一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法技术

本发明专利技术提出一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法，中继服务采用基于阈值和门控的队列服务规则。本发明专利技术给出了一种平均等待时间与数据包到达率、中继服务阈值和信道统计量等参数之间关系的计算方法，并给出了平均等待时间的闭式表达式。

A method to calculate the average waiting time of users in the communication service mode of forwarding data through relay

【技术实现步骤摘要】
一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法
本专利技术通常涉及无线通信传输技术，更具体地讲，涉及一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法。
技术介绍
随着无线网络的不断演化与发展，无线网络接入点(AP：AccessPoint)和基站(BS：BaseStation)部署日趋密集化，其覆盖范围逐渐缩小。特别地，未来5G/B5G中的极高频通信传输方案，其无线电波传播更易受物理障碍影响，信号传输衰减率更大，小区覆盖范围更小。为了协助小区边缘用户或被物理障碍阻挡的用户节点数据传输，中继技术已被广泛应用。中继通信可以提高网络吞吐量、减少通信能耗，一直受到学者和工业界广泛的关注。相关研究表明，通信网络基础设施电路能耗占全部网络能耗的60％以上。尤其对于即将到来的5G网络，小区基站大量、密集部署，这会导致能耗增加。一种有效的降低能耗的方法是依据通信流量负载的变化，调整BS/AP的状态，即当流量负载较大时，激活BS/AP；否则，BS/AP处于节能模式——关闭/休眠模式。近年来，流量感知通信节点调度问题引起了学术和工业界的广泛关注。相关工作有：1)BS休眠和用户流量调度问题的研究，其目的是利用网络负载时间和空间的变化，灵活控制BS的工作状态以降低能量消耗；2)依据网络实时负载变化，优化需激活的最少BS数量；3)为满足地面用户的流量需求，动态优化空中无人机网络拓扑，从而调整无人机WIFI配置的系统设计。目前面向节能的通信队列的研究主要将N-阈值基站服务规则应用于数据包到基站的直接传输模型，即一跳队列系统。相关研究表明，考虑实际能耗模型时，能量-时延折中曲线未必呈现单调性。对于两阶段队列系统，也有若干意义重要的研究工作，但只适用于第一阶段为批处理服务模式的场景。在中继无线通信网络中，用户信息逐一被传输，因而本质上区别于前人的一跳队列和两跳批处理服务模式下的系统设计。由于数据包等待时间与数据包到达时的服务阶段密切相关，平均等待时间不能简单地利用Little定理直接求取。而通信系统进行传输功率优化、小区划分(以确定用户)时，均需要知道到底用户到底速率、通信信道质量、服务开启门限与平均等待时间的关系，即平均等待时间的计算，为系统的传输功率优化、小区划分(以确定用户)等优化提供了基础参数。目前，中继辅助两阶段队列通信服务模式下的用户等待时间的统计计算尚未有相关研究成果公布，是一个有待解决的问题。
技术实现思路
专利技术目的：为弥补现有技术的空白，本专利技术提出一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法。技术方案：本专利技术提出一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法，包括步骤：步骤1、将每个完整的数据包传输子周期分为两个服务阶段：第一服务阶段FSS和第二服务阶段SSS；步骤2、设置基于阈值和门控的服务规则：只有第二服务阶段结束时累积新到达的数据包数量大于0时，中继才会立即在第二服务阶段结束时，立即转入接收数据包状态；否则，中继处于休眠模式，直到到达的数据包累计数量为门限N时，中继才开启服务；在当前循环中，只有在当前FSS服务开始之前已经在队列中的数据包才被服务，而当前FSS期间到达的数据包，必须等待下一个循环才能被服务；步骤3、根据数据包到达中继服务器的时间，将数据包到达情况分为三种，并分别计算这三种情况下用户的平均等待时间：情况1：数据包在中继服务器空闲时到达，则各数据包的平均等待时间为：情况2：数据包在FSS期间到达，则各数据包的平均等待时间为：情况3：数据包在SSS期间到达，则各数据包的平均等待时间为：其中，表示期望算子，Pr{case1}、Pr{case2}和Pr{case3}分别表示情况1、情况2和情况3发生的概率；Wq(θ|case1)、Wq(θ|case2)、Wq(θ|case3)分别表示情况1、情况2和情况3下的数据包等待时间的LST函数。进一步的，所述情况1中，任意一数据包ui′等待的时间为以下三段时间之和：(1)剩余空闲时间；(2)FSS总时长；(3)比ui′更早到达的数据包的第二服务阶段时间总长度；对ui′要等待的时间求时长分布函数的LST变换，得到Wq(θ|case1)。进一步的，所述情况2中，任意一数据包要等待的时间为以下四段时间之和：(1)T′时长的剩余时间长度；(2)N0个数据包的总SSS服务时间长度，N0表示第一服务阶段FSS期间，新到达的数据包个数；(3)下一循环累积的N0个数据包的总FSS服务时间长度；(4)T′中逝去的时间期间，新到达的数据包的第二阶段服务总耗时，T′表示情况2中N0个数据包的FSS总服务时长；对所要等待的总时长求时长分布函数的LST变换，得到Wq(θ|case2)。进一步的，所述情况3中，任意一数据包要等待的时间为以下四段时间之和：(1)T″时长的剩余时间，T″表示N0个数据包的SSS总服务时长；(2)下一循环累积的N0个数据包的总FSS服务时长；(3)上一轮FSS服务时间，累积的N0个数据包的总SSS服务时长；(4)T″中逝去的部分时间周期，新到达的数据包的第二阶段服务总耗时；对所要等待的总时长求时长分布函数的LST变换，得到Wq(θ|case3)本专利技术具有以下有益效果：本专利技术能够计算出中继辅助两阶段队列通信服务模式下的用户等待时间与数据包到达率、队列服务速率、服务阈值等之间的关系。为通信系统的优化提供参数基础。附图说明图1为本专利技术系统模型示意图；图2为本专利技术再生周期模型示意图；图3为本专利技术理论结果验证的平均等待时间、π0与N的关系曲线图；图4为本专利技术理论结果验证的N0(z)收敛性仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，考虑由几个或单个用户、单中继和单AP组成的两级单中继队列通信系统。用户可以是微/微微小区里的密集分布用户，也可以是无线传感器中的簇头。用户数据包到达过程服从泊松分布，平均速率为λ。此处给出的技术背景为：信道衰落严重或存在物理障碍使得数据包和AP之间的直传通信链路不可用，因此采用两级服务模式，将到达的数据包传输到共同目标AP上。该中继即为队列服务器，其装置有单天线。描述中继队列服务模型，首先引入两个概念：传输子周期和再生周期。一个完整的数据包传输子周期包括两个服务阶段：第一服务阶段(FSS)和第二服务阶段(SSS)。若干个子周期构成一个再生周期。A.第一服务阶段(FSS)设N2为第二服务阶段结束时，累积新到达(即等待服务)的数据包数量。只有当N2＞0时，中继才会立即在第二服务阶段结束时，立即转入接收数据包状态。当N2＝0时，中继处于休眠模式，直到到达的数据包累计数量为门限N时，中继才开启服务。在第一服务阶段，AP处于休眠状态。值得说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法，其特征在于，包括步骤：/n步骤1、将每个完整的数据包传输子周期分为两个服务阶段：第一服务阶段FSS和第二服务阶段SSS；/n步骤2、设置基于阈值和门控的服务规则：/n只有第二服务阶段结束时累积新到达的数据包数量大于0时，中继才会立即在第二服务阶段结束时，立即转入接收数据包状态；否则，中继处于休眠模式，直到到达的数据包累计数量为门限N时，中继才开启服务；在当前循环中，只有在当前FSS服务开始之前已经在队列中的数据包才被服务，而当前FSS期间到达的数据包，必须等待下一个循环才能被服务；/n步骤3、根据数据包到达中继服务器的时间，将数据包到达情况分为三种，并分别计算这三种情况下用户的平均等待时间：/n情况1：数据包在中继服务器空闲时到达，则各数据包的平均等待时间为：/n

【技术特征摘要】
1.一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、将每个完整的数据包传输子周期分为两个服务阶段：第一服务阶段FSS和第二服务阶段SSS；
步骤2、设置基于阈值和门控的服务规则：
只有第二服务阶段结束时累积新到达的数据包数量大于0时，中继才会立即在第二服务阶段结束时，立即转入接收数据包状态；否则，中继处于休眠模式，直到到达的数据包累计数量为门限N时，中继才开启服务；在当前循环中，只有在当前FSS服务开始之前已经在队列中的数据包才被服务，而当前FSS期间到达的数据包，必须等待下一个循环才能被服务；
步骤3、根据数据包到达中继服务器的时间，将数据包到达情况分为三种，并分别计算这三种情况下用户的平均等待时间：
情况1：数据包在中继服务器空闲时到达，则各数据包的平均等待时间为：



情况2：数据包在FSS期间到达，则各数据包的平均等待时间为：



情况3：数据包在SSS期间到达，则各数据包的平均等待时间为：



其中，表示期望算子，Pr{case1}、Pr{case2}和Pr{case3}分别表示情况1、情况2和情况3发生的概率；Wq(θ|case1)、Wq(θ|case2)、Wq(θ|case3)分别表示情况1、情况2和情况3下的数据包等待时间的LST函数。


2.根据权利要求1所述的一种通过中继转发数据的通信服务模式下用户平均等待时间计算方法，其特征在于，所述情况1中，任意一数据包...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚楠，刘钢，西奥多罗斯·西弗西斯，姚如贵，苏哲，陈佳馨，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32