基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法

1.本发明涉及一种数据速率调整方法。特别是涉及一种能够用于无线网络的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法。


背景技术：

2.由于低功耗广域网技术具有广泛的无线覆盖范围、自由频段的使用和低能耗，低功耗广域网技术在物联网场景中发挥着重要作用。其中，远距离无线电广域网传输距离可达数公里，数据速率高达5.5kb/s，应用场景涵盖智能城市监测、精准农业、工业传感器通信、远程环境监测、基础设施监测和智能电网等各种物联网用例。远距离无线电广域网允许传感终端以低能耗方式将信息传输到距离几公里外的网关。
3.无线网络的自适应数据速率技术是一种动态调整终端数据速率和传输功率的解决方案，旨在提高网络容量并最大化终端电池寿命。通过估算链路预算，即终端设备和网关之间每个无线链路的收益和损失总和，自适应数据速率技术能够实现动态调整终端设备的传输速率和功率。当终端设备距离网关较远时，自适应数据速率技术会提高终端设备的传输功率，以保证数据传输的可靠性和稳定性。而当终端设备距离网关较近时，自适应数据速率技术会适当降低终端设备的传输功率，以降低能耗并实现电池寿命的延长。通过自适应数据速率技术的应用，无线网络能够更好地满足物联网应用的需求，提高网络的整体性能和可靠性，同时降低物联网终端的维护成本。自适应数据速率机制在无线网络终端和网络服务器上异步运行。自适应数据速率中的大部分复杂性都分配给网络服务器，目的是使终端尽可能简单。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种适用于无线网络服务端的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法。
5.本发明所采用的技术方案是：一种基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，包括如下步骤：
6.1)计算网络服务器平台中数据包计数器瞬时数据提取率；
7.2)获取有序加权平均信噪比；
8.3)对链路余量参数进行调整；
9.4)通过链路余量信噪比获取调整步数；
10.5)设置循环开始条件，循环执行调减扩频因子和调整步数操作，当结束循环时，执行步骤6)或执行步骤7)；
11.6)循环执行调减调整步数和传输功率操作；
12.7)循环执行调增调整步数和传输功率操作。
13.步骤1)包括：
14.将网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包根
据数据包的信噪比降序排序集{a1,a2,
…
,an}，即a1≥a2≥
…
≥an，得到数据包信噪比向量a＝(a1,a2,
…
,an)，数据包计数器随着每次传输而递增，根据下式计算瞬时数据提取率der
inst
[0015][0016]
式中，lastcounter为n个数据包中最后一个接收的数据包的数据包计数器值，firstcounter为n个数据包中第一个接收的数据包的数据包计数器值。
[0017]
步骤2)包括：
[0018]
用βi表示第i个数据包的有序加权平均权值，用b表示有序加权平均权值向量，即b＝(β1,β2,
…
,βn)
t
，其中βi∈[0,1],1≤i≤n,且设der
inst
＝δ，根据下式得到第i个数据包的有序加权平均权值：
[0019]
β1＝δ
n-1
[0020][0021]
0≤δ≤1
[0022]
式中，δ＝der
inst
，n表示网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包；
[0023]
利用有序加权平均权值向量b按照下式进行有序加权平均信噪比snr
owa
计算，
[0024]
snr
owa
＝a
·
b，即
[0025]
步骤3)包括：
[0026]
当瞬时数据提取率低于参考数据提取率，且链路余量参数可以增加时，则增大链路余量参数，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；
[0027]
当瞬时数据提取率大于参考数据提取率，且链路余量参数不低于门限阈值时，则调减瞬时数据提取率，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；
[0028]
当瞬时数据提取率在设定的范围内，则链路余量参数保持不变；
[0029]
所述的链路余量参数包括margin_db参数。
[0030]
步骤4)包括：
[0031]
采用有序加权平均信噪比减去需求信噪比和链路余量参数，得到链路余量信噪比，进而通过链路余量信噪比计算得到调整步数，所述需求信噪比是按照实际性能要求设定得出；
[0032]
调整步数表示调整传输功率和扩频因子的次数。
[0033]
步骤5)所述的循环执行调减扩频因子和调整步数操作，包括：设定当调整步数大于0，并且扩频因子大于7时，循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作；在循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作中进行如下判断：
[0034]
当扩频因子等于7且调整步数大于0时，结束循环，执行步骤6；
[0035]
当扩频因子等于7且调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；
[0036]
当扩频因子等于7且调整步数等于0时，结束算法。
[0037]
步骤6)所述的循环执行调减调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数大于0，
并且传输功率大于设定的最小传输功率时，循环开始执行调整步数减1和传输功率减3操作，在循环执行调整步数减1和传输功率减3操作中进行如下判断：
[0038]
当调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；
[0039]
当调整步数等于0或传输功率小于设定的最小传输功率时，结束算法。
[0040]
步骤7)所述的循环执行调增调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数小于0并且传输功率小于设定的最大传输功率时，循环执行调整步数加1和传输功率加3操作，在循环执行调整步数加1和传输功率加3操作中进行如下判断：
[0041]
当调整步数等于0或传输功率大于设定的最大传输功率时，结束算法。
[0042]
本发明的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，考虑信道噪声条件来选择链路余量参数，并采用有序加权平均作为一种能够考虑信道条件的传输参数配置决策方法，并对决策关键参数进行合理控制。本发明使用动态链路余量与信噪比有序加权平均来配置参数，从而在所有信道条件下都具有良好的性能，可以动态配置终端的扩频因子和传输功率，以适应不同的信道条件。
[0043]
仿真结果表明本发明的方法具有优异性能，在中、高噪声信道中的性能优于其他算法，且在高噪声信道中，以少量的额外能耗获得了包交付比的较大提高。在远距离郊区场景中，本发明同样表现出优异的性能。本发明对信道状态的变化敏感，使用瞬时数据提取率表征当前环境，并且比其他算法更快收敛。
[0044]
本发明的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，为无线终端密集部署提供支撑，解决原有自适应数据速率技术存在的问题，同时也为无线网络提供了更有效和高效的解决方案，尤其是在链路条件不断因其他设备的干扰而发生变化的密集人口区域。它有潜力显著提高依赖无线网络的低功耗物联网应用的性能，同时减少能耗并延长设备的电池寿命。
附图说明
[0045]
图1是现有的终端侧的自适应数据速率实现流程图；
[0046]
图2是现有的网络服务端侧的自适应数据速率实现流程图；
[0047]
图3是本发明基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法的流程图。
具体实施方式
[0048]
下面结合实施例和附图对本发明的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法做出详细说明，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造。
[0049]
如图3所示，本发明的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，包括如下步骤：
[0050]
1)计算网络服务器平台中数据包计数器瞬时数据提取率；包括：
[0051]
将网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包根据数据包的信噪比降序排序集{a1,a2,
…
,an}，即a1≥a2≥
…
≥an，得到数据包信噪比向量a＝(a1,a2,
…
,an)，数据包计数器随着每次传输而递增，根据下式计算瞬时数据提取率
der
inst
[0052][0053]
式中，lastcounter为n个数据包中最后一个接收的数据包的数据包计数器值，firstcounter为n个数据包中第一个接收的数据包的数据包计数器值。
[0054]
在本发明的实施例中，n取20。在动态自适应数据速率算法中，根据网络条件动态配置δ。为此，使用瞬时数据提取率der
inst
作为通道条件的指示器。der
inst
越低表示接收到的数据包越少，信道噪声越高，可以用平台为每个终端记录的20单元数组中第一个和最后一个包的计数器firstcounter和lastcounter来计算。以从某终端节点接收到的最近20个包的firstcounter和lastcounter值分别为20和60为例，表示该终端节点已经发送了40个包，其中20个包已经丢失，der
inst
则为50％。
[0055]
2)获取有序加权平均信噪比；包括：
[0056]
用βi表示第i个数据包的有序加权平均权值，用b表示有序加权平均权值向量，即b＝(β1,β2,
…
,βn)
t
，其中βi∈[0,1],1≤i≤n,且设der
inst
＝δ，根据下式得到第i个数据包的有序加权平均权值：
[0057]
β1＝δ
n-1
[0058][0059]
0≤δ≤1
[0060]
式中，δ＝der
inst
，n表示网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包；
[0061]
利用有序加权平均权值向量b按照下式进行有序加权平均信噪比snr
owa
计算，
[0062]
snr
owa
＝a
·
b，即
[0063]
为了动态配置δ，将其设置为δ＝der
inst
，具体来说，如果δ值很低，有序加权平均算子将更接近最后20个包的信噪比的最小函数。另一方面，较高的δ值，导致有序加权平均算子趋向于最后20个包中信噪比的最大函数。
[0064]
设将平台中包含[packetcounter，snr]的终端的最后20个包的列表表示为packetlist，其中packetcounter是数据包的计数器，随着每次传输而递增，snr表示信噪比。算法计算der
inst
并赋给δ，这表明终端为成功交付20个数据包而进行的传输数。平台并根据报文的信噪比降序排序packetlist。然后，根据公式得到有序加权平均权值，并利用它进行snr
owa
计算。
[0065]
3)对链路余量参数进行调整；包括：
[0066]
当瞬时数据提取率低于参考数据提取率，且链路余量参数可以增加时，则增大链路余量参数，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；
[0067]
当瞬时数据提取率大于参考数据提取率，且链路余量参数不低于门限阈值时，则调减瞬时数据提取率，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；
[0068]
当瞬时数据提取率在设定的范围内，则链路余量参数保持不变；
[0069]
所述的链路余量参数包括margin_db参数。
[0070]
在本发明的实施例中，将参考数据提取率der
ref
设置为0.95，
[0071]
当瞬时数据提取率der
inst
低于参考数据提取率der
ref
时：若链路余量参数margin_db小于30时，则将链路余量参数margin_db加5，若链路余量参数margin_db大于等于30时，保持链路余量参数margin_db不变；
[0072]
当瞬时数据提取率der
inst
大于参考数据提取率der
ref
时：若链路余量参数margin_db大于5时，则将链路余量参数margin_db减2.5，若链路余量参数margin_db小于等于5时，保持链路余量参数margin_db不变；
[0073]
当瞬时数据提取率der
inst
等于参考数据提取率der
ref
时：链路余量参数margin_db不变。
[0074]
4)通过链路余量信噪比获取调整步数；包括：
[0075]
采用有序加权平均信噪比减去需求信噪比和链路余量参数，得到链路余量信噪比，进而通过链路余量信噪比计算得到调整步数，所述需求信噪比是按照实际性能要求设定得出；
[0076]
具体是需求信噪比snr
req
可按照数据包使用的扩频因子通过表一得到：
[0077]
表1不同的扩频因子下需求信噪比值
[0078][0079]
将链路余量信噪比snr
margin
除以3并向下取整得到调整步数nstep，调整步数表示调整传输功率和扩频因子的次数，当调整步数为0时，意味着无线终端已经在使用最佳传输参数。
[0080]
5)设置循环开始条件，循环执行调减扩频因子和调整步数操作，当结束循环时，执行步骤6)或执行步骤7)；
[0081]
所述的循环执行调减扩频因子和调整步数操作，包括：设定当调整步数大于0，并且扩频因子大于7时，循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作；在循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作中进行如下判断：
[0082]
当扩频因子等于7且调整步数大于0时，结束循环，执行步骤6；
[0083]
当扩频因子等于7且调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；
[0084]
当扩频因子等于7且调整步数等于0时，结束算法。
[0085]
6)循环执行调减步数和传输功率操作，包括：当调整步数大于0，并且传输功率大于设定的最小传输功率时，循环开始执行调整步数减1和传输功率减3操作，在循环执行调整步数减1和传输功率减3操作中进行如下判断：
[0086]
当调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；
[0087]
当调整步数等于0或传输功率小于设定的最小传输功率时，结束算法。
[0088]
7)循环执行调增调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数小于0并且传输功率小于设定的最大传输功率时，循环执行调整步数加1和传输功率加3操作，在循环执行调整步数加1和传输功率加3操作中进行如下判断：
[0089]
当调整步数等于0或传输功率大于设定的最大传输功率时，结束算法。
[0090]
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，包括如下步骤：1)计算网络服务器平台中数据包计数器瞬时数据提取率；2)获取有序加权平均信噪比；3)对链路余量参数进行调整；4)通过链路余量信噪比获取调整步数；5)设置循环开始条件，循环执行调减扩频因子和调整步数操作，当结束循环时，执行步骤6)或执行步骤7)；6)循环执行调减调整步数和传输功率操作；7)循环执行调增调整步数和传输功率操作。2.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤1)包括：将无线网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包根据数据包的信噪比降序排序集{a1,a2,
…
,a
n
}，即a1≥a2≥
…
≥a
n
，得到数据包信噪比向量a＝(a1,a2,
…
,a
n
)，数据包计数器随着每次传输而递增，根据下式计算瞬时数据提取率der
inst
式中，lastcounter为n个数据包中最后一个接收的数据包的数据包计数器值，firstcounter为n个数据包中第一个接收的数据包的数据包计数器值。3.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤2)包括：用β
i
表示第i个数据包的有序加权平均权值，用b表示有序加权平均权值向量，即b＝(β1,β2,
…
,β
n
)
t
，其中β
i
∈[0,1],1≤i≤n,且设der
inst
＝δ，根据下式得到第i个数据包的有序加权平均权值：β1＝δ
n-1
0≤δ≤1式中，δ＝der
inst
，n表示网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包；利用有序加权平均权值向量b按照下式进行有序加权平均信噪比snr
owa
计算，snr
owa
＝a
·
b，即4.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤3)包括：当瞬时数据提取率低于参考数据提取率，且链路余量参数可以增加时，则增大链路余量参数，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；当瞬时数据提取率大于参考数据提取率，且链路余量参数不低于门限阈值时，则调减
瞬时数据提取率，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；当瞬时数据提取率在设定的范围内，则链路余量参数保持不变；所述的链路余量参数包括margin_db参数。5.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤4)包括：采用有序加权平均信噪比减去需求信噪比和链路余量参数，得到链路余量信噪比，进而通过链路余量信噪比计算得到调整步数，所述需求信噪比是按照实际性能要求设定得出；调整步数表示调整传输功率和扩频因子的次数。6.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤5)所述的循环执行调减扩频因子和调整步数操作，包括：设定当调整步数大于0，并且扩频因子大于7时，循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作；在循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作中进行如下判断：当扩频因子等于7且调整步数大于0时，结束循环，执行步骤6；当扩频因子等于7且调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；当扩频因子等于7且调整步数等于0时，结束算法。7.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤6)所述的循环执行调减调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数大于0，并且传输功率大于设定的最小传输功率时，循环开始执行调整步数减1和传输功率减3操作，在循环执行调整步数减1和传输功率减3操作中进行如下判断：当调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；当调整步数等于0或传输功率小于设定的最小传输功率时，结束算法。8.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤7)所述的循环执行调增调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数小于0并且传输功率小于设定的最大传输功率时，循环执行调整步数加1和传输功率加3操作，在循环执行调整步数加1和传输功率加3操作中进行如下判断：当调整步数等于0或传输功率大于设定的最大传输功率时，结束算法。

技术总结
一种基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法：计算网络服务器平台中数据包计数器瞬时数据提取率；获取有序加权平均信噪比；对链路余量参数进行调整；通过链路余量信噪比获取调整步数；设置循环开始条件，循环执行调减扩频因子和调整步数操作，当结束循环时，执行循环执行调减调整步数和传输功率操作，或执行循环执行调增调整步数和传输功率操作。本发明为无线终端密集部署提供支撑，解决原有自适应数据速率技术存在的问题，同时也为无线网络提供了更有效和高效的解决方案，尤其是在链路条件不断因其他设备的干扰而发生变化的密集人口区域。它有潜力显著提高依赖无线网络的低功耗物联网应用的性能，同时减少能耗并延长设备的电池寿命。并延长设备的电池寿命。并延长设备的电池寿命。


技术研发人员：章辉 杨茂恒 宋雨昕 李美锟 贾奇铭 王晶晶 吴虹
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/9