边缘检测性能下的数据包到达Downclocking为移动计算

文摘

移动边缘计算(MEC)使电池供电的移动节点获取信息技术服务在网络边缘。这些节点在节电渴望享受他们的服务。采样率不变的检测(SRID)是第一个downclocking WiFi技术可以实现这一目标。SRID,一个节点检测到一个数据包到达downclocked率。检测成功后,节点恢复full-clocked速度立即接收数据包。立即获得它的服务,确保节点检测性能(即miss-detection概率和虚警概率)SRID的重要性。本文是第一个从理论上研究的重要影响SRID属性(例如,容忍阈值,相关阈值,和能源比率阈值)的数据包检测性能。广泛的蒙特卡洛实验表明,我们的理论模型是非常准确的。这项研究可以帮助系统开发人员为WiFi downclocking设定合理的系统参数。

1。介绍

移动边缘计算(MEC) [1旨在提供计算资源和信息技术服务在网络边缘。MEC,各种电池供电的移动节点(如智能手机)将通过MEC应用服务器访问这些资源和服务如LTE基站和无线接入点(AP)。这些电池驱动节点渴望享受他们的服务在节电。

在本文中,我们假定一个电池驱动的节点数量访问AP(作为一个MEC应用服务器)通过WiFi网络。这些设备采用一种新颖的算法称为采样率不变的检测(SRID) [2为节能)。SRID是第一个downclocking机制(采用无线网络)。SRID,一个节点检测到一个数据包到达downclocked率。检测成功后,节点恢复full-clocked速度立即接收数据包。对于每个检测,有两种类型的典型错误:miss-detection(即。美联社发送一个数据包,但节点不检测)和虚警(即。美联社发送节点检测到一个数据包错误)。立即获得它的服务,确保节点检测性能(即miss-detection概率和虚警概率)SRID的重要性。本文涉及的检测性能。我们的贡献总结如下:(我)我们所知,本文是第一个从理论上分析WiFi downclocking的检测性能。我们的理论模型特征的重要影响SRID属性(例如,容忍阈值,相关阈值,和能源比率阈值)的数据包检测性能(即。miss-detection概率和虚警概率)。(2)我们广泛的蒙特卡洛实验来验证我们的理论模型是非常准确的。我们表明,downclocked率减少,虚警概率显著增加,这将导致严重不良影响包检测。

这项研究可以帮助系统开发人员为WiFi downclocking设定合理的系统参数。

到目前为止,downclocking[备受关注2- - - - - -13]。最相关的工作,2)是第一篇论文,downclocking低功耗无线网络和提出了SRID算法,这被认为是最经典的修正案的节电802.11协议(12,13]。在无线网络中,能源消耗的主要来源是空闲监听操作(7,8),一个节点需要经常检测不可预知的数据包到达或评估与高功率clear channel。因此,SRID降低了功耗,允许一个WiFi节点downclock空闲监听模式的采样率。SASD [3]提出了进一步降低功耗SRID通过允许nondestination节点空闲听进入假寐状态。当mac (4)提出了避免争用和延迟降低异步调度相邻节点的唤醒时间通过downclocking无线传感器网络的机制。SloMo [5)提出了允许无线节点操作他们的收音机在较低的时钟频率接收和传输比特率较低。Sampleless [6)允许能源贫瘠的设备,降低了采样率无论信道条件。上面的工作主要集中在硬件实现downclocking机制或通过仿真评估它的性能。相比之下,本文是第一个模型理论上downclocking数据包检测性能的影响。

本文的其余部分组织如下。部分2概述SRID。部分3从理论上分析了检测性能SRID。部分4介绍了蒙特卡罗结果揭示了SRID属性的检测性能的影响至关重要。部分5本文总结道。

2。概述SRID

在downclocking机制中,一个基本问题是如何检测不可预知的数据包抵达downclocked率,这样的节点可以回到full-clocked模式接收到达的数据包。

采用downclocking机制设计的SRID WiFi网络。的帮助下1,我们指定SRID是如何工作的。假设一个WiFi网络组成一个接入点(AP)和大量的节点。美联社总是在主动模式,默认downclocked模式中的每个节点。当美联社数据包传输节点,美联社和节点的操作如下。(我)美联社首先发送一个额外的序言序言,然后一个伪比特序列,最后传统802.11包。在这里,序言是用来通知节点预计到达的数据包。伪比特用于提供一个保护区间,允许节点恢复full-clocked模式从downclocked模式。(2)节点持续检测它通过自相关,然后返回到序言full-clocked模式在一个成功的检测。

在接下来的两个部分中,我们详细的施工和检测序言。

2.1。建设序言

在SRID,序言由 复制版本的一个复杂的黄金序列(CGS),每个CGS序列的长度 。图1(一)展示了一个示例序言, 。这样的总长度序言可以表示为 在哪里研究生院理事会代表的最小长度(用于序言)。整数SRID代表节点的地址,由美联社分配。的最低downclocking因素是无线电硬件。例如,假设full-clocked频率是20 MHz。那么最低downclocked频率MHz。

2.2。检测序言

在SRID节点不断进行自相关检测的序言。假设一个节点运行downclocking因子 。

让表示节点在采样点的采样值 。

让表示节点在采样点的自相关结果 。检测其序言,在每个采样点 ,节点地址执行最新的之间的自相关样品和以前的样品(抵消)。因此,可以通过计算 在哪里 是自相关窗口的大小(采样点)和 是采样点的数量的CGS downclocking因子是什么时候吗 。请注意,和如图2。

让表示采样点的能量水平 ,可以计算吗

我们说一个序言成功发现如果成功地探测点的总数, ,大于 ;也就是说, 在哪里宽容阈值和吗 采样点的总数(从第二CGS吗研究生院理事会th),如图2。

我们说一个取样点检测成功,如果满足以下两个条件。

条件1。在采样点 ,相关的结果归一化的之间的是和 ;也就是说, 在哪里 是一个预定义的阈值。

条件2。在采样点 ,的能量比率(dB)和 超过一个阈值 ;也就是说, 在哪里 代表一个移动平均线的能量水平,窗口大小等于 。引入条件的原因2是减少的概率条件1满意,但没有前言是传播。

3所示。检测性能分析

在本节中,关注下行流量从美联社节点,我们理论上分析关键SRID属性(即耐受阈值的影响 ,相关阈值 ,和能量比阈值)检测性能。

由于downclocked率和噪声,每个SRID检测结果与四个互斥minievents: (a)成功检测:美联社发出序言和节点检测成功,(b) miss-detection:美联社发出序言但节点不检测,(c)虚警:美联社不发送一个序言但节点检测到错误,(d)零:美联社不发送一个序言和节点检测到。研究检测性能,我们只需要计算出成功的探测概率成功=概率(检测)和虚警概率=概率(虚警),因为概率(miss-detection) = 1−概率(成功检测)和概率(Null) = 1−概率(错误报警)。

我们注意到,每个检测结果取决于美联社发出一个决定序言。下面,我们介绍两个相互竞争的假设: 在哪里被称为零假设(即。不发,美联社序言)和一个节点备择假设(即。据美联社发出,序言节点)。在假设下 ,在采样点 ,节点接收到噪音,因此它的样本值 ,在那里是高斯白噪声。在假设下 ,在采样点 ,节点接收到序言信号和噪声,因此它的采样值 ,在那里代表了采样值序言和代表了信道系数。

3.1。的表达

我们现在表达 。根据(4),我们有 抽样过程是一个伯努利方程的过程,如果条件采样点是成功标志1和2(中指定的部分2。2)感到满意。因此,成功地检测出点的数量试用 ,遵循一个二项分布。因此表达的是 在哪里条件的概率是1在满足下和条件的概率是2在满足下 。

的表达 。根据(5),可以写成

在(10),代表决定的概率当是真的。让在采样点表示归一化相关的结果下 。然后可以表示为 。因此表达的是

请注意,是复杂的,因为它是一个函数的随机变量(例如, 和 。节3.3,我们计算通过蒙特卡罗方法(14]。

的表达 。根据(6),可以写成

下 , 和 表达如下。 请注意, ,因为美联社传送序言(由采样点)为每一个数据包,从而节点只接收前的噪声序言。类似于 ,我们可以计算通过蒙特卡罗方法。

3.2。的表达

我们现在表达 。类似于 , 可以表示如下: 在哪里 条件的概率是1在满足下和 条件的概率是2在满足下 。

3.3。计算和通过蒙特卡罗方法

在前两个部分中,我们给出的表达和 。然而,他们包括随机变量,因此很难解决。下面我们采用蒙特卡罗方法(14)来计算。算法1列出了计算过程的 ,这是由(9)。同样,我们可以计算 。

在算法1,我们输入SRID参数和输出的值 。在该算法中,我们运行蒙特卡罗试验100000次。我们现在每个实验细节。(我)行来 ,我们生成一个的序言样本点,模拟了美联社序言传播。(2)排队 ,我们调用Matlab函数, ,模拟加性高斯白噪声(AWGN)信道的节点的接收信号是美联社的结果序言穿过AWGN信道的信号。(3)排队 ,我们获得downclocked抽样序列downclocking因素下 。(iv)排队 ,我们计算自相关结果和能量水平 。(v)行来 ,我们计算在这个实验中。(vi)行来 ,我们计算在这个实验中。

最后,100000年我们完成运行后,我们首先计算的平均值 , ,和的平均值 , ,然后计算 ,如线(14)所示。

4所示。模型验证

在本节中,我们目前的蒙特卡罗结果说明关键的SRID属性和信噪比的检测性能的影响(即成功的探测概率和虚警概率)。(设定的默认参数设置2),如表所示1。在数据3和4,每个蒙特卡罗结果是平均超过100000分。此外,我们使用“SRID ( )”表示SRID downclocking因子的检测 。在所有数据中,标签“安娜”和“sim卡”,分别表示理论和仿真结果。

数据3(一个)和3 (b)分别绘制和随着信噪比的变化,当 。从图3,我们有以下的观察。(我)鉴于 ,增加和降低逐渐随着信噪比的增加。(2)给定的信噪比, 减少,略有下降而显著增加。例如,对于信噪比= 5 dB,当 减少从 来 ,大幅增加从0.0098到0.0301,从0.9997下降到0.9754。这将导致严重不良影响包检测。(3)检测性能几乎是完美的(例如, 和 )当信噪比= 10 dB,容易实现在真实环境中(15]。

数据4(一)和4 (b)分别绘制和作为不同,当 。从图4,我们有以下的观察。(我)鉴于 ,因为的增加,总是会降低,但首先减少到0,然后保持不变。原因如下:增加会降低成功的探测概率(9)以及虚警概率(14)。(2)给 ,作为 减少,显著降低,而逐渐减少。

最后,从这些数据,理论和仿真曲线之间的接近的比赛表现,我们的性能模型是非常准确的。

5。结论

在移动边计算,各种电池供电的移动节点渴望获得信息技术服务在网络边缘节电。WiFi downclocking是这样一个很有前途的技术。在本文中,我们研究一种新型无线downclocking技术SRID和首次从理论上研究影响SRID属性(即耐受阈值、相关性阈值,和能源比率阈值)的检测性能上包的到来。本研究有助于设计更好的WiFi downclocking协议。

信息披露

赵是通讯作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由澳门FDCT-MOST格兰特001/2015 / AMJ,澳门FDCT赠款056/2017 / 005/2016 / A1, A2和国家科学基金会的中国(61672500),国际科技合作计划(2016 yfe0121500)。

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