Sınırlı arabelleğe sahip iki yönlü röle sisteminin performans analizi
Shen Weiwei, Li Min, Chen Lin
(Bilgi Mühendisliği Okulu, Suqian Üniversitesi, Suqian 223800, Jiangsu)
Röle sistemi, veri alışverişini daha az zaman aralığında tamamlamak için ağ kodlama teknolojisini kullanabilir, bu da sistemin spektrum kullanımını önemli ölçüde geliştirir. Ağ kodlamasının dikkate alınması durumunda, röle düğümünde arabellek alanının nasıl tahsis edileceği henüz araştırılmamıştır. Fiili iletim ek yükü, bağlantı kaybı ve sınırlı ara belleğe alma dikkate alındığında, bir iletim programlama stratejisi önerilmektedir. Ardından, sistemi matematiksel olarak modellemek ve analiz etmek için Markov teorisini kullanın ve ardından sistemin ortalama veriminin ve kuyruklama gecikmesinin kapalı form çözümünü elde edin. Monte Carlo simülasyonu, modelin doğruluğunu kanıtlar ve planlama stratejisinin mevcut iletim yöntemlerinden daha üstün olduğunu doğrular.Model aynı zamanda makul bir tampon boyutu belirlemek için de kullanılabilir. Gecikmeyi sağlama koşulu altında, artırarak Verimi artırmak için önbellek alanı.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN911
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.02.024
Çince alıntı biçimi: Shen Weiwei, Li Min, Chen Lin. Sınırlı tampon iki yönlü röle sisteminin performans analizi. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (2): 99-101, 106.
İngilizce alıntı biçimi: Shen Weiwei, Li Min, Chen Lin. Sonlu tampon altında iki yönlü röle performans analizi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (2): 99-101, 106.
0 Önsöz
Ağ kodlamasının, kablosuz iletişim sistemlerinin spektrum kullanımını etkili bir şekilde iyileştirdiği kanıtlanmıştır. Kablosuz ağın yayın özelliklerini kullanarak, röle düğümü, alınan iki veri paketini birleştirebilir ve ardından bunları aynı anda iki kullanıcı düğümüne yayınlayabilir, böylece bir iletim zaman dilimi kaydedebilir.Her kullanıcı düğümü, gönderdiği veri paketlerini birleştirir. Yeni alınan veri paketi, ihtiyacınız olan verileri elde etmek için özel bir VEYA işlemi gerçekleştirir. Şu anda iki ağ kodlama yöntemi vardır: fiziksel katman ağ kodlaması ve MAC (Orta Erişim Kontrolü) katmanı ağ kodlaması. Fiziksel katman ağ kodlaması, hassas zaman ve faz senkronizasyonu gerektirir ve kullanıcı düğümlerinin gücün hassas kontrolüne ihtiyacı vardır. MAC katmanı ağ kodlamasının uygulanması kolay olduğundan, bu makale yalnızca MAC katmanı ağ kodlamasını incelemektedir.
Literatür ilk olarak MAC katmanlı ağ kodlama kavramını önermiştir Kablolu ağlar temelinde, insanlar kablosuz ağların iletim özelliklerinin ağ kodlama özelliklerinin kullanımına daha uygun olduğunu bulmuşlardır. Literatür, ideal iletim koşulları altında iki yönlü bir röle sisteminin hız alanını vermek için Shannon teoremini kullanır. Literatür, ağ kodlamasına dayalı iki yönlü röle sistemini analiz etmek için gömülü Markov modelini kullanır, ancak araştırma, zamanlama ek yük faktörünü dikkate almaz. Literatür, sistemin verimini en üst düzeye çıkarmak için kesinti olasılığı teorisini kullanır, ancak bu araştırma, ideal kanal iletim durumuna ve bağlantı kaybolduğunda iletim modunun optimum olup olmadığına dayanmaktadır.
Bu makale ilk olarak, programlama ek yükü, sınırlı arabelleğe alma ve bağlantı kaybı gibi faktörleri hesaba katan rastgele bir ağ kodlama iletim stratejisi önerir ve iki yönlü röle sisteminin ortalama verimini ve gecikmesini elde etmek için sistem üzerinde Markov modellemesi gerçekleştirir. Performans için kapalı form çözümü. Son olarak, önerilen model MATLAB simülasyonu ile doğrulanmıştır.Sonuçlar, teorik modelin sistemi doğru bir şekilde analiz edebildiğini ve bu makalede önerilen iletim stratejisinin mevcut iletim stratejisinden daha iyi olduğunu göstermektedir.
1 Sistem modeli
Şekil 1'de gösterildiği gibi, iki iletişim terminalinin (U1 ve U2) veri alışverişi yapması gerekir Fiziksel engeller ve diğer nedenlerden dolayı, U1 ve U2 arasında doğrudan bir iletişim bağlantısı kurulamaz. Üçüncü düğüm R, aynı zamanda U1 ve U2'nin iletişim kapsamı içinde yer alır. R, U1'den (veya U2'den) veri almak ve ardından bunu U2'ye (veya U1) iletmek için Kod Çözme ve İletme (DF) kullanır. U1'den R'ye veri çerçevesi aktarımının başarı olasılığı, U2'den R'ye, R'den U1'e pR1 olarak ve R'den U2'ye pR2 olarak işaretlenmiştir. U1 ve U2'nin ara bellek kuyruklarında gönderilecek yeterli veri olduğunu varsayarsak, R U1 ve U2'den alınan verileri sırasıyla ara belleğin farklı alanlarında depolar ve ara bellek sıralarını sırasıyla L ve K olarak işaretler. Genellik kaybı olmadan, tüm veri paketleri eşit uzunlukta yapılır ve tüm düğümler verileri eşit bir hızda gönderir.
2 İki yönlü röle iletim stratejisi
Kayıplı bağlantı ve sınırlı tampon göz önüne alındığında, bu makale pratik bir iki yönlü röle ağ kodlama iletim stratejisi önermektedir. U1, U2 ve R, veri iletimi için kanala erişmek için zaman bölmeli çoklu erişimi (TDBC) kullanır. Mevcut iki yönlü aktarım sisteminden farklı olarak, artık her düğümün iletişimini gerçek zamanlı olarak planlamak gerekmediğinden, bu bölümde tasarlanan aktarım stratejisinin onay bilgileri (ACK), maliyetten tasarruf etmek için aktarım için veri paketine dahil edilecektir. . Şekil 2'de gösterildiği gibi, kullanıcı düğümleri ve röle düğümleri dönüşümlü olarak veri paketlerini iletir. Farklı düğüm aktarımlarını ayırt etmek için iki aşama tanımlanmıştır: T1 aşaması ve T2 aşaması T1 aşamasında, kullanıcılar U1 ve U2 veri gönderme imkanına, röle düğümü R ise T2 süresi boyunca veri gönderme imkanına sahiptir.
T1 aşamasında, kullanıcılar U1 ve U2, sırayla röle düğümüne R bir veri çerçevesi gönderir.R'deki ara bellek dolu değilse, R bir veri alma işlemi gerçekleştirir, aksi takdirde, bir sonraki zaman dilimi gelene kadar statik kalır. R, alma işlemini gerçekleştirir ve kodu doğru bir şekilde çözebilirse, veriler ilk giren ilk çıkar (FIFO) arabellek kuyruğu L (veya K) 'de depolanır. T2 aşamasında, R'nin verileri arabellekte göndermesine izin verilir. Bu makaledeki iletim stratejisi, en iyi çaba gerektiren ağ kodlamasını kullanır. Şu anda, R'deki iki arabellek kuyruğu boş değilse, R, arabellek kuyruğundaki verileri her iki yönde iletmek için ağ kodlamasını kullanır ve R, iki kuyruktan bir tane alır. Veri paketleri, özel bir OR işlemi gerçekleştirir, onları yeni bir veri paketinde birleştirir ve sonra yayınlar.İki kullanıcı, veri paketindeki kendi bilgilerini ortadan kaldırmak ve diğer tarafa çıkarmak için daha önce gönderdikleri verilerle alınan verileri XOR Gönderilen veri; R'deki bir kuyruk boşsa, R veriyi iletmek için geleneksel tek yönlü aktarma yönlendirme modunu kullanır; R'de arabellekte veri yoksa, R herhangi bir veri göndermez ve bir sonraki zaman dilimi gelene kadar hareketsiz kalır. .
3 Markov modelleme
Markov zincir durumunun parametreleri olarak L ve K tamponlarındaki kuyrukların gerçek zamanlı uzunluğunu seçin. İ'inci anda L ve K'nin kuyruk uzunlukları, l (i) ve k (i) olarak gösterilir, burada l (i) = 0,1 , ..., L; k (i) = 0,1, ..., K. İki kuyruğun uzunluk kombinasyonu s = (l, k), Markov zincirinin durumunu temsil edecek şekilde seçilir, Markov zincirinin (1 + L) (1 + K) farklı durumlara sahip olduğunu bilmek kolaydır. Bölüm 2'deki tanıma göre, bu Markov zincirinin durum geçişi, yalnızca o andaki duruma ve o andaki başarılı veri paketi iletimi olasılığına bağlıdır ve önceki andaki durumla ve önceki andaki veri aktarım durumuyla ilgisi yoktur. Dolayısıyla, bu durumun geçiş süreci hafızasızdır ve Markov özelliklerine uyar.
Burada (0), ilk durum olasılık vektörüdür. Ortalama verim ve ortalama gecikmeyi analiz etmek için, olarak kısaltılan durum vektörünün (i) ortalama olasılığı E { (i)} elde edilmelidir.
Gerçek iletişim sisteminde, röle düğümündeki tampon sıra uzunluğu sınırlıdır, bu nedenle Markov modelinin durumları sayılabilir; çünkü tüm durumlar, sınırlı sayıda adımda sıfır olmayan bir olasılıkla birbirine ulaşabilir, Bu nedenle, Markov zinciri döngüsel olmayan bir şekilde geçilir. Literatürden sınırlı durumlara ve ergodikliğe sahip Markov durum geçiş olasılığı matrisinin aşağıdakilere sahip olduğu bilinmektedir:
Formülde, I kimlik matrisidir, B tüm elemanların 1 olduğu bir kare matristir ve b tüm elemanların 1 olduğu bir satır vektörüdür. Bu nedenle, karşılık gelen sabit durum olasılığını elde etmek için yalnızca Markov geçiş matrisi P gereklidir ve daha sonra iki yönlü röle sisteminin verim ve kuyruk gecikme performansı elde edilebilir.
Bu iki yönlü röle sistemi iletiminde, bağlantı kaybının dikkate alınması nedeniyle, her veri iletimi% 100 güvenilir değildir ve her iletişim düğümünün veri iletiminin neden olduğu olay sonucu artık benzersiz değildir, bu nedenle kullanıcı düğümlerine ve röle düğümlerine hedeflenmesi gerekir. Veri aktarımı ayrı olarak analiz edilir. Ayrıca, her Markov olayı bir önceki olaya dayandığından, iki yönlü röle iletimine karşılık gelen Markov zincir durumu geçiş olasılığı matrisi, tam olasılık formülü kullanılarak elde edilebilir. Kullanıcı düğümünün verileri gönderdiği an, Markov durum parametresinin gözlem noktası, yani T1'in başlangıcı olarak seçilir. İfade kolaylığı için, T2'nin başında işaretlenen kuyruk durumları kümesi s 'dir, bu nedenle:
Formül (8) ve formül (9), formül (7) 'ye değiştirilerek, bu Markov zincirinin durum geçiş olasılık matrisi elde edilebilir ve ardından Markov zincirinin her durumuna karşılık gelen sabit durum formül (6) ile elde edilebilir. Olasılık. Bu temelde, iki yönlü röle sisteminin ortalama iş hacmi ve kuyruklama gecikmesi matematiksel olarak analiz edilebilir.
4 Sistem performans analizi
5 Simülasyon
Literatürü referans alarak, = 2000 B, veri gönderme hızı r = 11 Mb / s, P = 96 s, 1 = 10 s ve A = 11 s olsun. Şekil 3, farklı arabellek boyutları altındaki verimi göstermektedir, çizgi teorik değerdir ve daire MATLAB simülasyon değeridir. Teorik değer ile simüle edilen değerin eşit olduğu görülebilir, bu da yukarıda oluşturulan Markov analiz modelinin doğruluğunu onaylar.
Şekil 3'ten görülebileceği gibi, sinyalleme ek yükü düşünüldüğünde, bu makalede önerilen iletim stratejisi literatüre göre üstündür. Ek olarak, röle düğümündeki arabellek kaynakları artırıldığında, bu makalede önerilen iletim stratejisinin ortalama verimi önemli ölçüde geliştirilir ve performans kazancı (5.14-4.5) /4.5=14.3% 'e ulaşır. Önbelleğin başlangıcında iş hacminin keskin bir şekilde arttığı da görülebilir, ancak önbellek boyutu artmaya devam ettikçe, eğri kademeli olarak düzleşir, yani: belirli bir eşikten büyük olduğunda, önbelleğin sürekli artışının getirdiği verim kazancı kademeli olarak olabilir Önemsizdir, bu nedenle önerilen model daha makul bir önbellek boyutu belirlemek için kullanılabilir.
Şekil 4, röle düğümündeki iki yönlü röle sisteminin ortalama kuyruklama gecikmesinin, röle düğümünün tamponunun artmasıyla neredeyse doğrusal bir artış gösterdiğini göstermektedir.Şekil 2 ile kombinasyon halinde, tampon uzayındaki sınırsız bir artışın sistemi bir ölçüde iyileştirebileceği görülebilmektedir. Bununla birlikte, sistemin kuyruklama gecikmesinde doğrusal bir artışa da neden olacaktır.Bu nedenle, sistemin verimini iyileştirmek için arabellek alanını sınırsız şekilde artırmak akıllıca değildir.
6. Sonuç
Bu makale, bağlantı kaybını, sınırlı arabelleğe almayı, sinyalleme ek yükünü ve ağ kodlamasını dikkate alan planlanmamış iki yönlü bir aktarım iletimi stratejisi önermektedir.Bir Markov analiz modeli oluşturulmuş ve kapalı sistem verimi ve kuyruklama gecikmesi formu elde edilmiştir. çözüm. Simülasyon, sistemin iletim ek yükü dikkate alındığında, bu belgede önerilen iletim stratejisinin mevcut iletim stratejisinden daha iyi olduğunu göstermektedir. Teorik analiz ve simülasyon sonuçları ayrıca, arabellek alanını uygun şekilde artırarak verimin% 14,3 oranında artırılabileceğini kanıtlamaktadır.
Referanslar
LOUIE R H, Li Yonghui, VUCETIC B. İki yönlü röle kanalları için pratik fiziksel katman ağ kodlaması: performans analizi ve karşılaştırma IEEE Aktarım Kablosuz İletişim, 2010, 9 (2): 764-777.
ZHANG S, LIEW SC, LAM P P. Sıcak konu: fiziksel katman ağ kodlaması Uluslararası Mobil Bilgisayar ve Ağ Konferansı, MOBICOM 2006, Los Angeles, Ca, Usa, Eylül 2006: 358-365.
LI S Y R, YEUNG R W, CAI N. Doğrusal ağ kodlama IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2003, 49 (2): 371-381.
KATTI S, RAHUL H, HU W, ve diğerleri Havadaki XOR'lar: pratik kablosuz ağ kodlaması.IEEE / ACM İşlemleri Ağ Oluşturma, 2008, 16 (3): 497-510.
LIU H, POPOVSKI P, DE CARVALHO E, ve diğerleri Tamponlama ile iki yönlü bir röle ağında Toplama Oranı optimizasyonu. IEEE Communications Letters, 2012, 17 (1): 95-98.
CHI K, ZHU Y H, JIANG X, ve diğerleri.İki atlamalı kablosuz ağ kodlaması için pratik verim analizi Bilgisayar Ağları, 2014, 60 (5): 101-114.
JAMALI V, ZLATANOV N, SCHOBER R. Sabit oran iletimli çift yönlü arabellek destekli röle ağları - bölüm II: gecikmeyle kısıtlı durum.
GALLAGER R G. Stokastik süreçler: uygulamalar için teori Çağdaş Fizik, 2016, 57 (2): 1.
