一种瑞利慢衰落信道下能量效率最优的传输控制方法
阅读：708发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种瑞利慢衰落信道下能量效率最优的传输控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种瑞利慢衰落信道下 能量 效率最优的传输控制方法，特征是发送端根据当前的调制方式以及噪声与路径损耗比进行最优功率和最优数据包长度的选择：当给定发送功率和调制类型时，优化发送数据包长度；当给定发送数据包长度和调制类型时，优化发送功率；当发送功率和数据包长度均未给定时，通过联合优化发送功率和数据包长度，从而使系统达到能效最优。采用本发明方法能够有效地处理瑞利慢衰落信道下系统丢包率、发送功率和数据包长度之间的关系，使得系统总能以最优的能量效率进行数据传输，从而使得系统单位能量传输最多的数据比特。，下面是一种瑞利慢衰落信道下能量效率最优的传输控制方法专利的具体信息内容。
1.一种瑞利慢衰落信道下的传输控制方法，其特征在于：发送端根据当前的调制方式以及噪声与路径损耗比进行最优功率和最优数据包长度的选择：当给定发送功率时，根据系统当前调制方式以及平均信噪比 ，通过关系式 ，计算得到使得系统能量效率达到最优的数据包长度Lopt，式中的k1、k2是由调制方式决定的参数，Lack为自动重传协议ARQ中应答响应包ACK的数据包长度；当给定发送数据包长度L时，则根据系统当前调制方式以及噪声功率N0与路径损耗G比，根据关系popt＝(k1lnL+k2)N0/G计算得到使得系统能量效率达到最优的发送功率popt；当发送功率和数据包长度均无约束时，系统首先根据关系式 和关系式p＝(k1lnL+k2)N0/G联合求解得到不同调制方式以及路径损耗比下最优发送功率和数据包长度，并将其制成表格，在实际传输时，发送端根据当前的调制方式以及噪声与路径损耗比查找该表格，得到最优的发送功率和数据包长度，从而使得系统能量效率达到最优，保证数据包无差错传输。
一种瑞利慢衰落信道下能量效率最优的传输控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信与网络中的传输控制方法技术领域，具体涉及瑞利（Rayleigh）慢衰落信道下能量效率最优的传输控制方法，包括最优数据包长度的选择、最优发送功率的选择。
背景技术
[0002] 随着移动用户的迅速增加和无线互联网的飞速发展，信息和通信领域（ICT）消耗越来越多的能量。根据瑞典爱立信（Ericsson）公司在2007年发布的白皮书《移动通信中的可持续能源利用》(Sustainable energy use in mobile communications)，ICT在2008年消耗全球2%的能量，而无线通信网络消耗的能量占到其中的70%。因此提升无线网络的能量效率是当前网络运营商和研究人员十分关注的问题。无线网络中由于存在严重的路径损耗和噪声，为了达到数据包的无差错传输，无线链路须消耗大量能量，因此如何提升链路的能量效率是提升无线网络能量效率的关键。在无线传输中，能量效率定义为单位能量能传输的比特数，单位为比特/焦耳。
[0003] 美国《电子与电气工程师协会无线通信会刊》（IEEE Transaction on Wireless Communication,2005年第4卷第5期2349-2360页）中的《能量受限的调制优化》(Energy-Constrained Modulation Optimization)一文中研究了高斯信道下考虑不同调制方式下传输给定数据长度所需能量最小化的问题，但其未考虑衰落信道，并且未考虑数据包重传过程。德国《无线个人通信》（Wireless Personal Communications，2003年25期，307-320页）中的《差错约束下能效混合自动重传请求策略研究》（Energy Efficient Hybrid ARQ Scheme under Error Constraints）一文中研究了在给定丢包率条件下考虑数据包重传过程的能效最优发送功率控制问题，但其仅仅讨论了差分相移键控调制下的最优发送功率，没有给出一般调制方式下最优发送功率和数据包长度控制的方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提出一种瑞利慢衰落信道下能量效率最优的传输控制方法，以使系统在保证数据包进行无差错传输时最大化能量效率。
[0005] 本发明瑞利慢衰落信道下的传输控制方法，其特征在于：发送端根据当前的调制方式以及噪声与路径损耗比进行最优功率和最优数据包长度的选择：当给定发送功率时，根据系统当前调制方式以及平均信噪比 ，通过关系式 ，计算得到使得系统能量效率达到最优的数据包长度Lopt，式中的k1、k2是由调制方式决定的参数，Lack为自动重传协议ARQ中应答响应包ACK的数据包长度；当给定发送数据包长度L时，则根据系统当前调制方式以及噪声功率N0与路径损耗G比，根据关系popt＝(k1lnL+k2)N0/G计算得到使得系统能量效率达到最优的发送功率popt；当发送功率和数据包长度均无约束时，系统首先根据关系式 和关系式p＝(k1lnL+k2)N0/G联合求解得到不同调制方式以及路径损耗比下最优发送功率和数据包长度，并将其制成表格，在实际传输时，发送端可以根据当前的调制方式以及噪声与路径损耗比查找该表格，得到最优的发送功率和数据包长度，从而使得系统能量效率达到最优，保证数据包无差错传输。
[0006] 由于本发明方法中发送端根据当前的调制方式以及噪声与路径损耗比进行最优功率和最优数据包长度的选择：当给定发送功率和调制类型时，优化发送数据包长度；当给定发送数据包长度和调制类型时，优化发送功率；当发送功率和数据包长度均未给定时，通过联合优化发送功率和数据包长度，从而使系统达到能效最优。
[0007] 采用本发明方法能够有效地处理瑞利慢衰落信道下系统丢包率、发送功率和数据包长度之间的关系，使得系统总能以最优的能量效率进行数据传输，从而使得系统单位能量传输最多的数据比特。
[0008] 由于本发明方法中考虑了瑞利平衰落信道下的数据包重传过程，相较于当前仅考虑高斯信道数据包重传过程的现有技术更适合实际的衰落信道模型。由于本发明采取了联合发送功率和数据包长度优化的传输控制技术，相比现有的仅优化发送功率的传输控制技术能使得系统在丢包率、发送功率和数据包长度之间找到最优的平衡点，从而提升系统的能量效率。当给定发送功率时，根据本发明中采取的数据包长度优化方法，可以使得瑞利慢衰落信道下的系统能效最高提升近一倍；当给定数据包长度时，根据本发明中采取的发送功率优化方法，可以使得瑞利慢衰落信道下的系统能效最高提升近90%；当发送功率和数据包长度均无约束时，根据本发明中采取的联合发送功率和数据包长度优化方法制定表格，发送端根据当前噪声路路径损耗比进行查询，可以使得系统达到能效最大。附图说明
[0009] 图1为本发明实施例1中频移键控调制FSK下系统能量效率与数据包长度关系曲线。
[0010] 图2为本发明实施例1中二进制相移键控调制BPSK下系统能量效率与数据包长度关系曲线。
[0011] 图3为本发明实施例2中频移键控调制FSK下系统能量效率与平均信噪比关系曲线。
[0012] 图4为本发明实施例2中二进制相移键控调制BPSK下系统能量效率与平均信噪比关系曲线。
具体实施方式
[0013] 实施例1：在瑞利平衰落信道下给定发送功率p时，根据当前调制方式选择最优数据包长度L。
[0014] 对于无编码数据包重传系统，其在瑞利平衰落信道下丢包率 可以表示为：
[0015]
[0016] 其中 为平均接收信噪比，由发送功率p、路径损耗G和系统的噪声功率N0共同决定， ，k1、k2由调制方式决定。
[0017] 考虑无差错传输，每次发送端传输一个数据包后，接收端均进行ACK应答反馈。如果正确收到该数据包，则发送端发送下一数据包；如果无法正确接收该数据包，则发送端根据ACK应答反馈信息进行重传，该过程一直进行下去，直到接收端正确接收。因此可以得到单个数据包被成功接收时的平均重传次数 为：
[0018]
[0019] 对于长度为L的数据包，一次自动重传请求ARQ过程的能量消耗为tb(L+Lack)·p，其中tb为每比特传输时间，Lack为每次重传时的ACK应答数据包长度。因此单个数据包其被成功接收时的平均耗能为 。所以系统的能量效率EE(L,p)可以写成如下形式：
[0020]
[0021] 因为给定发送功率p和调制方式，故(3)式变量仅为数据包长度L。当 时，EE(L,p)为关于L的凸函数，对其求导并令导数等于零，可以得到最优数据包长度Lopt为：
[0022]
[0023] 当 时，能量效率为关于数据包长度L的单调减函数，此时最优数据包长度设为系统最小值。
[0024] 图1给出了本实施例中频移键控调制FSK的能效值随着发送数据包长度的变化关系曲线。图1中的四条曲线(1a)、(1b)、(1c)、(1d)是分别对应于SNR=6dB、8dB、10dB和12dB的能效曲线。其中，噪声功率与路径损耗比N0/G设为-40dBw，每比特传输时间tb设为1微秒，ACK应答数据包长度Nack为100比特，k1＝2，k2＝-0.2323。从图1中可以看出，对于不同的信噪比SNR，每条曲线均存在一个最大值点，该点可以由最优数据包长度公式(4)直接求得。随着信噪比的增大，系统的最优数据包长也增大，这是因为此时系统丢包率较低，可以适当的增加数据包长度以减小ACK反馈带来的能量浪费，从而提升系统的能量效率。
[0025] 图2给出了本实施例中二进制相移键控调制BPSK的能效值随着发送数据包长度的变化关系曲线。图2中的四条曲线(2a)、(2b)、(2c)、(2d)是分别对应于SNR=2dB、4dB、6dB和8dB的能效曲线。其中，噪声功率与路径损耗比N0/G设为-40dBw，每比特传输时间tb设为1微秒，ACK应答数据包长度Nack为100比特，k1＝0.94，k2＝-1.24。可以看出每条曲线均存在一个最大值点，且该最大值点对应的数据包长度随着SNR的增大而增加。
[0026] 实施例2：在瑞利平衰落信道下给定发送数据包长度L时，根据当前调制方式选择最优发送功率p。
[0027] 当给定数据包长度L时，因为limp→0EE(L,p)＝0，limp→∞EE(L,p)＝0，且EE(L,p)＞0，故系统的能量效率公式(3)存在最大值。对系统的能量效率公式(3)关于 求导并令导数等于零，可以求得最优发送信噪比 为：
[0028]
[0029] 因此在给定发送数据包长度和调制方式时，可以得到最优发送功率为：
[0030] popt＝(k1lnL+k2)N0/G (6)
[0031] 图3给出了本实施例中频移键控调制FSK的能效值随着发送信噪比的变化关系曲线。图3中的三条曲线(3a)、(3b)、(3c)是分别对应于L=200比特、600比特和1000比特的能效曲线。其中，噪声功率与路径损耗比N0/G设为-40dBw，每比特传输时间tb设为1微秒，ACK应答数据包长度Nack为100比特，k1＝2，k2＝-0.2323。从图3中可以看出，对于不同的数据包长度，每条曲线均存在一个最大值点，该点可以由最优发送功率(6)式直接求得。随着数据包长的增大，系统的最优信噪比也增大，这是因为此时系统为了提升能量效率，需要降低丢包率，对于较长的数据包必须适当的增加系统平均信噪比才可达到该目标。
[0032] 图4给出了本实施例中二进制相移键控调制BPSK的能效值随着发送数据包长度的变化关系曲线。图4中的三条曲线(4a)、(4b)、(4c)是分别对应于L=200比特、600比特和1000比特的能效曲线。其中，噪声功率与路径损耗比N0/G设为-40dBw，每比特传输时间tb设为1微秒，ACK应答数据包长度Nack为100比特，k1＝0.94，k2＝-1.24。从图4中也可以看出每条曲线均存在一个最大值点，该点可以由最优发送功率公式(6)直接求得。
[0033] 实施例3：在瑞利平衰落信道下，发送功率p和数据包长度L均无限制时，根据当前调制方式和噪声功率与路径损耗比选择最优发送功率p和最优数据包长度L。
[0034] 根据实施例1可知，给定发送功率p时，最优的数据包长度L由最优数据包长度公式(4)确定；根据实施例2可知，给定数据包长度L时，最优发送功率p由最优发送功率公式(6)确定。因此，当发送功率和数据包长度均无限制时，最优发送功率P和数据包长度L应同时满足最优数据包长度公式(4)和最优发送功率公式(6)。根据最优数据包长度公式(4)和最优发送功率公式(6)可知，最优数据包长度和最优发送功率仅与调制方式、ACK包长、噪声功率与路径损耗比值N0/G有关，与其他系统参数值无关。对于给定的系统，ACK包长是固定的，因此可以根据当前的调制方式和噪声路径损耗比N0/G查找提前制定的表格以获取最优的发送功率和数据包长度，以减小系统的计算开销。
[0035] 表1给出了ACK包长为100比特时，联合最优数据包长度公式(4)和最优发送功率公式(6)求解得到的不同调制方式下系统最优数据包长度L以及不同噪声功率与路径损耗比N0/G下最优发送功率。
[0036] 表1当ACK反馈包长为100比特时的最优数据包长和最优发送功率与调制方式、噪声功率与路径损耗比对应关系表
[0037]
[0038] 表2给出了ACK包长为50比特时，联合最优数据包长度公式(4)和最优发送功率公式(6)求解得到的不同调制方式下系统最优数据包长度L以及不同噪声功率与路径损耗比N0/G下最优发送功率。
[0039] 表2当ACK反馈包长为50比特时的最优数据包长和最优发送功率与调制方式、噪声功率与路径损耗比对应关系表
[0040]
[0041] 在实际应用时，可以根据系统的ACK包长，联合最优数据包长度公式(4)和最优发送功率公式(6)设计相应的表格，发送端根据当前的路径损耗、噪声以及调制方式选择最优的发送功率和数据包长度。
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