设计一个算法的方法论
设计一个算法的方法论
引言
多年来本人在研发团队里担任算法设计工程师，设计过的算法包括：电能计量、复杂控制、无线通信和系统架构等。蓦然回首，顿悟算法设计有很多共性，抽取出来大致为6个步骤，结合近段时间设计的一个算法撰写了这个方法论。主要用于总结经验，提高自身的生产力；如果不小心启发了他人，也算是对业界的一点小贡献。
<一>：设计需求（Who 该算法用来解决什么问题）
例：在一个无线通信系统中，节点定时上报数据给网关（如下图红色时隙），同时也支持网关唤醒节点（如下图绿色时隙），为此需要设计“唤醒算法”。要求：
1. WakeTime被网络内所有节点和网关共享；
2. WakeTime必须避开主动上报，否则将“冲突出错”且“耗能增大”;
3. 它比较适合于“第N个WakeUp”计算“第（N+1）个WakeTime”;
4. 它必须尽可能得简单；
<二>：列影响量（Why 影响该算法的因素有哪些）
在该算法中存在如下参数：
1. reserved slot：保留时隙，即在此段时隙中没有节点主动上报；
2. slot idle：空闲时隙，即相邻两个节点之间隔离的时间；
3. wake exchange：唤醒通信时间，即网关唤醒节点并与其进行交互通信时长；
前面2个参数的解释如下图所示：
<三>：应用场景（What组合各种影响量的场景有哪些）
上面3个参数组合成如下4种应用场景：
<四>：抽象方法（How 建立一个算法模型解决上述场景中问题）
令x=第x次wake，f(x)=第x次wake time，则有：
f(x)=N*wakeperiod+nofly+(x-1)*wakeinterval (1)
safeguard=(wakeperiod-nofly)%wakeinterval (2)
已知：当前RTC值，求隔离最近的wake time值如下：
第一步：if(RTC / wakeperiod != (RTC + safeguard) / wakeperiod)
RTC += safeguard;
第二步：计算N值：N = RTC / wakeperiod;
第三步：计算x的值：
x = (RTC + wake interval –N * wake period –nofly) / wakeinterval;
if (x < 0) x= 0;
x += 1;
第四步：将N和x代入公式(1)计算出f(x)值。
第五步：检查wake time是否与UPLINK相冲突：
wake end = wake time + wake exchange –1;
if (wake time / wake period != wake end/ wake period)
wake time = wake end / wake period* wake period + nofly;
<五>：理论验证（Check代入数据验证算法模型的正确性）
实例一：
实例条件：
| wake period |
nofly |
wake interval |
wake exchange |
safeguard |
| 65 |
40 |
10 |
5 |
5 |
计算数据如下表：
| RTC |
+safeguard |
N |
x |
f(x) |
wake end |
wake time |
| 0~39 |
/ |
0 |
1 |
40 |
44 |
40 |
| 40~49 |
/ |
0 |
2 |
50 |
54 |
50 |
| 50~59 |
/ |
0 |
3 |
60 |
64 |
60 |
| 60~64 |
65~69 |
1 |
1 |
105 |
109 |
105 |
| 65~104 |
/ |
1 |
1 |
105 |
109 |
105 |
实例二：
实例条件：
| wake period |
nofly |
wake interval |
wake exchange |
safeguard |
| 63 |
40 |
10 |
5 |
3 |
计算数据如下表：
| RTC |
+safeguard |
N |
x |
f(x) |
wake end |
wake time |
| 0~39 |
/ |
0 |
1 |
40 |
44 |
40 |
| 40~49 |
/ |
0 |
2 |
50 |
54 |
50 |
| 50~59 |
/ |
0 |
3 |
60 |
64 |
103 |
| 60~62 |
63~65 |
1 |
1 |
103 |
107 |
103 |
| 63~102 |
/ |
1 |
1 |
103 |
107 |
103 |
<六>：实验测试（Test编码/代入数据/白盒/黑盒测试）
一般来说需要编码实现该算法，覆盖应用场景组织测试数据，让系统自动遍历测试数据，检验算法的正确性。白盒测试有助于：跟踪系统的运行，遍历程序分支，还可以优化软件；黑盒测试有助于：快速查看结果，检查算法输出是否正确。往往实验会找出算法缺陷，此时根据反馈需要重新设计或修正。
本实例算法代码清单如下：
static int32_t CalcWakeTime(int32_t lRTC)
{
int32_t lRTCVal, lXInterval,lMulDiv, lWakeTime, lWakeEnd;
lRTCVal = lRTC;
/* Check whether need to add safeguard. */
if ( lRTCVal / s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod !=
(lRTCVal +s_stWakeParam.nSafeGuard) / s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod )
{
lRTCVal += s_stWakeParam.nSafeGuard;
}
/* Calculate value of "N" */
ASSERT(0 < s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod);
lMulDiv =lRTCVal / s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod;
/* Calculate value of "x" */
lXInterval = (lRTCVal + s_stWakeParam.lWakeInterval) - lMulDiv *s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod -
s_stWakeParam.lNoFly;
lXInterval /= s_stWakeParam.lWakeInterval;
if (lXInterval < 0)
{
lXInterval = 0;
}
++lXInterval;
/* wake time = N * wake period + nofly + (x - 1) * wake interval. */
lWakeTime = lMulDiv * s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod +s_stWakeParam.lNoFly + (lXInterval - 1) *
s_stWakeParam.lWakeInterval;
ASSERT(lRTC< lWakeTime);
/* Check collision between WAKE and UPLINK. */
lWakeEnd = lWakeTime + s_stSlotWakeTime.nWakeExchange - 1;
if (lWakeTime / s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod != lWakeEnd /s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod)
{
lWakeTime = lWakeEnd / s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod *s_stSlotWakeTime.lUplinkPeriod +
s_stWakeParam.lNoFly;
}
returnlWakeTime;
}