基于EWMA算法的無線通信協(xié)議速率選擇

趙斌潔

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510535）

0 引 言

指數(shù)加權(quán)移動平均（Exponentially Weighted Moving-Average，EWMA）是一種應(yīng)用于無線通信協(xié)議速率選擇的高效算法，通過EWMA控制圖能夠?qū)崟r、動態(tài)且直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸成功率，計算結(jié)果偏差小，有助于無線通信協(xié)議自動選擇速率。引入EWMA算法作為選擇實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送速率的算法，一方面能夠根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的信道環(huán)境在不同時段選擇更高效的運(yùn)行速率，另一方面能夠解決傳統(tǒng)算法存在的存儲數(shù)據(jù)丟失問題，提高實(shí)時計算準(zhǔn)確率。

1 無線通信協(xié)議

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中具有部署成本低、配置難度低、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)，其靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)在不同領(lǐng)域的使用。通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)據(jù)信息的發(fā)送速率得到了提高?；陔娨曃词褂每瞻最l段提出的IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議則是對無線網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的又一次改革，大大提升了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性，并且數(shù)據(jù)信息的傳輸效率更高。這種新協(xié)議的構(gòu)建使網(wǎng)絡(luò)在受干擾時能夠自動選擇新的運(yùn)行速率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時穩(wěn)定性[1]。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的信道受到雷達(dá)信號和其他無線設(shè)備發(fā)出信號的干擾，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率有所不足，也更容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包問題。通過引入動態(tài)速率選擇算法的方式對無線通信網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境進(jìn)行判斷，并根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境選擇合適的實(shí)時動態(tài)速率，充分利用無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的速率選擇自動化技術(shù)。

根據(jù)IEEE 802.11的特點(diǎn)來看，選擇對數(shù)據(jù)發(fā)送成功率進(jìn)行實(shí)時動態(tài)統(tǒng)計的方式具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。利用無線通信網(wǎng)絡(luò)信息吞吐量判斷當(dāng)前信道的傳輸質(zhì)量，提取系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)、固定時間段內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功次數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送總次數(shù)進(jìn)行分析。計算機(jī)的存儲空間上限導(dǎo)致系統(tǒng)必須將存儲時間較早的舊數(shù)據(jù)丟棄才能整合更多新數(shù)據(jù)，而EWMA是一種能夠?qū)⑴f數(shù)據(jù)合理利用的算法，利用EWMA結(jié)合成功率統(tǒng)計方法進(jìn)行計算能夠突破計算機(jī)存儲上限的局限性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)化速率統(tǒng)計，解決傳統(tǒng)算法存在的舊統(tǒng)計數(shù)據(jù)丟棄問題。

2 EWMA算法原理

EWMA指通過指數(shù)區(qū)間選擇與加權(quán)移動平均值相結(jié)合的控制圖構(gòu)建算法，可以應(yīng)用在汽車控制系統(tǒng)運(yùn)行與智能門禁系統(tǒng)等需要實(shí)時計算的系統(tǒng)中。EWMA算法可以對每個運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行觀測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，計算不同子組的數(shù)據(jù)傳輸平均值。通過在系統(tǒng)中不斷重復(fù)計算流程，再利用平均值計算相應(yīng)的指數(shù)加權(quán)移動平均值，得出指數(shù)值計算需要的信息。使用EWMA算法還能根據(jù)子組中的極差或子組標(biāo)準(zhǔn)差的平均值進(jìn)行估計，設(shè)置合并標(biāo)準(zhǔn)差的過程，并得出標(biāo)準(zhǔn)差的歷史值[2]。

在系統(tǒng)中只有單個觀測值時，EWMA算法可以從單個觀測值的數(shù)據(jù)中計算出指數(shù)加權(quán)的移動平均值，此時標(biāo)準(zhǔn)差的估計方式改為使用移動極差平均值除以無偏常量進(jìn)行計算。移動極差計算結(jié)果源于單個測量值測量基礎(chǔ)上對其數(shù)據(jù)創(chuàng)建的子組。移動極差長度為2的情況下，連續(xù)值最容易產(chǎn)生不斷接近的現(xiàn)象，那么也可以利用移動極差的中位數(shù)估算標(biāo)準(zhǔn)差或通過更改移動極差的長度來得出標(biāo)準(zhǔn)差的歷史值。使用EWMA算法主要是通過控制圖的形式將其中數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來，EWMA中位值控制圖是針對可變樣本容量創(chuàng)建的，無法直接通過馬爾科夫鏈計算方法計算樣本數(shù)，需要利用EMWA中位值控制圖的平均觀測值計算出報警所需的樣本數(shù)。

3 EWMA算法優(yōu)勢

EWMA通常被用于控制計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)小幅度偏移，其優(yōu)勢在于能夠?qū)⑷繗v史數(shù)據(jù)共同納入計算體系中進(jìn)行分析，評價過程更加合理，評價結(jié)果更加準(zhǔn)確，選取的計算數(shù)據(jù)更多、來源更全面，能夠有效提高控制偏移的效率，從而提高生產(chǎn)效率[3]。

在行車控制與智能門禁等利用無線通信技術(shù)的領(lǐng)域，數(shù)據(jù)發(fā)送成功率需要實(shí)時計算，傳統(tǒng)的累積和控制圖（Cumulative Sum，CUSUM）算法受到計算機(jī)編程語言數(shù)據(jù)容量的限制，設(shè)備長時間運(yùn)行需要不停篩去舊數(shù)據(jù)增加新數(shù)據(jù)，這使成功率計算整合的數(shù)據(jù)樣本量不足，速率選取結(jié)果出現(xiàn)偏差。EWMA算法能夠在短時間內(nèi)對觀測目標(biāo)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行完整計算，對觀測區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的所有統(tǒng)計量進(jìn)行計算時，統(tǒng)計量的整合依賴前置觀測值統(tǒng)計量，每一時間段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都能保存并應(yīng)用于實(shí)時計算，舊數(shù)據(jù)存儲丟失的問題也得到了解決。

EWMA控制圖對檢測到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，消除均值偏移，調(diào)節(jié)質(zhì)量特性方差波動，采取具有針對性的措施消除運(yùn)行異常，從而使系統(tǒng)運(yùn)行快速回歸目標(biāo)值，這在無線通信協(xié)議決策速率選擇中大大提升了計算準(zhǔn)確率[4]。與此同時，通過EWMA反映的平穩(wěn)性判斷估計值的波動趨勢，從而對下一階段的無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險評估。

4 EWMA算法在數(shù)據(jù)傳輸成功率統(tǒng)計中的應(yīng)用

EWMA算法在每一次計算中都實(shí)現(xiàn)了對歷史數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用，解決了統(tǒng)計數(shù)據(jù)在存儲過程中丟失的問題，統(tǒng)計量的計算準(zhǔn)確率顯著提高，短時統(tǒng)計和動態(tài)化實(shí)時統(tǒng)計的效率都得到了大幅提高[5]。例如，智能汽車控制系統(tǒng)需要對汽車行駛產(chǎn)生的路況信息實(shí)時分析并記錄，這時EWMA算法就能在車門、車燈、剎車等各個控制節(jié)點(diǎn)之間高效傳輸指令信息，提高汽車的總控制中心響應(yīng)速度，并自動選擇速率。

EWMA算法對數(shù)據(jù)傳輸成功率的計算需要引入加權(quán)移動平滑指數(shù)λ，使觀測值的權(quán)重系數(shù)體現(xiàn)在運(yùn)算過程中。λ值越大，則當(dāng)前測量值的權(quán)重就越高，估計值更具有時效性特征，能夠在利用過去測量值數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上體現(xiàn)實(shí)時通信數(shù)據(jù)計算的統(tǒng)計量；λ值越小，則過去測量值所占的權(quán)重就越高，能反映過去一段時間速率選擇的運(yùn)行效果，有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的偏差問題[6]。

判斷EWMA算法的速率選擇有效性需要在EWMA控制圖和成功率算法的基礎(chǔ)上建立一個系統(tǒng)，并對窗口進(jìn)行設(shè)置。通常來講，窗口的設(shè)置也會影響速率的選擇。窗口選擇過大時，速率的選擇存在滯后；而窗口選擇過小時，則不能充分調(diào)動數(shù)據(jù)。EWMA窗口模型的合理窗口計算間隔時間設(shè)置為100 ms，窗口每隔100 ms進(jìn)行1次數(shù)據(jù)發(fā)送成功率的計算，計算過程將當(dāng)前觀測值的統(tǒng)計量和在過去100 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)計量作為依據(jù)。具體的算法運(yùn)行流程如圖1所示[7]。

圖1 EWMA算法窗口運(yùn)算流程

本算法分析建立在使用IEEE 802.11無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，將該協(xié)議中規(guī)定的最高速率作為初始發(fā)送速率進(jìn)行運(yùn)算，在算法運(yùn)行開始前將各個速率對應(yīng)的統(tǒng)計值清空，以保證本次計算僅針對實(shí)驗(yàn)時間段，不受歷史數(shù)據(jù)傳輸成功率的影響[8]。

在窗口運(yùn)行過程中，窗口會根據(jù)是否達(dá)到100 ms的計算區(qū)間值來分成2種情況進(jìn)行分析。當(dāng)計算達(dá)到100 ms的窗口邊界時，直接計算本次時間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸成功率的數(shù)值，并利用EWMA算法計算最終的成功率。此時系統(tǒng)需要記錄100 ms內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的總個數(shù)和成功發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)，為了保證成功率計算結(jié)果覆蓋基本速率區(qū)間，系統(tǒng)在100 ms內(nèi)的任意時間抽取當(dāng)時的速率試探性發(fā)送，以保證計算結(jié)果穩(wěn)定可靠。當(dāng)計算沒有達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的窗口邊界時，需要將數(shù)據(jù)包總個數(shù)與已經(jīng)完成發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)進(jìn)行記錄，為后續(xù)數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率的算法拆解提供數(shù)據(jù)，使用成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)除以總發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)即可得出100 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率。

而使用EWMA算法的意義在于能夠?qū)⑦\(yùn)行中的所有數(shù)據(jù)綜合利用起來計算數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率，將無線通信網(wǎng)絡(luò)在一段時間內(nèi)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)發(fā)送情況統(tǒng)一反映出來[9]。計算成功后，系統(tǒng)會再次進(jìn)入速率統(tǒng)計的計算循環(huán)，將已經(jīng)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)個數(shù)和總發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)記錄清空處理，同時對各個觀測值下計算出的數(shù)據(jù)發(fā)送成功率進(jìn)行比對與排序，選出數(shù)據(jù)發(fā)送成功率最高的觀測速率作為接下來的無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送速率，即完成1次自動無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送速率選擇。

5 EWMA算法應(yīng)用成果分析

將某智能門禁控制系統(tǒng)作為算法搭建平臺，使用EWMA算法創(chuàng)建窗口模型后，能夠自主完成一套自動選擇數(shù)據(jù)傳輸速率的流程。調(diào)節(jié)加權(quán)值λ的取值區(qū)間，并分析EWMA算法在數(shù)據(jù)傳輸成功率統(tǒng)計中的實(shí)際應(yīng)用效果。

智能門禁無線通信的實(shí)現(xiàn)可以利用低頻信號與高頻信號交叉的方式，窗口模擬時每100 ms進(jìn)行1次門禁喚醒信號傳輸計算。在1 000 ms的系統(tǒng)算法運(yùn)行統(tǒng)計時間內(nèi)，假設(shè)每100 ms發(fā)送150次低頻信號數(shù)據(jù)包，針對不同時間的總數(shù)據(jù)包發(fā)送個數(shù)和完成發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并對不同λ取值下的EDWA成功率進(jìn)行統(tǒng)計，使用二分法對加權(quán)移動平滑指數(shù)取值進(jìn)行計算，使用均方誤差法對估計量與被估計量之間的差異程度進(jìn)行度量，從而判斷EWMA算法在無線通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸速率選擇中的穩(wěn)定性和有效性[10]。不同λ取值下的最小均值誤差如表1所示。

表1 不同λ取值下的最小均值誤差

當(dāng)λ取值為0.75時均值誤差值最小，則0.75為加權(quán)移動平滑指數(shù)的最佳取值。在λ=0.75的條件下再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)EWMA算法的累計計算概率差值都很小。EWMA算法能夠?qū)o線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率選擇起到正向作用，在丟棄舊數(shù)據(jù)的情況下仍能利用舊數(shù)據(jù)的計算結(jié)果，使用EWMA算法取得的數(shù)據(jù)傳輸成功率數(shù)值更具有參考性。

6 結(jié) 論

以無線通信協(xié)議IEEE 802.11作為研究對象，研究EWMA算法在無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議動態(tài)速率選擇過程中的應(yīng)用。通過EWMA控制圖技術(shù)與數(shù)據(jù)發(fā)送成功率計算原則結(jié)合的方式突破傳統(tǒng)CUSUM算法的局限性，解決運(yùn)算中的舊數(shù)據(jù)信息丟失問題，能夠根據(jù)信道環(huán)境實(shí)時動態(tài)選擇數(shù)據(jù)傳輸速率，提高速率選擇的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>