基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度方法

陸秀歡

（黔東南技師學(xué)院，貴州 凱里 556000）

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)包的數(shù)量和類型不斷增加，對(duì)數(shù)據(jù)包調(diào)度的要求越來越高[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包調(diào)度算法難以滿足這些需求，因此需要尋求更加高效和智能的調(diào)度方法。在目前提出的多種數(shù)據(jù)包調(diào)度算法中，基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度方法受到廣泛關(guān)注?？勺兡：碚撌且环N處理不確定性、模糊性及不完全性的數(shù)學(xué)工具，因此提出基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度方法的設(shè)計(jì)思路[2]。

1 數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)排序

數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)排序步驟如下：首先，將無線通信數(shù)據(jù)包以畫面組（Group of Pictures，GOP）為單位進(jìn)行分組[3]。GOP 是視頻編碼中的一個(gè)概念，通常表示一組連續(xù)的圖片幀。其次，讀入一個(gè)GOP 碼流。在碼流中，無線通信數(shù)據(jù)包被分為基本層數(shù)據(jù)包和增強(qiáng)層數(shù)據(jù)包。基本層數(shù)據(jù)包通常包含視頻內(nèi)容的基本信息，按照特定的優(yōu)先級(jí)規(guī)則進(jìn)行排序，同時(shí)需要保持其原始的解碼順序[4]。再次，計(jì)算GOP 中所有增強(qiáng)層數(shù)據(jù)包的主觀優(yōu)先級(jí)PS和客觀優(yōu)先級(jí)PO。根據(jù)各區(qū)域重要性，確定各區(qū)域當(dāng)前GOP 的主觀優(yōu)先級(jí)PS，其中0 ≤PS≤1，PS越小對(duì)應(yīng)區(qū)域主觀優(yōu)先級(jí)越高。設(shè)M為數(shù)據(jù)包的特征圖，客觀優(yōu)先級(jí)為PO，其中0 ≤PO≤M-1，PO越小的數(shù)據(jù)包客觀重要性越大。最后，對(duì)增強(qiáng)層分組進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。一方面，按照分組的主觀優(yōu)先級(jí)PS分類排序無線通信數(shù)據(jù)包；另一方面，按照無線通信數(shù)據(jù)包的客觀優(yōu)先級(jí)PO分類排序主觀優(yōu)先級(jí)PS相同的無線通信數(shù)據(jù)包[5]。

2 基于可變模糊集理論檢測(cè)信道狀態(tài)

數(shù)據(jù)包到達(dá)后進(jìn)入相應(yīng)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，高優(yōu)先級(jí)的消息優(yōu)先發(fā)送。當(dāng)信道狀態(tài)為閑且占用率低于閾值時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴？勺兡：碚撔诺澜尤肟刂屏鞒倘鐖D1 所示。

圖1 可變模糊集理論信道接入控制流程

基于可變模糊集理論的信道狀態(tài)檢測(cè)通過周期性地檢測(cè)系統(tǒng)在該周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)脈沖總數(shù)計(jì)算出信道占用率，并與閾值進(jìn)行對(duì)比[6]。

信道占用率的公式為

式中：n為一個(gè)周期內(nèi)到達(dá)的流量脈沖數(shù)；δ為傳輸每個(gè)流量脈沖需要的時(shí)間；T為周期長度；N為子信道數(shù)量。

計(jì)算并對(duì)比信道占用率后，對(duì)信道狀態(tài)檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。信道檢測(cè)機(jī)制的輸出有2 種情況，即信道閑和信道忙。信道狀態(tài)Sc表達(dá)式為

式中：H0為信道忙；H1為信道閑；ηth為信道占用率閾值。

將式（1）代入式（2）可得

式中：γ為周期內(nèi)可傳輸?shù)牧髁棵}沖數(shù)量。

3 構(gòu)建無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度模型

在無線通信中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅要將自身的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚中心，還要將其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚中心。因此，提出一種自上而下的節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法。

在一個(gè)時(shí)隙中，3 個(gè)狀態(tài)順序是傳送狀態(tài)（T）、接收狀態(tài)（R）及閑置狀態(tài)（I）。傳送狀態(tài)（T）代表該節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙中執(zhí)行無線通信數(shù)據(jù)分組的發(fā)射；接收狀態(tài)（R）代表該節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙中執(zhí)行無線電通信數(shù)據(jù)分組的接收；閑置狀態(tài)（I）代表該節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙中不執(zhí)行任何傳輸和接收操作。節(jié)點(diǎn)時(shí)間表的分布如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)調(diào)度最短周期分配示意圖

圖2 中，0 是匯聚節(jié)點(diǎn)，1、2、3、4 是傳輸節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)1、2、3、4 在同一時(shí)隙中同時(shí)接收到節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4 的數(shù)據(jù)包，那么這些數(shù)據(jù)包會(huì)互相沖突，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)2 無法正常接收數(shù)據(jù)包。因此，重新分配單跳節(jié)點(diǎn)的調(diào)度，如表1 所示。

表1 單跳節(jié)點(diǎn)調(diào)度分配方案

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1 是一次數(shù)據(jù)的收發(fā)，所以在每次循環(huán)中，節(jié)點(diǎn)2 都要執(zhí)行一次數(shù)據(jù)的收發(fā)，保證節(jié)點(diǎn)1在每次循環(huán)中收到數(shù)據(jù)。對(duì)于任何2 組節(jié)點(diǎn)均不是鄰組狀態(tài)時(shí),可將相鄰節(jié)點(diǎn)分解成若干個(gè)不相鄰的節(jié)點(diǎn)組成。給出1 個(gè)相鄰群態(tài)集合，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都不相交。根據(jù)表2 中的方案，使用其他節(jié)點(diǎn)傳送時(shí)隙來接收數(shù)據(jù)分組。非鄰組調(diào)度分配方案如表2 所示。

表2 非鄰組調(diào)度分配方案

4 優(yōu)化無線通信數(shù)據(jù)包調(diào)度算法

設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)傳送循環(huán)中的最小傳輸循環(huán)周期為TA，2 個(gè)連續(xù)的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)傳送循環(huán)之間的間隔時(shí)間為hTA（h為所有消息傳送周期的最小公倍數(shù)）。在一個(gè)無線通信網(wǎng)中，如果有一條報(bào)文在最大的發(fā)送時(shí)間內(nèi)未發(fā)送成功，說明該無線通信網(wǎng)無效。當(dāng)無線通信網(wǎng)絡(luò)處于閑置狀態(tài)時(shí)，消息發(fā)送時(shí)間Ti應(yīng)滿足

式中：Tk為一條消息框架的最大傳送時(shí)間。此時(shí)，最小傳輸循環(huán)周期TA的公式為

式中：AT′ 為上一節(jié)點(diǎn)調(diào)整時(shí)間；Tr為閑置時(shí)間的引用值。

若無線通信中有m個(gè)節(jié)點(diǎn)，且各節(jié)點(diǎn)之間的傳輸周期相同，此時(shí)無線通信網(wǎng)絡(luò)的使用效率P為

式中：T''為信息幀平均傳輸時(shí)間，T''≤Tk。

經(jīng)過簡化可得

在最短的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間下，無線通信網(wǎng)的利用效率是最高的。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)試文章設(shè)計(jì)方法的性能，測(cè)試環(huán)境配置如表3 所示，測(cè)試參數(shù)如表4 所示，實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)如表5 所示。

表3 測(cè)試環(huán)境配置

表4 測(cè)試參數(shù)

表5 實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)

為評(píng)估基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度方法，將其與文獻(xiàn)[5]一種基于優(yōu)化量子粒子群優(yōu)化（Quantum Particle Swarm Optimization，QPSO）的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)調(diào)度方法研究（以下簡稱方法1）和文獻(xiàn)[6]光纖網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的線性均衡聚類調(diào)度優(yōu)化方法（以下簡稱方法2）進(jìn)行對(duì)比。

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)無線通信數(shù)據(jù)分組的隨機(jī)性和均一性，考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多樣性，進(jìn)行10 次仿真，對(duì)比3 種方法的數(shù)據(jù)包傳輸延遲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 數(shù)據(jù)包傳輸延遲

由表6 可知，文章設(shè)計(jì)方法在數(shù)據(jù)包傳輸延遲上均優(yōu)于方法1 和方法2，平均延遲低、穩(wěn)定、波動(dòng)范圍小，驗(yàn)證基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度方法的優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 論

基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調(diào)度方法是一種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)包調(diào)度策略，旨在提高無線通信的效率和穩(wěn)定性。通過引入模糊邏輯和可變參數(shù)，適應(yīng)無線通信環(huán)境的復(fù)雜性，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)包調(diào)度過程中的各種挑戰(zhàn)。未來，期望進(jìn)一步優(yōu)化該方法，提高其實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性。