一种基于TDMA数据链异构网的端到端时延的测量与优化方法

摘要

本发明公开了一种基于TDMA数据链异构网的端到端时延的测量与优化方法，该方法包括有计算每条链路的传输误码率的步骤、建立并叠加每种数据链的单数据链网络拓扑矩阵，得到数据链异构网网络拓扑矩阵的步骤、计算端到端数据传输的最小跳数，并记录所有的中继节点的步骤、测量数据传输产生的端到端时延的步骤和优化数据链异构网络的步骤。本发明方法充分的考虑了数据传输过程中信道、链路和组网对TDMA数据链异构网端到端时延的影响，这不仅能够得到更为精确的端到端时延，从而降低数据链异构网的设计成本，并在设计阶段就能对网络性能进行优化。

主权项

一种基于TDMA数据链异构网的端到端时延的测量与优化方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一，计算多种数据链中的每条链路的传输误码率；其具体步骤为：步骤101：依据数据链异构网中任意节点、任意干扰源的地理经纬度坐标，分别计算出节点－节点距离D_ij和节点－干扰源距离D_Ij；所述节点－节点距离D_ij＝111.1×arc cos(sin x_i×sin x_j+cos x_i×cos x_j×cos(y_i‑y_j))；其中，111.1是单位地球中心夹角对应的地球表面弧长，单位为千米；x_i是节点i的地理纬度值，在北纬为正值，在南纬为负值；x_j是节点j的地理纬度值，在北纬为正值，在南纬为负值；y_i是节点i的地理经度值，在东经为正值，在西经为负值；y_j是节点j的地理经度值，在东经为正值，在西经为负值；所述节点－干扰源距离D_Ij＝111.1×arc cos(sin x_I×sin x_j+cos x_I×cos x_j×cos(y_I‑y_j))；x_I是干扰源I的地理纬度值，在北纬为正值，在南纬为负值；x_I是干扰源I的地理纬度值，在北纬为正值，在南纬为负值；步骤102：将节点－节点距离D_ij、节点－干扰源距离D_Ij、发射端载波频率发射天线高度H_i、接收天线高度H_j和干扰源天线高度H_I代入Egli传播模型中，解析得到节点－节点损耗和节点－干扰源损耗所述节点－节点损耗$A_{i\to j}^{k_m}=117+40\lg D_{ij}+20\lg f^{k_m}-20\lg (H_i\times H_j),$其中，117是传输路径的补偿衰减值，单位为dB；是任意一种数据链k_m的发射端载波频率，单位是MHz；H_i是节点i的天线高度，单位是米；H_j是节点j的天线高度，单位是米；节点－节点损耗的单位是dB；所述节点－干扰源损耗$C_{I\to j}^{k_m}=117+40\lg D_{Ij}+20\lg f^{k_m}-20\lg (H_I\times H_j),$其中，H_I是干扰源I的天线高度，单位是米；节点－干扰源损耗的单位是dB；步骤103：依据步骤102中的节点－节点损耗和节点－干扰源损耗求取任意一链路上的当前传输误码率所述当前传输误码率且$a_{i\to j}^{k_m}=\sqrt{\frac{2\times {10}^{\frac{P_i-A_{i\to j}^{k_m}}{10}}}{{10}^{\frac{P_I+10\log B_i-C_{I\to j}^{k_m}}{10}}+{10}^{\frac{N_0+10\log B_i}{10}}}};$其中，Q(·)是Q函数，表示传输误码率，单位是％；表示节点i至节点j以数据链k_m进行数字传输的误码率，采用Q函数表征；P_i表示发射端节点i的发射功率，单位是dB；B_i表示发射端节点i的发射功率带宽，单位是MHz；P_I表示干扰源I的功率谱密度，单位是dB/MHz；N₀表示噪声功率谱密度，单位是dB/MHz；步骤104：重复步骤101到步骤103，直到计算出所有链路的总传输误码率BER；所述总传输误码率$BER=\{{\mathrm{BER}}_{i-1\to j-1}^{k_{m-1}},{\mathrm{BER}}_{i\to j}^{k_m},...,{\mathrm{BER}}_{i+1\to j+1}^{k_{m+1}}\}$中表示前一个传输误码率；表示当前传输误码率；表示后一个传输误码率；对于当前传输误码率来讲是指节点i至节点j以数据链k_m进行数字传输的误码率；同理可得，节点i的前一个节点记为i‑1，且i‑1∈n，节点i的后一个节点记为i+1，且i+1∈n，节点j的前一个节点记为j‑1，且j‑1∈n，节点j的后一个节点记为j+1，且j+1∈n，数据链k_m的前一个链路记为k_m‑1，数据链k_m的后一个链路记为k_m+1，则有节点i‑1与节点j‑1以数据链k_m‑1进行数字传输的误码率为节点i+1与节点j+1以数据链k_m+1进行数字传输的误码率为步骤二，建立并叠加多种数据链中的每种数据链的单数据链网络拓扑矩阵，得到数据链异构网网络拓扑矩阵；所述数据链异构网中至少有节点i、节点j、节点a、节点b和节点c；5个节点具有3种数据链；在步骤二中进行的数据链路异构网网络矩阵的建立为：步骤201：设定信号成功接收的门限误码率为BER_门限；步骤202：对比任意一传输误码率与门限误码率BER_门限，从而得到节点i至节点j的节点－节点连通性(A)如果节点i、节点j同时支持数据链k_m时，且满足则任意一链路连通；(B)如果节点i、节点j同时支持数据链k_m时，且满足则任意一链路不连通；(C)如果节点i或节点j不支持数据链k_m，则任意一链路不连通；步骤203：重复步骤202，判断多种数据链中的每种数据链的任意两个节点之间是否能够连通，从而得到单数据链网络拓扑矩阵所述的单数据链网络拓扑矩阵其中，如果任意一链路为连通，则节点－节点连通性且将节点i和节点j记为数据链k_m的有效节点；若为不连通，则表示节点1到节点1通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点1到节点2通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点1到节点n通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点2到节点1通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点2到节点2通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点2到节点n通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点i到节点j通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点n到节点1通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点n到节点2通过数据链k_m进行数字传输的连通性；表示节点n到节点n通过数据链k_m进行数字传输的连通性；步骤204：叠加每种数据链的单数据链网络拓扑矩阵，得到数据链异构网网络拓扑矩阵其中，矩阵T为每种数据链的单数据链网络拓扑矩阵逻辑相加之和，即对于矩阵中的每个元素的赋值满足：1+1＝1，1+0＝1，0+1＝1，0+0＝0；t_1→1表示节点1到节点1进行数字传输的连通性；t_1→2表示节点1到节点2进行数字传输的连通性；t_1→n表示节点1到节点n进行数字传输的连通性；t_2→1表示节点2到节点1进行数字传输的连通性；t_2→2表示节点2到节点2进行数字传输的连通性；t_2→n表示节点2到节点n进行数字传输的连通性；t_i→j表示节点i到节点j进行数字传输的连通性；t_n→1表示节点n到节点1进行数字传输的连通性；t_n→2表示节点n到节点2进行数字传输的连通性；t_n→n表示节点n到节点n进行数字传输的连通性；步骤三，计算端到端数据传输的最小跳数，并记录所有的中继节点的处理步骤有；步骤301：设节点i到节点j的数据传输跳数记为Jump；初始时，节点i到节点j的最小数据传输跳数赋值为1，即Jump＝1；步骤302：如果数据链异构网网络拓扑矩阵T中的t_i→j的逻辑相加赋值为1，即t_i→j＝1，则节点i到节点j的最小数据传输跳数为1，即Jump＝1；然后执行步骤307；步骤303：如果数据链异构网网络拓扑矩阵T中的t_i→j的逻辑相加赋值为0，则记录下$T=\left[\begin{array}{ccccc}0& 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$中能够与节点i在数据传输跳数为1时连通的节点，即分别为节点a、节点b；步骤304：如果数据链异构网网络拓扑矩阵T中的t_a→j或者t_b→j的逻辑相加赋值为1，即t_a→j＝1或者t_b→j＝1，则节点i到节点j的最小数据传输跳数为2，即Jump＝1+1；然后执行步骤307；步骤305：如果数据链异构网网络拓扑矩阵T中的t_a→j和t_b→j的逻辑相加赋值为0，则记录下$T=\left[\begin{array}{ccccc}0& 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$中除节点i，且能够与节点a或者节点b在数据传输跳数为1时连通的节点，即为节点c；步骤306：如果数据链异构网网络拓扑矩阵T中的t_c→j的逻辑相加赋值为1，即t_c→j＝1，则节点i到节点j的最小数据传输跳数为3，即Jump＝1+1+1；然后执行步骤307；步骤307：记录下满足节点i到节点j数据传输跳数为3的路径，i→a→c→j、i→b→c→j；将i→a→c→j记为第一条路由路径R₁，将i→b→c→j记为第二条路由路径R₂；步骤308：记录第一条路由路径R₁上的所有中继节点，即节点a和节点c；按照数据传输通过的先后次序进行数字编号，则节点i的数字编号记为节点a的数字编号记为则节点c的数字编号记为节点j的数字编号记为记录第二条路由路径R₂上的所有中继节点，即节点b和节点c；按照数据传输通过的先后次序进行数字编号，则节点i的数字编号记为节点b的数字编号记为则节点c的数字编号记为节点j的数字编号记为在数据链异构网的网络拓扑中，节点i到节点j的中继节点形成的路由路径表征为将节点i的数字编号记为节点j的数字编号记为表示第1个中继节点的数字编号；表示第2个中继节点的数字编号；表示第q个中继节点的数字编号，也称为最后一个中继节点的数字编号；不失一般性，称为任意一中继节点的数字编号；步骤四，进行测量数据传输产生的端到端时延的测量步骤有；步骤401：当节点i在第一条路由路径R₁上作为发射端有第一种数据链和第二种数据链供选择时，选择有效节点总数最少的第二种数据链进行传输；当节点a在第一条路由路径R₁上作为发射端有第一种数据链和第二种数据链供选择时，选择与节点i在第一条路由路径R₁上相同的第二种数据链进行传输；然后采用数据链的TDMA时隙分配规则获取第一条路由路径R₁上的节点a作为发射端时在一帧中占用的时隙数目且其中，是节点a在第一条路由路径R₁上作为发射端时一帧中的时隙总数；ξ是一帧中预留的时隙比例，且0≤ξ＜1；是节点a在第一条路由路径R₁上作为发射端时所用数据链的有效节点总数；表示向下取整；采用数据链的TDMA时隙分配规则获取第一条路由路径R₁上的节点c作为发射端时在一帧中占用的时隙数目且其中，是节点c在第一条路由路径R₁上作为发射端时一帧中的时隙总数；ξ是一帧中预留的时隙比例，且0≤ξ＜1；是节点c在第一条路由路径R₁上作为发射端时所用数据链的有效节点总数；表示向下取整；采用数据链的TDMA时隙分配规则获取第二条路由路径R₂上的节点b作为发射端时在一帧中占用的时隙数目且其中，是节点b在第二条路由路径R₂上作为发射端时一帧中的时隙总数；ξ是一帧中预留的时隙比例，且0≤ξ＜1；是节点b在第二条路由路径R₂上作为发射端时所用数据链的有效节点总数；表示向下取整；采用数据链的TDMA时隙分配规则获取第二条路由路径R₂上的节点c作为发射端时在一帧中占用的时隙数目且其中，是节点c在第二条路由路径R₂上作为发射端时一帧中的时隙总数；ξ是一帧中预留的时隙比例，且0≤ξ＜1；是节点c在第二条路由路径R₂上作为发射端时所用数据链的有效节点总数；表示向下取整；步骤402：依据端到端时延关系得到第一条路由路径R₁上的节点i到节点j的时延；其中，(A)如果路由路径节点和作为发射端时使用同一种数据链并且所占时隙在帧上的位置比路由路径节点靠前k_f个，则k_f表示在TDMA时隙分配规则中与间隔的节点个数；其中，(B)如果路由路径节点和作为发射端时使用同一种数据链并且所占时隙在帧上的位置比路由路径节点靠后k_g个，则$T_{w_q}^{R_1}=T_{f_{q+1}}^{R_1}+{\Delta }_G-\frac{T_{f_{q+1}}^{R_1}}{N_{f_{q+1}}^{R_1}}\times N_{{\mathrm{sub}}_{q+1}}^{R_1}\times k_g-(\frac{K}{{\Omega }_{q+1}^{R_1}\times N_{{\mathrm{sub}}_{q+1}}^{R_1}}-1)\times (T_{f_{q+1}}^{R_1}+{\Delta }_G+{\Delta }_p);$k_g表示在TDMA时隙分配规则中与间隔的节点个数；其中，(C)如果与作为发射端时使用不同种数据链，则表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时所占时隙排在帧上的位置；步骤403：依据端到端时延关系得到第二条路由路径R₂上的节点i到节点j的时延；其中，(D)如果路由路径节点和作为发射端时使用同一种数据链并且节点所占时隙在帧上的位置比节点靠前k_f个，则k_f表示在TDMA时隙分配规则中与间隔的节点个数；其中，(E)如果路由路径节点和作为发射端时使用同一种数据链并且所占时隙在帧上的位置比节点靠后k_g个，则$T_{w_q}^{R_2}=T_{f_{q+1}}^{R_2}+{\Delta }_G-\frac{T_{f_{q+1}}^{R_2}}{N_{f_{q+1}}^{R_2}}\times N_{{\mathrm{sub}}_{q+1}}^{R_2}\times k_g-(\frac{K}{{\Omega }_{q+1}^{R_2}\times N_{{\mathrm{sub}}_{q+1}}^{R_2}}-1)\times (T_{f_{q+1}}^{R_2}+{\Delta }_G+{\Delta }_p);$k_g表示在TDMA时隙分配规则中与间隔的节点个数；其中，(F)如果与作为发射端时使用不同种数据链，则表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时所占时隙排在帧上的位置；c表示电磁波的传播速度，且c＝0.3km/μs；K表示所需传输数据包的大小，单位是bit；Δ_G表示帧间保障间隔，单位是μs；Δ_p表示任意一节点处理一帧的时延，单位是μs；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点与路由路径节点之间的距离；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点与路由路径节点之间的距离；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时每个时隙内可传输的有效数据长度，单位是bit；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时每个时隙内可传输的有效数据长度，单位是bit；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时每个时隙内可传输的有效数据长度，单位是bit；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时每个时隙内可传输的有效数据长度，单位是bit；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时在一帧中占用的时隙数目；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时在一帧中占用的时隙数目；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时在一帧中占用的时隙数目；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时在一帧中占用的时隙数目；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时的帧长，单位是μs；表示第一条路由路径R₁上的路由路径节点作为发射端时的帧长，单位是μs；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时的帧长，单位是μs；表示第二条路由路径R₂上的路由路径节点作为发射端时的帧长，单位是μs；表示路由路径节点在第一条路由路径R₁上作为发射端时一帧中的时隙总数；表示路由路径节点在第一条路由路径R₁上作为发射端时一帧中的时隙总数；表示路由路径节点在第二条路由路径R₂上作为发射端时一帧中的时隙总数；表示路由路径节点在第二条路由路径R₂上作为发射端时一帧中的时隙总数；步骤404：比较和取最小的端到端时延所对应的路由路径进行数据传输，即节点i到节点j的时延记为在数据链异构网的网络拓扑中，节点i到节点j的时延记为表示第一条路由路径上的端到端时延；表示第二条路由路径上的端到端时延；表示第r条路由路径上的端到端时延，也称为最后一条路由路径上的端到端时延；不失一般性，称为任意一条路由路径上的端到端时延；步骤五，优化基于TDMA数据链异构网络的方式有两种，方式一为：如果节点i到节点j的时延不满足ITU－T的要求时，则提高端到端时延最小的路由路径中发射节点的发射功率P_i；重新进行端到端时延的测量，直至能够满足ITU－T的要求，从而达到优化基于TDMA数据链异构网络；优化基于TDMA数据链异构网的方式二为：如果节点i到节点j的时延不满足ITU－T的要求时，则设定不满足ITU－T要求的端到端时延最小的路由路径中的发射节点以同一种数据链进行数据传输；重新进行端到端时延的测量，直至能够满足ITU－T的要求，从而达到优化基于TDMA数据链异构网络。