[发明专利]一种用于车载自组网通信的前向纠错FEC参数分析方法

权利要求书

1.一种用于车载自组网通信的前向纠错FEC参数分析方法，其特征在于，包括如下内容：首先对RED-FEC机制进行数学建模，推导平均队列Q_ave及瞬时队列q的微分方程，通过拉普拉斯变换，将数学模型转化为控制系统，建立被控对象、RED控制器模型，建立RED-FEC机制的控制系统及其框图，通过仿真，验证建模的结论，分析不同负载条件下RED-FEC系统的稳定性；

RED-FEC算法具体如下：

初始时刻：Q_ave＝0；

当一个数据块到达路由器的缓冲区时，

计算Q_ave(i+1)＝w*q(i+1)+(1-w)*Q_ave(i) (1)

如果Q_ave(i+1)th_min，有h＝max_FEC

如果th_minQ_ave(i+1)th_max，有h＝max_FEC*(th_max-Q_ave(i+1))/(th_max-th_min)

(2)

如果Q_ave(i+1)th_max，有h＝0；

上述过程中，Q_ave为平均队列长度，其初始值为0，此后每当有数据块到达路由器，则根据公式(1)计算获得Q_ave，q(i+1)代表当前瞬时队列长度，w代表瞬时队列所占权重值，为常数，max_FEC代表最大的FEC冗余设置值，为常数，th_min与th_max分别为最小门限值与最大门限值，也为常数，i＝0,1,2…；

RED-FEC数学建模具体包括以下步骤：

1-1)瞬时队列特性：考虑离散时刻的瓶颈队列分组到达数{A(x),x＝0,1,2,...},a(x)为离散间隔内分组到达数，则a(x)＝A(x)-A(x-1)，路由节点的链路容量为C，其单位为分组数/s，其离散间隔内的转发分组数为forward，记包含k+h个分组的某数据块从源端发出到收到FEC反馈确认的时间为RTT，q(x)为离散时刻的瞬时队列长度；

由Lindley方程，队列长度的变化等于进队分组数与出队分组数之差值，有

q(x+1)＝max(q(x)+a(x+1)-forward,0) (3)

将上式转化为连续时间上的函数，有

q(t+Δt)＝max(q(t)+a(t+Δt)-C*Δt,0)

考虑a(t+Δt)≈[(x+h)/RTT]*Δt，则路由器节点队列的微分形式为：

1-2)平均队列长度特性：

根据RED-FEC算法中公式(1)对平均队列长度的定义，每当有新的数据块到达，有Q_ave(x+1)＝w*q(x+1)+(1-w)*Q_ave(x)

将上式转化为连续时间上的函数，有

Q_ave(t+RTT)＝w*q(t+RTT)+(1-w)*Q_ave(t)

上式可写为

Q_ave(t+RTT)-Q_ave(t)＝w*q(t+RTT)-w*Q _ave(t)

则有

1-3)数据块被源端确认时间：

记数据块传输的固定延迟为D，有

RTT＝D+q(t)/C (6)

1-4)冗余速率：

根据RED-FEC算法中公式(2)对冗余速率的定义，

h＝max_FEC*(th_max-Q_ave(t))/(th_max-th_min) (7)

其中，max_FEC为最大的FEC冗余设置值，th_min与th_max分别为最小门限值与最大门限值；

根据步骤1-1)至步骤1-4)的推导，四个未知变量q、Q_ave、RTT及h，分别对应四个方程，即公式(4)至(7)；利用龙格-库塔法，可以解出四个未知量的数值解；

控制系统建立具体包括以下内容：

联立公式(4)和(5)，简记RTT为R，RED-FEC随机微分数学模型如下：

在稳定工作点附近，对式(8)、(9)利用小信号线性化处理，假设源分组数k和链路容量C是常数，取(q,Q_ave)为状态，可求得工作点

dq/dt＝0＝k+h₀＝C*R₀

dQ_ave/dt＝0＝q₀＝Q_ave0

由公式(6)＝R₀＝D+q₀/C

记q_R＝q(t-R₀)，对式(8)、(9)的函数形式，在工作点分别求f和g的偏微

则有如下表达式

上式中，δq＝q-q₀，δh＝h-h₀，δQ_ave＝Q_ave-Q_ave0

将工作点求得的f和g的偏微代入公式(10),可得下式

忽略时间延迟t-R对队列长度q的相关性，并假设它的值固定为t-R₀；另一方面，保留动态参数中时间R对队列长度的相关性，由此可得简化的动态方程，再对式(11)进行拉普拉斯变换，得

整理公式(12)，可得

令

再对公式(7)，进行拉普拉斯变换，得

根据公式(13)、(14)与(15)，构造控制系统方框图。

2.根据权利要求1所述的车载自组网通信的前向纠错FEC参数分析方法，其特征在于，实验仿真具体内容为：RED-FEC设置的参数：max_FEC＝4，th_max＝40，th_min＝10，w＝0.9，C＝1375packet/s，考虑车载自组网在有限面积的区域内通信，忽略固定时延D，R＝(th_max+th_min)/2/C＝0.018s，利用Matlab仿真，分别令N＝1和100，得到对应的路由器队列长度曲线。