù)據(jù)包均被考慮一遍后停止迭代并進入步驟(6)；

(6)將剩余未確定開始傳輸時刻和傳輸時間的數(shù)據(jù)包按照到達時刻重新排序，形成數(shù)據(jù)包集合為剩余的數(shù)據(jù)包確定開始傳輸時刻和傳輸時間，包括步驟：

(6-1)定義k表示迭代次數(shù)，表示第k輪迭代中數(shù)據(jù)包i的開始傳輸時刻，表示第k輪中數(shù)據(jù)包i的傳輸時間，初始化k＝0，則

(6-2)令k＝k+1，對任意兩個序號相鄰的數(shù)據(jù)包構(gòu)建局部能量最小化模型：

在不變的條件下求解該模型，式中，ω_i表示傳輸?shù)趇個包所需要的能量消耗；轉(zhuǎn)入步驟(4-4)；

(6-3)判斷是否滿足若判斷結(jié)果為否，則返回步驟(6-2)；否則，結(jié)束迭代。

進一步的，所述步驟(3)中在第j輪迭代中找出第一個破壞因果性限制條件或截止時刻限制條件的數(shù)據(jù)包的方式為：

m_j＝min(k_j，s_j)

式中，k_j為第j輪迭代中第一個破壞因果性限制條件的數(shù)據(jù)包；s_j為第j輪迭代中第一個破壞截止時刻限制條件的數(shù)據(jù)包；q_j表示數(shù)據(jù)包m_j的緩沖時間，M表示時間窗[0，τ]內(nèi)到達的數(shù)據(jù)包的總數(shù)；τ_ei表示數(shù)據(jù)包i的最高能效傳輸時間；t_i表示數(shù)據(jù)包i的到達時刻；T_i表示數(shù)據(jù)包i的截止時刻；e_i＝t_i+1-t_i表示數(shù)據(jù)包i和數(shù)據(jù)包i+1之間的到達時間間隔。

進一步的，所述最高能效傳輸時間的計算方法為：

式中，B_i表示數(shù)據(jù)包i的大小，W表示朗伯W函數(shù)，α表示電路損耗，表示發(fā)射端和預(yù)期的數(shù)據(jù)包i的接收者u_i之間的信道增益，σ²表示噪聲方差。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

1本發(fā)明考慮了在信號處理過程中，由放大器、濾波器、DSP、整流器、振蕩器等引起的電路損耗，符合實際無線通信場景的要求。

2本發(fā)明考慮具有多個接收端的系統(tǒng)模型，對已有點對點信道的傳輸模型進行了有效地拓展和一般化，同時也符合實際無線通信場景的要求。

3本發(fā)明提出了新穎的基于迭代的方法，將被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包分為兩種類型，一類數(shù)據(jù)包通過使用最高能效的傳輸時間傳輸，另一類數(shù)據(jù)包使用基于迭代的方法來確定其傳輸時間，有效地降低了系統(tǒng)的總能量消耗。

附圖說明

圖1為以數(shù)據(jù)包到達率為自變量，系統(tǒng)采用本發(fā)明所提出的技術(shù)方案與采用現(xiàn)有機制的總能耗對比圖；

圖2為以數(shù)據(jù)包截止時刻限制為自變量，系統(tǒng)采用本發(fā)明所提出的技術(shù)方案與采用現(xiàn)有機制的總能耗對比圖。

具體實施方式

本發(fā)明是在具有非理想電路損耗的高斯白噪聲時不變信道中，考慮具有單個發(fā)射端、多個接收端的系統(tǒng)在滿足因果性約束和截止時刻約束的前提下，實現(xiàn)能效的傳輸機制來降低系統(tǒng)總能耗的方法。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。

實施例：本實例以實時數(shù)據(jù)流傳輸為例，設(shè)置系統(tǒng)包含一個發(fā)送端(基站或移動用戶)，5個接收端(基站或移動用戶)，電路損耗為3W。假設(shè)通信信道為高斯白噪聲時不變信道，數(shù)據(jù)包的大小、到達時刻和截止時刻以及信道狀態(tài)信息對于發(fā)送端而言均為已知信息。

本實施例中接收端的工作流程如下：

(1)發(fā)射端按照數(shù)據(jù)包的到達時刻對這些數(shù)據(jù)包進行排序，最早到達的數(shù)據(jù)包序號最??；

(2)根據(jù)公式(1)計算數(shù)據(jù)包i的最高能效傳輸時間，即沒有截止時刻限制下的最少能耗傳輸時間：

式中，B_i表示數(shù)據(jù)包i的大小，W表示朗伯W函數(shù)，α表示電路損耗，表示發(fā)射端和預(yù)期的數(shù)據(jù)包i的接收者u_i之間的信道增益，σ²表示噪聲方差；

(3)初始化迭代變量：設(shè)m₀＝k₀＝s₀＝q₀＝0，j＝1，t_i表示數(shù)據(jù)包i的到達時刻，T_i表示數(shù)據(jù)包i的截止時刻，e_i＝t_i+1-t_i表示數(shù)據(jù)包i+1和數(shù)據(jù)包i之間的到達時間間隔。

(4)根據(jù)公式(2)、(3)、(4)、(5)找到在第j輪迭代中，第一個破壞因果性限制或截止時刻限制條件的數(shù)據(jù)包序號m_j：

m_j＝min(k_j，s_j) (5)

式中，k_j為第j輪迭代中第一個破壞因果性限制條件的數(shù)據(jù)包；s_j為第j輪迭代中第一個破壞截止時刻限制條件的數(shù)據(jù)包；q_j表示數(shù)據(jù)包m_j的緩沖時間，M表示時間窗[0，τ]內(nèi)到達的數(shù)據(jù)包的總數(shù)；τ_ei表示數(shù)據(jù)包i的最高能效傳輸時間；t_i表示數(shù)據(jù)包i的到達時刻；T_i表示數(shù)據(jù)包i的截止時刻；e_i＝t_i+1-t_i表示數(shù)據(jù)包i和數(shù)據(jù)包i+1之間的到達時間間隔；

(5)根據(jù)步驟(4)的計算結(jié)果，如果m_j＝s_j，不能決定包m_j-1+1到包m_j的傳輸時間；如果m_j＝k_j，那么將一組連續(xù)的數(shù)據(jù)包m_j-1+1到m_j分為第一類數(shù)據(jù)包，從時刻，發(fā)射端開始用最高能效的傳輸時間傳輸數(shù)據(jù)包m_j-1+1到m_j，直到包m_j傳輸完畢，在包m_j傳輸完的時刻到包m_j+1的到達時刻之間，發(fā)射器處于休息狀態(tài)。

(6)步驟(5)結(jié)束后，將作為新的起點，更新j＝j(luò)+1，返回步驟(4)，直至所有數(shù)據(jù)包被考慮一遍后轉(zhuǎn)入步驟(7)。

(7)發(fā)射端將剩余未確定開始傳輸時刻和傳輸時間的數(shù)據(jù)包分為第二類數(shù)據(jù)包，并未第二類數(shù)據(jù)包確定開始傳輸時刻和傳輸時間，具體實現(xiàn)方法如下：

(7-1)初始化迭代變量：設(shè)k＝0，其中k表示第k輪迭代；重新分配的序列號集合聲其中N表示數(shù)據(jù)包的總數(shù)；t_i，T_i，分別表示第i個數(shù)據(jù)包的到達時刻，截止時刻以及在第k輪中包i的開始傳輸時刻和傳輸時間，其中初始化包的到達時刻為包的傳輸時刻，即初始化第i個包的傳輸時間為：

(7-2)第k次迭代中，依次對包i和包i+1進行局部最優(yōu)化求解。固定和使保持恒定，根據(jù)公式(6)找到使得傳輸這兩個包消耗的局部能量最小的包i+1的開始傳輸時刻：

更新k＝k+1，則轉(zhuǎn)入步驟(7-3)；ω_i表示傳輸?shù)趇個包所需要的能量消耗；

(7-3)判斷此輪迭代更新后的狀態(tài)和上輪迭代更新后的狀態(tài)是否相同，即是否滿足若滿足，則停止迭代，否則返回步驟(7-2)。

如圖1所示為以數(shù)據(jù)包到達率為自變量，系統(tǒng)采用本發(fā)明所提出的技術(shù)方案與采用現(xiàn)有機制的總能耗對比圖；對于圖1的設(shè)置，發(fā)送端在時間窗[0，80]內(nèi)根據(jù)不同的包到達率0.1、0.2、…、1.0包/秒產(chǎn)生連續(xù)的包序列。每個包的截止時刻設(shè)為1s，每個包的大小設(shè)為1KBits。由圖1可以看出，隨著數(shù)據(jù)包到達率由0.1包/秒增至1.0包/秒，我們提出的能效傳輸方法優(yōu)于現(xiàn)有傳輸機制。同時，由于數(shù)據(jù)包到達率的增加，包序列的總大小增加，因此，兩種機制的總傳輸能耗增加。當包到達率從0.4包/秒變化至0.5包/秒時，傳輸總能耗迅速增大。這是因為，在包到達率小于0.4包/秒時，這里將存在許多空閑時段，發(fā)射器可以處于關(guān)閉狀態(tài)從而節(jié)省大量電路耗能。但是，當包到達率大于0.5包/秒，發(fā)射器將一直處于開的狀態(tài)，從而消耗大量的能量。

圖2為以數(shù)據(jù)包截止時刻限制為自變量，系統(tǒng)采用本發(fā)明所提出的技術(shù)方案與采用現(xiàn)有機制的總能耗對比圖。圖2的設(shè)置為：發(fā)送端在時間窗[0，500]內(nèi)存在500個包需要被傳輸，數(shù)據(jù)包具有不同的截止時刻限制0.2、0.4、…、1.8秒。圖1、圖2的仿真結(jié)果都是在1000次仿真結(jié)果中取平均值。由圖2可以看出，本發(fā)明提出的能效傳輸方法在不同的數(shù)據(jù)包截止時刻限制的情況下總是要優(yōu)于現(xiàn)有傳輸機制，并且隨著包的截止時刻的增大，截止時刻限制條件變得越來越松，能耗越來越小，進而所有的包都可以以最高能效的傳輸時間進行傳輸，能耗不再改變。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。