基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調度方法

陸秀歡

（黔東南技師學院，貴州 凱里 556000）

0 引 言

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)包的數(shù)量和類型不斷增加，對數(shù)據(jù)包調度的要求越來越高[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包調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度方法。在目前提出的多種數(shù)據(jù)包調度算法中，基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調度方法受到廣泛關注。可變模糊集理論是一種處理不確定性、模糊性及不完全性的數(shù)學工具，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)化調度方法的設計思路[2]。

1 數(shù)據(jù)包優(yōu)先級排序

數(shù)據(jù)包優(yōu)先級排序步驟如下：首先，將無線通信數(shù)據(jù)包以畫面組（Group of Pictures，GOP）為單位進行分組[3]。GOP 是視頻編碼中的一個概念，通常表示一組連續(xù)的圖片幀。其次，讀入一個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)包和增強層數(shù)據(jù)包?；緦訑?shù)據(jù)包通常包含視頻內容的基本信息，按照特定的優(yōu)先級規(guī)則進行排序，同時需要保持其原始的解碼順序[4]。再次，計算GOP 中所有增強層數(shù)據(jù)包的主觀優(yōu)先級PS和客觀優(yōu)先級PO。根據(jù)各區(qū)域重要性，確定各區(qū)域當前GOP 的主觀優(yōu)先級PS，其中0 ≤PS≤1，PS越小對應區(qū)域主觀優(yōu)先級越高。設M為數(shù)據(jù)包的特征圖，客觀優(yōu)先級為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，對增強層分組進行優(yōu)先級劃分。一方面，按照分組的主觀優(yōu)先級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PO分類排序主觀優(yōu)先級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信道狀態(tài)

數(shù)據(jù)包到達后進入相應優(yōu)先級隊列，高優(yōu)先級的消息優(yōu)先發(fā)送。當信道狀態(tài)為閑且占用率低于閾值時，發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。可變模糊集理論信道接入控制流程如圖1 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)檢測通過周期性地檢測系統(tǒng)在該周期內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)脈沖總數(shù)計算出信道占用率，并與閾值進行對比[6]。

信道占用率的公式為

式中：n為一個周期內到達的流量脈沖數(shù)；δ為傳輸每個流量脈沖需要的時間；T為周期長度；N為子信道數(shù)量。

計算并對比信道占用率后，對信道狀態(tài)檢測機制進行數(shù)學建模。信道檢測機制的輸出有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為周期內可傳輸?shù)牧髁棵}沖數(shù)量。

3 構建無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調度模型

在無線通信中，每個節(jié)點不僅要將自身的數(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)點調度方法。

在一個時隙中，3 個狀態(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)點在該時隙中執(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)點在該時隙中執(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)點在該時隙中不執(zhí)行任何傳輸和接收操作。節(jié)點時間表的分布如圖2 所示。

圖2 節(jié)點調度最短周期分配示意圖

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

表1 單跳節(jié)點調度分配方案

因為節(jié)點1 是一次數(shù)據(jù)的收發(fā)，所以在每次循環(huán)中，節(jié)點2 都要執(zhí)行一次數(shù)據(jù)的收發(fā)，保證節(jié)點1在每次循環(huán)中收到數(shù)據(jù)。對于任何2 組節(jié)點均不是鄰組狀態(tài)時,可將相鄰節(jié)點分解成若干個不相鄰的節(jié)點組成。給出1 個相鄰群態(tài)集合，并且每個節(jié)點之間都不相交。根據(jù)表2 中的方案，使用其他節(jié)點傳送時隙來接收數(shù)據(jù)分組。非鄰組調度分配方案如表2 所示。

表2 非鄰組調度分配方案

4 優(yōu)化無線通信數(shù)據(jù)包調度算法

設定所有節(jié)點傳送循環(huán)中的最小傳輸循環(huán)周期為TA，2 個連續(xù)的調節(jié)節(jié)點傳送循環(huán)之間的間隔時間為hTA（h為所有消息傳送周期的最小公倍數(shù)）。在一個無線通信網(wǎng)中，如果有一條報文在最大的發(fā)送時間內未發(fā)送成功，說明該無線通信網(wǎng)無效。當無線通信網(wǎng)絡處于閑置狀態(tài)時，消息發(fā)送時間Ti應滿足

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

式中：AT′ 為上一節(jié)點調整時間；Tr為閑置時間的引用值。

若無線通信中有m個節(jié)點，且各節(jié)點之間的傳輸周期相同，此時無線通信網(wǎng)絡的使用效率P為

式中：T''為信息幀平均傳輸時間，T''≤Tk。

經(jīng)過簡化可得

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

5 實驗測試分析

5.1 實驗準備

在設定的實驗環(huán)境下測試文章設計方法的性能，測試環(huán)境配置如表3 所示，測試參數(shù)如表4 所示，實驗儀器參數(shù)如表5 所示。

表3 測試環(huán)境配置

表4 測試參數(shù)

表5 實驗儀器參數(shù)

為評估基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調度方法，將其與文獻[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)云存儲調度方法研究（以下簡稱方法1）和文獻[6]光纖網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)的線性均衡聚類調度優(yōu)化方法（以下簡稱方法2）進行對比。

5.2 實驗分析

針對無線通信數(shù)據(jù)分組的隨機性和均一性，考慮網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目的多樣性，進行10 次仿真，對比3 種方法的數(shù)據(jù)包傳輸延遲，實驗結果如表6 所示。

表6 數(shù)據(jù)包傳輸延遲

由表6 可知，文章設計方法在數(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、波動范圍小，驗證基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調度方法的優(yōu)勢。

6 結 論

基于可變模糊集理論的無線通信數(shù)據(jù)包優(yōu)化調度方法是一種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)包調度策略，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)，適應無線通信環(huán)境的復雜性，以應對數(shù)據(jù)包調度過程中的各種挑戰(zhàn)。未來，期望進一步優(yōu)化該方法，提高其實時性和自適應性。