CN101309166B - 无线通信***中传输参数的获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无线通信***中传输参数的获取方法及装置。其中，所述的传输参数包括无线通信***中的吞吐率参数，且计算所述吞吐率参数的方式包括：首先，获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；之后，计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，并作为所述吞吐率参数的计算结果。因此，本发明实施例有效提高了网络中的吞吐率参数估计的准确性，从而为网络性能评估提供了可靠准确的分析工具。

Description

无线通信***中传输参数的获取方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线通信***中的时延及吞吐率的分析技术。

背景技术

在WPAN(无线个人区域网络)和WSN(无线传感器网络)等无线通信网络中，相应的网络工作模式主要包括：信标使能模式和非信标使能模式。其中，在信标使能模式下，网络协调器周期性地发送超帧以组织通信，提供及时服务的保证，并通过在超帧中分配时隙以保证传输质量；在非信标使能模式下，网络中的所有节点通过非时隙的CSMA(载波侦听多点接入)/CA(冲突避免)算法竞争信道，非信标使能模式具有自组织性的优点，但其无法提供时间和质量的保证。

在信标使能模式下，两个连续信标帧的发送间隔用BI(BeaconInterval，信标间隔)表示，即超帧的持续时间。如图1所示，该BI具体可以分为活跃期(active)和非活跃期(Inactive)，其中，活跃期包括Beacon(信标)帧发送时段、CAP(竞争访问时段)和CFP(非竞争访问时段)。

在图1中，超帧的活跃期称为超帧的持续时间SD，SD共被划分为16个等长的slot(时隙)，每个slot的长度和竞争访问时段包含的时隙数等参数由网络协调器设定，并通过超帧开始时的信标帧广播到整个网络。在超帧的非活跃期，节点不发送数据，进入休眠状态以节省能量。

所述的BI和SD主要由BO(Beacon Order，信标帧指数)和SO(Superframe Order，超帧指数)两个参数决定，具体为：

BI＝aBaseSuperframeDuration×2^BO  0≤BO≤14      (1)

SD＝aBaseSuperframeDuration×2^SO  0≤SO≤BO≤14  (2)

其中，参数aBaseSuperframeDuration是当SO＝0时超帧的最小长度，目前，通常为960symbols(1symbol＝4bits)，即15.36ms。

在SD时间段中，CAP时段的最小长度是aMinCAPLength(440个symbols)，但是如果要使用GTS(时隙保障机制)，则允许CAP的长度小于该值。在CAP阶段，节点通过时隙的CSMA/CA算法竞争信道。节点在CAP时段向协调器申请分配GTS，成功获得GTS后，节点就可以在自己的GTS中直接发送数据，不需要使用CSMA/CA算法竞争信道。

在一个超帧中最多只能分配7个GTS，每个GTS由若干个时隙组成。分配到GTS的节点必须确保能在GTS结束前完成通信。

在无线通信网络中，为便于了解网络中的传输情况，通常需要估计网络的传输参数，相应的传输参数包括时延、网络吞吐率等。

其中，所述的吞吐率参数的估计方式为：

${\mathrm{Th}}_{\max }=\min \left(\begin{array}{c}\frac{b+r\·\mathrm{Ts}}{\mathrm{BI}},\\ \max \left(\begin{array}{c}\mathrm{Ts}-(N_{\mathrm{LIFS}}-1)\·\mathrm{LIFS}-\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{IFS}\right),\\ \mathrm{Ts}-N_{\mathrm{SIFS}}\·\mathrm{SIFS}\end{array}\right)\frac{C}{\mathrm{BI}}\end{array}\right);$

式中，Th_max为吞吐率，b为突发数据的长度，r为数据到达曲线的斜率，N为长帧或短帧的数量，LIFS为长帧帧间间隔，SIFS为短帧帧间间隔，C为信道容量，Δ(IFS)为最后一帧的IFS(帧间间隔)，可以为LIFS或SIFS。

在实施本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

在现有的吞吐率估计过程中，采用的是CFP中的数据传输时间和BI相比，即其计算的是网络中的相对吞吐率，在计算网络吞吐率过程中，并未考虑在CAP时段可能传输的数据，故现有技术中的吞吐率的估计结果也存在着准确性不佳的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种无线通信***中传输参数的获取方法及装置，以提高传输参数的估计结果的准确性。

本发明实施例提供了一种无线通信***中传输参数的估计方法，所述的传输参数包括无线通信***中的吞吐率参数，计算所述吞吐率参数的方法包括：

获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；

计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，并将所述计算结果作为所述吞吐率参数。

本发明实施例提供了一种无线通信***中传输参数的估计装置，所述的装置中包括用于计算估计无线通信***中的吞吐率参数的吞吐率估计单元，所述的吞吐率估计单元包括：

第一估计参数获取单元，用于获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；

吞吐率计算单元，用于根据所述第一估计参数获取单元获取的信息，计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，并将所述计算结果作为所述传输参数中的吞吐率参数。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种准确估计超帧的CFP时段网络吞吐率的实现方案，提高了网络中的吞吐率参数估计的准确性，从而为网络性能评估提供了可靠准确的分析工具。

附图说明

图1为现有技术中超帧结构示意图；

图2为现有技术的GTS中的无确认和确认传输模式示意图；

图3为本发明实施例中吞吐率与SO之间的关系曲线示意图一；

图4为本发明实施例中吞吐率与SO之间的关系曲线示意图二；

图5为本发明实施例中的数据到达与服务曲线示意图一；

图6为本发明实施例中的数据到达与服务曲线示意图二；

图7为本发明实施例中的数据到达与服务曲线示意图三；

图8为本发明实施例中时延与SO之间的关系曲线示意图；

图9为本发明实施例提供的装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中，提供了相应的无线通信***中传输参数的获取方案，其中，所述的传输参数包括无线通信***中的吞吐率参数，且计算所述吞吐率的方法主要包括：首先，获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；之后，计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，并将所述计算结果作为所述吞吐率，从而获得准确的吞吐率计算结果。

本发明实施例中，所述的传输参数还可以包括时延参数，且计算所述时延的方法包括：根据突发数据的长度及无线通信***中发送数据的函数计算所述时延。

因此，在本发明实施例中，具体是根据网络中节点数据的到达情况以及超帧结构的参数设置进行网络吞吐率和时延等传输参数的估计，从而可以获得准确的传输参数。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图，对本发明实施例提供的计算网络吞吐率及时延参数的具体实现方式进行详细说明。

(一)网络吞吐率的计算过程

本发明实施例中，定义在CFP阶段的吞吐率Th为GTS用于发送数据的时间和GTS长度的比值。

在GTS中的传输模式如图2所示，分别包含有确认和无确认的传输模式，在图2中，T_s(即T_slot)是一个slot的持续时间，故：

$T_{\mathrm{slot}}=\frac{\mathrm{SD}}{16}\·\frac{1}{C}=\frac{\mathrm{aBaseSuperframeDuration}}{C}\×2^{\mathrm{SO}-4}---\left(3\right)$

根据实际的工作情况定义T_slot＝T_data+T_idle＝T_data+T_over+T_waste，其中T_data是数据帧的传输时间，T_over是IFS(帧间间隔)和Ack(确认)的传输时间(若要求确认)之和，是***的协议开销时间，T_waste则是完成数据的发送(数据传输，IFS以及Ack)后所剩余的时间。

为准确估计相应的吞吐率，则需要对GTS中的时隙的使用情况进行分析，相应的GTS的使用情况可以包括两种：一种是slot(时隙)被充分利用；另一种是slot部分被利用。

另外，为便于描述，假设长帧的长度是840bits，短帧长度是48bits，并采用变量Length代表帧长；帧间间隔LIFS是160bits，SIFS是48bits；而且，为方便计算，假设GTS中只包含有一个slot。

下面将对不同时隙使用情况下的吞吐率的计算过程进行说明。

(1)slot被充分利用情况下的吞吐率计算过程

当发送突发长度为b的突发数据b所需时间大于一个slot时，则slot中将只有T_data和T_over，而没有T_waste；

这样，在发送长帧时，则一个slot中可以发送的帧个数N_l为：

在式(4)中，第一项表示除去最后一个帧外所发送的长帧个数，且最后一个帧可能是短帧。

因此，在一个时隙中，用于发送突发数据b的时间(不包含帧间间隔时间)

为：

$T_{\mathrm{data}}^l=T_{\mathrm{slot}}-(N_l-1)\frac{\mathrm{LIFS}}{C}-\mathrm{\δ}---\left(5\right)$

在式(5)中，δ是最后一个帧的帧间间隔，其可以是

也可以是

在发送短帧时，一个slot中可以发送的帧个数N_s为：

此时，在一个时隙中，用于发送突发数据b的时间(不包含帧间间隔)

为：

$T_{\mathrm{data}}^s=T_{\mathrm{slot}}-N_s\frac{\mathrm{SIFS}}{C}---\left(7\right)$

因此，在slot被充分利用情况下的吞吐率Th_full为：

${\mathrm{Th}}_{\mathrm{full}}=\max (T_{\mathrm{data}}^s/T_{\mathrm{slot}},T_{\mathrm{data}}^l/T_{\mathrm{slot}})---\left(8\right)$

(2)slot部分被利用的情况下的吞吐率计算过程

在突发数据b所需时间小于一个slot时，在一个slot中传输的数据不会超过α(T_slot)＝b+rT_slot，其中，r为数据到达的速率，b为突发数据的长度；

此时，相应的吞吐率Th_part为：

${\mathrm{Th}}_{\mathrm{part}}=\min \left\{\begin{array}{c}\frac{b+{\mathrm{rT}}_{\mathrm{slot}}}{C\·T_{\mathrm{slot}}}\\ \max (T_{\mathrm{data}}^s/T_{\mathrm{slot}},T_{\mathrm{data}}^l/T_{\mathrm{slot}})\end{array}\right.---\left(9\right)$

可以看出，式(9)适合于slot被全部利用和slot部分被利用两种情况，因此，可以确定CFP阶段的吞吐率Th为：

$\mathrm{Th}=\min \left\{\begin{array}{c}\frac{b+{\mathrm{rT}}_{\mathrm{slot}}}{C\·T_{\mathrm{slot}}}\\ \max (T_{\mathrm{data}}^s/T_{\mathrm{slot}},T_{\mathrm{data}}^l/T_{\mathrm{slot}})\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，假设b不变，r变化，则根据式(10)可获得吞吐率和SO(超帧指数)的关系曲线如图3所示；假设r不变，b变化，则根据式(10)可获得吞吐率和SO的关系曲线如图4所示。

(二)时延的计算过程

在时延计算过程中，为便于理解，具体以超帧中仅分配了一个GTS，且GTS中仅含有1个slot(时隙)为例对时延的计算过程进行分析说明。

假设在连续一段时间内BO(信标帧指数)和SO(超帧指数)保持不变，且当节点有数据传输需求时，能够在CAP时段申请到GTS。

基于上述假设，在节点有发送数据需求至发出所述数据，期间最大的时间间隔为T＝BI-SD+SD-T_slot＝BI-T_slot，即在当前CFP结束时有数据到达，且在下一个超帧的CFP进行发送，相应的数据到达曲线和服务曲线如图5所示，将图5在时间上左移SD，则可获得图6所示的数据到达曲线和服务曲线。

在图6中，数据到达曲线为：α(t)＝b+rt，斜率r是数据的到达速率，b是突发数据的长度；则接收数据和发送数据相等时的最大时延D为：

D＝h(α，β)＝max{inf{τ≥0:α(s)≤β(s+τ)}}    s≥0      (11)

式中，Inf指的的是满足何种条件下的取值，τ为发送数据的时间；

在此，仅考虑GTS中用于发送数据的T_data，故服务曲线为阶梯函数，记为β(t)，这样，在第一个超帧中，CFP时段收到的数据量为：

在式(12)中，定义(t)+＝max(O，t)。所以，推广到第k个超帧中的数据接收，则相应的阶梯函数为：

故，服务曲线是阶梯函数，即 $\mathrm{\β}\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\β}}^k\left(t\right),$ 具体可以参照图7所示。

在图7中，时延D即为数据到达为b时的t值，根据公式(13)可知，若b＝(k-1)T_dataC+C[t-(kBI-T_slot)]，则求解获得的t值便为时延D，即：

$D^k=\frac{b-(k-1)T_{\mathrm{data}}C}{C}+\mathrm{kBI}-T_{\mathrm{slot}}$

$=\frac{b}{C}+\mathrm{kBI}-T_{\mathrm{slot}}-(k-1)T_{\mathrm{data}}$ (k-1)CT_data≤b≤kCT_data    (14)

进一步地，推广到GTS中含有n个slot(n≤15)的情况，则时延为：

${D_n}^k=\frac{b}{C}+\mathrm{kBI}-n{T}_{\mathrm{slot}}+n(k-1)T_{\mathrm{data}}+m{T}_{\mathrm{idle}}$ (k-1)nT_dataC≤b≤knT_dataC    (15)

其中，

基于式(15)，则相应的CFP时延D和SO的关系曲线如图8所示。

综上所述，本发明实施例中，是根据网络业务的到达和传输的实际情况对CFP时段的吞吐率和时延进行分析计算，从而大大提高了分析计算获得的结果的准确性，为GTS的高效使用提供了科学的理论基础。

本发明实施例还提供了一种无线通信***中传输参数的估计装置，其具体实现结构如图9所示，所述的装置可以包括用于计算估计无线通信***中的吞吐率参数的吞吐率估计单元，且所述的吞吐率估计单元具体可以包括：

(1)第一估计参数获取单元

该单元具体可以用于获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；

(2)吞吐率计算单元

该单元具体可以用于根据所述第一估计参数获取单元获取的信息，计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，并将所述计算结果作为所述传输参数中的吞吐率值；

而且，所述的吞吐率计算单元具体包括：

第二估计参数获取单元，用于获取最后一个帧的帧间间隔δ，短帧或长帧的数量N_s和N_l，数据到达曲线的斜率r，长帧或短帧的帧间间隔LIFS和SIFS；

吞吐率确定单元，用于根据所述第二估计参数获取单元获取的参数及所述第一估计参数获取单元获取的信息，采用以下公式进行吞吐率的计算：

吞吐率 $\mathrm{Th}=\min \left\{\begin{array}{c}\frac{b+{\mathrm{rT}}_{\mathrm{slot}}}{C\·T_{\mathrm{slot}}}\\ \max (T_{\mathrm{data}}^s/T_{\mathrm{slot}},T_{\mathrm{data}}^l/T_{\mathrm{slot}})\end{array}\right.;$

其中， $T_{\mathrm{data}}^l=T_{\mathrm{slot}}-(N_l-1)\frac{\mathrm{LIFS}}{C}-\mathrm{\δ},$   $T_{\mathrm{data}}^s=T_{\mathrm{slot}}-N_s\frac{\mathrm{SIFS}}{C}.$

为便于进行时延参数的计算，所述的装置还可以包括时延估计单元，用于估计传输参数中的时延参数，且具体用于采用以下公式进行时延计算：

时延 ${D_n}^k=\frac{b}{C}+\mathrm{kBI}-{\mathrm{nT}}_{\mathrm{slot}}+n(k-1)T_{\mathrm{data}}+{\mathrm{mT}}_{\mathrm{idle}},$ 且(k-1)nT_dataC≤b≤knT_dataC；

其中，D_n ^k为时延，b为突发数据的长度，c为信道容量，k为超帧数量，n为单个超帧的时隙保障机制中的时隙数，T_data为时隙保障机制中的数据帧长度，T_slot为时隙保障机制的长度，T_idle为时隙保障机制中的空闲长度。

综上所述，本发明实施例的实现可以有效提高网络中的吞吐率参数估计的准确性，同时还提供了相应的时延参数的估计方式，从而为网络性能评估提供了可靠准确的分析工具。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种无线通信***中传输参数的获取方法，所述的传输参数包括无线通信***中的吞吐率参数，其特征在于，计算所述吞吐率参数的方法包括：

获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；

计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，所述计算结果为所述吞吐率参数；

所述的吞吐率参数的计算方式具体为：

吞吐率 $\mathrm{Th}=\min \left\{\begin{array}{c}\frac{b+{\mathrm{rT}}_{\mathrm{slot}}}{C\·T_{\mathrm{slot}}}\\ \max (T_{\mathrm{data}}^s/T_{\mathrm{slot}},T_{\mathrm{data}}^l/T_{\mathrm{slot}})\end{array}\right.;$

其中， $T_{\mathrm{data}}^l=T_{\mathrm{slot}}-(N_l-1)\frac{\mathrm{LIFS}}{C}-\mathrm{\δ},$ $T_{\mathrm{data}}^s=T_{\mathrm{slot}}-N_s\frac{\mathrm{SIFS}}{C},$ δ为最后一个帧的帧间间隔，N_s和N_l分别为短帧或长帧的数量，r为数据到达曲线的斜率，LIFS和SIFS分别为长帧或短帧的帧间间隔，b为突发数据的长度，C为信道容量，

为时隙保障机制中的短数据帧的长度，

为时隙保障机制中的长数据帧的长度，T_slot为时隙保障机制的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的传输参数还包括时延参数，且计算所述时延参数的方法包括：

根据突发数据的长度及无线通信***中发送数据的函数计算所述时延参数；

所述的时延参数的计算方法具体包括：

时延参数 ${D_n}^k=\frac{b}{C}+\mathrm{kBI}-{\mathrm{nT}}_{\mathrm{slot}}+n(k-1)T_{\mathrm{data}}+{\mathrm{mT}}_{\mathrm{idle}},$ 且(k-1)nT_dataC≤b≤knT_dataC；

其中，D_n ^k为时延，b为突发数据的长度，C为信道容量，k为超帧数量，n为单个超帧的时隙保障机制中的时隙数，T_data为时隙保障机制中的数据帧长度，T_slot为时隙保障机制的长度，T_idle为时隙保障机制中的空闲长度，BI表示超帧的持续时间。

3.一种无线通信***中传输参数的获取装置，所述的装置中包括用于计算估计无线通信***中的吞吐率参数的吞吐率估计单元，其特征在于，所述的吞吐率估计单元包括：

第一估计参数获取单元，用于获取超帧中的活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度；

吞吐率计算单元，用于根据所述第一估计参数获取单元获取的信息，计算活跃期的时隙保障机制中用于发送数据的时间与时隙保障机制长度的比值，并将所述计算结果作为所述传输参数中的吞吐率参数；

所述的吞吐率计算单元具体包括：

第二估计参数获取单元，用于获取最后一个帧的帧间间隔δ，短帧或长帧的数量N_s和N_l，数据到达曲线的斜率r，长帧或短帧的帧间间隔LIFS和SIFS；

吞吐率确定单元，用于根据所述第二估计参数获取单元获取的参数及所述第一估计参数获取单元获取的信息，采用以下公式进行所述吞吐率参数的计算：

吞吐率 $\mathrm{Th}=\min \left\{\begin{array}{c}\frac{b+{\mathrm{rT}}_{\mathrm{slot}}}{C\·T_{\mathrm{slot}}}\\ \max (T_{\mathrm{data}}^s/T_{\mathrm{slot}},T_{\mathrm{data}}^l/T_{\mathrm{slot}})\end{array}\right.;$

其中， $T_{\mathrm{data}}^l=T_{\mathrm{slot}}-(N_l-1)\frac{\mathrm{LIFS}}{C}-\mathrm{\δ},$ $T_{\mathrm{data}}^s=T_{\mathrm{slot}}-N_s\frac{\mathrm{SIFS}}{C},$ δ为最后一个帧的帧间间隔，N_s和N_l分别为短帧或长帧的数量，r为数据到达曲线的斜率，LIFS和SIFS分别为长帧或短帧的帧间间隔，b为突发数据的长度，C为信道容量，

为时隙保障机制中的短数据帧的长度，

为时隙保障机制中的长数据帧的长度，T_slot为时隙保障机制的长度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括时延估计单元，用于采用以下公式进行时延参数估计：

时延参数 ${D_n}^k=\frac{b}{C}+\mathrm{kBI}-{\mathrm{nT}}_{\mathrm{slot}}+n(k-1)T_{\mathrm{data}}+{\mathrm{mT}}_{\mathrm{idle}},$ 且(k-1)nT_dataC≤b≤knT_dataC；

其中，

D_n ^k为时延，b为突发数据的长度，C为信道容量，k为超帧数量，n为单个超帧的时隙保障机制中的时隙数，T_data为时隙保障机制中的数据帧长度，T_slot为时隙保障机制的长度，T_idle为时隙保障机制中的空闲长度，BI表示超帧的持续时间。

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