一种基于MoreData机制的参数优化方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及无线网络节能协议技术领域，尤其是一种基于MoreData机制的参数优化方法、装置及存储介质。

背景技术

在物联网中，已经或将要部署大量由电池供电的无线设备，这些设备已采用节能机制来减少能耗。在启用了省电模式的IEEE 802.11协议中，每个基站都是在唤醒和休眠的状态之间交替。当基站处于休眠状态时，接入点(AP)缓存基站的数据包；在休眠时间结束时，基站会醒来接收由接入点(AP)广播的信标。如果信标指示没有该基站的缓存数据，那基站将立即进入睡眠状态。否则，该基站准备接收来自AP数据包。但存在一个基本的问题是：基站何时再次返回到休眠状态；目前的解决方案是采用MoreData机制，在这种机制中，当AP将一个数据包发送给基站时，它将在已发送数据包的帧控制字段内设置MoreData位，来指示在AP缓存中是否有更多的数据包。通过检查MoreData位，当MoreData＝1时，基站将保持唤醒来接收更多的数据包，当MoreData＝0时，基站则立即进入睡眠状态；虽然启用MoreData参数可以使设备节省更多能量，但同时也会导致更长的数据包时延；同时，由于MoreData参数与其他参数设置(例如信标间隔和休眠间隔)相互影响；尽管MoreData机制可以微调系统性能，但粗粒度的设置(比如忽略MoreData位)可能不会使系统受益于此机制；因此，再利用MoreData机制的同时，如何设置休眠间隔等这些参数使得系统能够保证时延要求的同时将能耗降至最低，这仍是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于MoreData机制的参数优化方法、装置及存储介质。

本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例包括一种基于MoreData机制的参数优化方法，包括：

构建包含MoreData参数的轮询系统；

构建单服务器排队系统，所述单服务器排队系统包括三种类型的服务间隔；

计算所述单服务器排队系统中客户到达队列与客户离开队列之间的总时延及所述总时延的平均值和标准差；

在所述轮询系统与所述单服务器排队系统之间建立等价关系；

将所述单服务器排队系统的计算结果应用至所述轮询系统，计算出所述轮询系统中数据包传输过程中总时延的平均值和标准差；

计算所述轮询系统中数据包传输过程中能耗的平均值和标准差；

根据所述轮询系统中数据包传输过程中总时延的平均值和标准差及能耗的平均值和标准差，构建时延能耗模型；

利用所述时延能耗模型对参数进行优化，所述参数包括休眠间隔。

进一步地，所述包含MoreData参数的轮询系统包括一个接入点和多个基站；多个所述基站的数据包缓存在所述接入点中，所述接入点始终保持唤醒状态；所述基站在唤醒状态和休眠状态之间切换。

进一步地，当所述基站切换成唤醒状态时，所述基站执行以下操作：

监听由所述接入点发送的包含TIM字段的信标并检查所述TIM字段；

接收数据包并检查MoreData位。

进一步地，所述基站在唤醒状态和休眠状态之间切换具体包括：

当所述基站接收到一个包含TIM字段为0的信标时，所述基站进入预定时长持续的休眠状态，达到预定时长后，所述基站切换成唤醒状态；

当所述基站接收到一个包含TIM字段为1的信标时，所述基站保持唤醒状态，直到所述基站接收到一个包含MoreData为0的数据包后，所述基站向所述接入点返回ACK数据后进入预定时长持续的休眠状态；

当所述基站接收到一个包含TIM字段为1的信标时，所述基站保持唤醒状态，当所述基站接收到一个包含MoreData为1的数据包后，所述基站继续保持唤醒状态。

进一步地，所述三种类型的服务间隔具体包括第一服务间隔、第二服务间隔和第三服务间隔；

所述第一服务间隔为当服务器检查队列发现没有客户时，所述服务器进入时长为第一预设时长的假期；

所述第二服务间隔为当服务器检查队列并仅找到一个客户时，所述服务器在所述客户服务预定时长的时间后进入时长为第二预设时长的假期；

所述第三服务间隔为当服务器检查队列并找到一个以上的客户时，所述服务器在一个客户服务预定时长的时间后进入时长第三预设时长的假期。

进一步地，所述单服务器排队系统中客户到达队列与客户离开队列之间的总时延的计算公式如下：

所述总时延的平均值和标准差的计算公式如下：

进一步地，所述在所述轮询系统与所述单服务器排队系统之间建立等价关系包括：

将所述轮询系统中的基站作为所述单服务器排队系统的服务器；

将所述轮询系统中接入点的缓存区视为所述单服务器排队系统中服务器的缓存区；

所述轮询系统中基站接收数据包的过程遵循所述单服务器排队系统中客户到达队列的泊松过程。

进一步地，所述轮询系统中数据包传输过程中能耗的平均值和标准差的计算公式如下：

另一方面，本发明实施例还包括一种基于MoreData机制的参数优化装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的基于MoreData机制的参数优化方法。

另一方面，本发明实施例还包括计算机可读存储介质，其上存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在被处理器执行时用于实现所述的基于MoreData机制的参数优化方法

本发明的有益效果是：

本发明通过在包含MoreData参数的轮询系统与所述单服务器排队系统之间建立等价关系，进而通过单服务器排队系统研究MoreData参数对轮询系统的时延和能耗的影响；获取最佳休眠间隔参数，从而通过参数优化设置，能够保证时延要求的同时，将能耗降至最低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所述基于MoreData机制的参数优化方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例所述当(a)TIM(i)＝0，(b)TIM(i)＝1和MoreData＝0，以及(c)TIM(i)＝1和MoreData＝1时，基站i在轮询系统中的操作示意图；

图3为本发明实施例所述单服务器排队系统中三种类型的服务间隔的示意图；

图4为本发明实施例所述轮询系统中三种类型的等价服务间隔的示意图；

图5为本发明实施例所述在同构设置中，总时延的平均值与数据包到达率的对比图；

图6为本发明实施例所述在同构设置中，能耗的平均值与数据包到达率的对比图；

图7为本发明实施例所述轮询系统中平均总时延和能耗的走势示意图；

图8为本发明实施例所述基于MoreData机制的参数优化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。

参照图1，本发明实施例提出一种基于MoreData机制的参数优化方法，包括但不限于以下步骤：

S1.构建包含MoreData参数的轮询系统；

S2.构建单服务器排队系统，所述单服务器排队系统包括三种类型的服务间隔；

S3.计算所述单服务器排队系统中客户到达队列与客户离开队列之间的总时延及所述总时延的平均值和标准差；

S4.在所述轮询系统与所述单服务器排队系统之间建立等价关系；

S5.将所述单服务器排队系统的计算结果应用至所述轮询系统，计算出所述轮询系统中数据包传输过程中总时延的平均值和标准差；

S6.计算所述轮询系统中数据包传输过程中能耗的平均值和标准差；

S7.根据所述轮询系统中数据包传输过程中总时延的平均值和标准差及能耗的平均值和标准差，构建时延能耗模型；

S8.利用所述时延能耗模型对参数进行优化，所述参数包括休眠间隔。

首先，对MoreData机制进行介绍，MoreData机制通常用于节能协议中。例如，IEEE802.11标准和许多相关协议均采用MoreData机制来通知基站是否保持唤醒状态或者进入睡眠状态。在MoreData机制中，当接入点将一个数据包发送给基站时，它将在已发送数据包的帧控制字段内设置MoreData位，来指示在接入点缓存中是否有更多的数据包；基站通过检查MoreData位，当MoreData＝1时，基站将保持唤醒来接收更多的数据包，当MoreData＝0时，基站则立即进入睡眠状态。

本实施例中，所述包含MoreData参数的轮询系统包括一个接入点(AP)和多个基站。时间被划分为一系列具有相等长度T

接入点的操作：AP始终保持唤醒状态；在每个重复间隔的开始，AP广播一个包含流量指示图(TIM)字段的信标。TIM包含了一个基站列表，这些基站的数据包缓存在AP中；例如，TIM(i)＝1表示AP中缓存了基站i的数据。然后，AP将依次向出现在TIM中的每个基站发送一个数据包。如图2(b)和(c)所示，每个数据包的传输过程遵循以下模式：SIFS/DATA/SIFS/ACK。DATA数据包中包括一个MoreData位，其中MoreData＝1表示AP对该基站有额外的缓存数据包；否则，没有缓存的数据包。

基站的操作：为了节省能量，基站在唤醒状态和休眠状态两种状态之间切换；在唤醒状态下，基站完全供电，可以随时发送或接收数据包。在休眠状态下，基站消耗的功率非常低，并且无法发送或接收数据包。当基站从休眠状态醒来时，它会监听信标并检查TIM字段。在收到DATA数据包后，它将检查MoreData位。对某一个基站i，假设其休眠间隔为k

(1)如图2(a)所示，当TIM(i)＝0的情况下，基站i接收到一个包含TIM(i)＝0的信标，然后进入时长持续k

(2)如图2(b)所示，当TIM(i)＝1，MoreData＝0的情况下，基站i接收到一个包含TIM(i)＝1的信标，然后保持唤醒状态，直到它接收到一个包含MoreData＝0的数据包。此后，它首先发送ACK数据给接入点，然后进入睡眠状态，直到当前重复间隔结束，然后继续保持持续时长为k

(3)如图2(c)所示，当TIM(i)＝1，MoreData＝1的情况下，基站i接收到一个包含TIM(i)＝1的信标，然后保持唤醒状态，当它接收到一个包含MoreData＝1的数据包后，它将继续保持唤醒状态，直到收到下一个信标为止；在这种情况下，基站i不睡觉。

本实施例中，所述单服务器排队系统中，客户按照泊松过程到达，到达率为λ，客户服务时间满足一般分布，服务器具有无限缓存区；如果队列中有客户的话，服务器每次仅服务一个客户，然后不管队列中有多少客户等待，都会立即进入休假。每当服务器休假结束时，如果发现队列中没有客户等待，它将进行新的休假。这样的服务器称为需要多次休假的服务器。服务器检查队列时，它将首先启动服务，然后根据队列中的客户数量进行三种类型中的一种休假。相应地，系统具有三种类型的服务间隔(其中服务间隔定义为两次连续检查之间的间隔)，如图3所示。

服务间隔Y

服务间隔Y

服务间隔Y

接下来，本实施例中，定义并计算以下变量。

g

h

D：客户到达队列与客户离开系统之间的总时延。

(1)g

借助图3，我们可以为排队系统建立以下关系：

将Y

当n＝0时，式2可化简为：

接下来，让G(z)表示g

把式2代入式4里，可以得到：

令

同样，本实施例中，可以表示式5的第二项，也可表示式5的第三项；其中，在本实施例中，可用

令A表示式5的第三项，并如下定义A

现在计算A

A

……

因此，把这些项加起来，我们可以得到：

最后，表述A如下:

应用这些表达式，我们可以将式5重写为：

另外，因为有：

令E(Y

进一步定义ρ

g

如果已知Y

当n＝0时，式11可以化简为：

求解式10和式12的系统，则有：

最后，根据式11和式13，可以递归计算n＝2、3、4的g

(2)h

本实施例中，在服务器检查队列时队列不为空的条件下，计算h

用E(X)表示X的平均值，并定义ρ

最后，根据g

(3)D的计算过程如下：

因为泊松到达的时间是平均时间，所以h

Var(L)＝E(L

另一方面，应用利特尔定律，可以将总时延D表示为：

进一步，所述总时延的平均值和标准差的计算公式如下：

在了解了包含MoreData参数的轮询系统和单服务器排队系统之后，接下来，在包含MoreData参数的轮询系统与单服务器排队系统之间建立等价关系。具体地，将轮询系统中的基站i作为排队系统的服务器，并将AP缓存区视为排队系统的缓存区；基站i的数据包到达过程遵循参数为的泊松过程；当AP开始向基站i发送数据包时，基站i开始服务来接收其数据包。因为轮询系统中数据包的传输过程遵循以下模式：SIFS/DATA/SIFS/ACK，所以本实施例中，可以将轮询系统中基站i的服务时间定义为：

X

其中T

考虑基站i唤醒的重复间隔，本实施例中，将基站i的检查时刻定义为重复间隔中AP完成基站i-1传输任务的时刻，如图4所示，可以将基站i的服务间隔定义为连续两次检查时刻之间的间隔。在服务间隔中，基站i接收到其中一个数据包，或者处于睡眠状态，或者保持清醒状态，但是不再接收其数据包；可称该时间(该基站i没有接收其数据包)为该基站i的休假。

根据轮询系统中的三种操作类型(取决于如图2所示的TIM(i)和MoreData参数)，在轮询系统中现在有三种等价的服务间隔类型。

(1)当TIM(i)＝0时的服务间隔

(2)当TIM(i)＝1和MoreData＝0时的服务间隔

(3)当TIM(i)＝1和MoreData＝1时的服务间隔

到目前为止，本实施例中，已经在两个系统之间建立了等价关系。接下来，计算

一：

首先计算

其中k

其中T

此外，请注意：(i)在每个重复间隔中，对于i≠j，ξ

然后，计算

接下来，我们根据式22、式23和式24计算

本实施例中，在包含MoreData参数的轮询系统中，基站在休眠和唤醒状态之间交替。在休眠状态下，基站进入睡眠状态并且消耗非常低的功率。在本实施例中，假设基站在休眠状态下的能耗为零；在唤醒状态下，有两种类型的能耗，分别是：

(1)基站处于接收模式时的功率为P

(2)基站处于传输模式时的功率为P

对于某一个基站i，有如图4所示的三种类型的服务间隔

令PW

同样地，令PW

同样地，设PW

令Φ

其中φ

在等价排队系统中，g

设E(Φ

本实施例中，根据所述轮询系统中数据包传输过程中总时延的平均值和标准差及能耗的平均值和标准差，可构建时延能耗模型；接下来，对构建的时延能耗模型进行验证。

本实施例中，考虑MoreData位，并在同构和异构设置中验证时延能耗模型的准确性。通过验证，证明了忽略MoreData位将导致明显的分析错误，忽略MoreData位，意思是当一个基站接收到它的一个数据包时，无论是否设置了MoreData位，它将一直保持唤醒状态，直到接收到下一个信标为止，然后根据TIM字段中的信息确定是继续保持唤醒状态还是进入睡眠状态。

在仿真中，本实施例根据IEEE 802.11b设置默认参数值(如表I所示)。假设在一个网络中包含8个基站，将每个基站和AP的缓存区大小设置为1000个数据包，并将T

表I.默认的参数值

表II.语音流量[30]和数据流量的参数值

参照图5，本实施例绘制了同构设置下第8个基站数据包的平均总时延与数据包到达率的关系(请注意，当考虑其他站的数据包时，会获得非常相似的结果)。在图5中，“sim”和“ana”曲线分别绘制了考虑MoreData位时总时延的仿真结果和理论结果，其中理论结果由式16计算。“sim_ignore”曲线显示的是忽略MoreData位时的仿真结果。从这幅图中有两个发现：

(1)“ana”曲线与“sim”曲线紧密匹配，表明时延能耗模型非常准确；

(2)“sim”曲线几乎总是在“sim_ignore”曲线的上方，表明启用MoreData位将导致更长的时延。平均而言，“sim”曲线中的时延比“sim_ignore”曲线中的时延高11％；其原因如下：如图2(b)所示，如果考虑MoreData位时，则当一个基站发现MoreData＝0时，它将立即进入睡眠状态，因此将忽略下一个信标(如虚线框所示)。结果，基站无法在唤醒之前接收数据包，从而导致较长的时延。相反，如果忽略MoreData位，则基站不管什么时候接收到它的一个数据包后，它始终保持唤醒状态，直到收到下一个信标为止；如果信标指示有该基站缓存的数据包，那它可以很快接收到该数据包，从而避免了长时间的时延。

参照图6，本实施例绘制了基站8数据包的平均能耗与同构设置下数据包到达速率的关系。在图6中，“sim”和“ana”曲线分别绘制了考虑MoreData位时能耗的仿真和理论结果，其中理论结果由式26计算得到。“sim_ignore”曲线显示了忽略MoreData位时的仿真结果。从这幅图中有两个发现：

(1)“ana”曲线与“sim”曲线紧密匹配，表明时延能耗模型非常准确；

(2)“sim”曲线始终位于“sim_ignore”曲线下方，表明考虑MoreData位将导致较低的能耗。平均而言，“sim”曲线中的能耗比“sim_ignore”曲线中的能耗低28％。其原因如下：如图2(b)所示，如果考虑MoreData位时，当一个基站发现MoreData＝0时，它将首先休眠当前重复间隔的剩余时间，然后继续休眠一个休眠间隔，从而降低了能耗。相反，如果忽略MoreData位，则无论何时基站接收到一个数据包，基站都会保持唤醒状态，直到接收到新的信标指示不再有它的缓存数据包，从而消耗了更多能量。

简而言之，结果表明，考虑MoreData机制会将总时延稍微增加，但可以更多地降低能耗。

在本实施例中，考虑同构设置，所有8个基站有相同kT

其中E{D

参照图7，图7展示了示如何找到最佳k值；图7画出了随着k的变化，基站1在左y轴上的能耗E(Φ

(1)总时延以k为单位增加；这是因为较大的k意味着较长的休眠间隔，因此会有较长的总时延。

(2)随着k的增加，能耗首先降低，然后增加；直观地，较短的k意味着较短的休眠间隔，基站经常醒来去接收信标，因此会消耗更多能量；较大的k意味着较长的休眠间隔，基站很少会醒来去接收信标，因此会消耗较少的能量。

通过观察总时延和能耗关于k的变化趋势，能够快速地找到最佳k值。本实施例中，从图7的时延曲线可以看出，k＝1到6的设置满足δ

本发明实施例所述基于MoreData机制的参数优化方法具有以下技术效果：

本发明实施例通过在包含MoreData参数的轮询系统与所述单服务器排队系统之间建立等价关系，进而通过单服务器排队系统研究MoreData参数对轮询系统的时延和能耗的影响；获取最佳休眠间隔参数，从而通过参数优化设置，能够保证时延要求的同时，将能耗降至最低。

参照图8，本发明实施例还提供了一种基于MoreData机制的参数优化装置200，具体包括：

至少一个处理器210；

至少一个存储器220，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器210执行，使得所述至少一个处理器210实现如图1所示的方法。

其中，存储器220作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。存储器220可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器220可选包括相对于处理器210远程设置的远程存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器210。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

可以理解到，图8中示出的装置结构并不构成对装置200的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图8所示的装置200中，处理器210可以调取存储器220中储存的程序，并执行但不限于图1所示实施例的步骤。

以上所描述的装置200实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现实施例的目的。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在被处理器执行时用于实现如图1所示的方法。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。

可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。