CN101465712A - 一种数据帧最大负载自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线数字通信、信息编码等领域，具体是指一种基于信道质量的数据帧最大负载自适应调整方法。该方法使用当前信道质量和期望信道质量进行的比较，再根据当前数据帧负载长度，计算下一数据帧的帧负载长度，通过对数据帧帧负载长度的自适应调整，从而提高数据帧传送的正确率。本发明的优点是：数据帧负载的大小不固定，依据信道质量自动调整；本发明适用于信道通信质量频繁发生变化的场合，尽可能在数据帧传送质量和传送效率之间自适应调整，以达到最佳工作状态。利用本发明公开的方法能够明显提高在通信信道质量不稳定的情况下的数据传送正确率。

Description

一种数据帧最大负载自适应调整方法

技术领域

本发明涉及无线数字通信、信息编码等领域，尤其是适用于利用位误码(BER)不稳定无线信道进行数字通信的场合。

背景技术

理想地，无线数字通信是由发信机发送数据和接收机接收数据两个过程组成：发信机首先将原始数据分割成多个原始数据块，生成相应的数据帧(Frame)，并利用无线信道发送给接收机；接收机利用无线信道接收数据帧，并将数据帧合并后还成原始数据，从而完成一个完整的数字通信过程。数据帧是数字通信过程中的最小信息单位，它通常是由前导码(Preamble)、帧起始分隔符(Start-of-Frame delimiter)、帧长度、帧负载(Payload)及校验码等组成。其中，帧负载所填充的内容是原始帧负载分割块。

然而，在实际的无线通信中由于受到各种因素如天气、障碍物及电磁场环境等的干扰和影响，在信息传输过程中会产生错误，为提高数据传送的可靠性，人们可采用提高通信信道质量的方法如提高发射功率、接收灵敏度、天线增益等，然而这些方法都是涉及硬件设备的调整，不仅工程实施困难，而且带来较高的实施费用；另一种提高数据传送的可靠性方法是引入信息重发机制，即，接收机利用接收到的校验信息，判定所接收的帧负载是否正确，如果帧负载有误，则可请求发信机重发该数据帧。但是当信道质量较差时，数据帧传送的正确率较低，则导致接收机频繁的要求发信机对数据帧重发，此时信道通信效率低下。

当信道质量较差时，为减少数据帧重发次数，可采用两种方法：一种是带自纠错功能的校验方法，该方法利用接收机接收到的校验信息，判断帧负载是否正确，如果帧负载有误，且无法利用校验信息纠错，接收机才会请求发信机重发；如果帧负载有误，但可以利用校验信息纠错，则无须重发。另一种能有效减少重发次数的方法为减少有效帧载荷，即减少帧负载的长度。帧负载较大时，每个数据帧包含的信息量较多，数据帧传送效率相对较高。但是此时帧负载在传送过程中发生错误的概率较大，接收机请求发信机重发数据帧的次数较多。反之，帧负载较小时，每个数据帧包含的信息量较少，数据帧传送效率相对减少。但是，此时帧负载由于信息量少，传送过程中发生错误的概率降低，接收机请求发信机重发数据帧的次数减少。

一般地，无线通信系统在进行设计时，根据系统可能的运行环境、信道质量等因素，综合考虑信道通信的可靠性和通信效率等因素，确定每个数据帧中帧负载的大小。通常选择2的n次方个字节作为帧负载的大小。如：32字节、64字节等。一旦确定，系统不再变动，除非对原有系统进行改造。

每个数据帧的帧负载大小确定的传送方式，在算法上相对简单，通常也能得到较好的效果。但是具体通信中，由于受到各种因素如天气、障碍物及电磁场环境等的干扰和影响，通信质量常会有非常明显的波动，时好时坏，从而影响到数据传送的准确性。如果信道质量较差，则数据帧在被发信机发送到接收机的过程中，产生传送错误的概率增加。此时若帧负载较大，每个数据帧需要传送较多的字节，数据帧在传送中发生错误的概率增加。接收机要求发信机重发数据帧的可能性亦增加，接收机频繁要求发信机重发数据帧，导致数据传送质量降低。若此时能降低帧负载，减小有效帧载荷，使每个数据帧包含的信息量相对减少，则数据帧在传送过程中，产生传送错误的概率降低，接收机要求发信机重发数据帧的概率降低。如果信道质量较好，数据帧在被发信机传送到接收机的过程中，产生传送错误的概率较小。若此时帧负载较小，可得到非常好的数据帧传送效果。但是，由于帧负载较小，数据帧的有效帧载荷较小，则无线通信信道的利用率降低。此时，若能在不影响数据帧传送质量的前提下，适当增加帧负载，提高有效帧载荷，使每个数据帧包含较多的信息量，提高无线通信的效率。

数据帧中的帧负载大小，对无线通信的质量和效率，影响较大。根据以上分析，若能随信道质量的优劣，自适应改变帧负载的大小：信道质量较好时，增加数据帧中帧负载的大小，使其包含更多的字节，提高无线通信的效率；信道质量较差时，减少数据帧中帧负载的大小，使每个数据帧负载包含较少的字节，有利于数据帧传送的成功，提高数据传送质量，降低误包率。其中，误包率定义为产生传送错误的数据帧个数比所有已传送的数据帧个数，能达到更好的通信效果。

本发明基于这种思想，对传统的无线数字通信中的数据帧的帧负载大小确定方法进行改进，提出了一种基于信道质量自适应的最大帧负载调整方法。本发明区别于普通的帧负载确定方法，主要特点有：1)数据帧负载的大小不固定，依据信道质量自动调整；2)本发明适用于信道通信质量频繁发生变化的场合，尽可能在数据帧传送质量和传送效率之间自适应调整，以达到最佳工作状态。

发明内容

本发明针对无线数字通信中，数据帧传送过程中，帧负载大小的调整，采用基于信道质量自适应的帧负载大小调整方法。目的是使用灵活的数据帧负载大小，以提高数据帧传送的质量及传送的效率。由于传统的固定帧负载大小的数据传送方法，对于不同的信道质量下的适应性较差，特别是信道质量变化频繁的情况下，很难获得较好的通信效果。通过对历史数据的计算，得到当前数据传送的信道质量，再通过当前信道质量与希望得到的数据传送目标质量之间的比较及计算，得到新的帧负载分割块的大小。让帧负载的大小随着信道质量实时改变，达到最佳状态。

本发明公开的方法，利用当前数据帧负载长度、当前通信信道质量及期望通信信道质量，计算下一数据帧帧负载长度，满足式(1)所示的公式。

x_k+1＝f(x_k，c，c₀)           (1)

式(1)中，x_k+1和x_k分别为下一个周期的帧负载长度和当前帧负载长度，c和c₀分别为当前通信信道质量及期望通信信道质量，f(·)为任意实函数。

本发明公开的方法，在计算信道质量时，选取了误包率作为参考标准。误包率的大小是信道质量最直观的体现方式。误包率可在数据帧传送过程中进行实时计算。在传送开始时，还需设定误包率的理想值，或称为预设值，这个值作为目标值，表示系统运行时，期望得到的误包率的数值。系统在运行过程中，由于各种因素的影响，实际的误包率可能比期望值高或者比期望值低，根据实际的误包率的数值与期望值之间的差异性比较，得出新的数据帧负载大小。在传送过程中，对误包率进行实时计算和监控。

本发明公开的方法，提出了一种能自动适应信道质量变化的动态帧负载大小确定方法。根据当前传送的数据帧的应答帧反馈结果，计算实际误包率数值，经过与理想误包率数值比较运算，调节数据帧负载的大小，使实际误包率更接近预期值。使系统在数据传送效率较高的前提下，获得最佳的数据传送状态。

优选的，式(1)中的通信信道质量由误包率(PER)表示，且满足式(2)。

x_k+1＝f(x_k，PER，PER₀)             (2)

其中，x_k+1和x_k分别为下一个周期的帧负载长度和当前帧负载长度，PER和PER₀分别表示当前实际测得的误包率和预期得到的误包率。f(x_k，PER，PER₀)表示三者构成一定的函数关系。

优选的，帧负载的长度通常为2的n次方个字节。即x_k+1通常可写为：

$x_{k+1}=2^{n_{k+1}}---\left(3\right)$

对式(2)等号左右同时取以2为底的对数，可得到

n_k+1＝g(n_k，PER，PER₀)                  (4)

式(2)中n_k为当前帧负载大小2n中n的值，n_k+1为下一个计算周期中，帧负载大小2ⁿ中n的值。PER和PER₀分别表示当前实际测得的误包率和预期得到的误包率。g(n_k，PER，PER₀)表示对当前帧负载大小、测量的误包率和预期误包率进行的函数运算。可以根据实际情况选取不同的运算。

无线通信中，帧负载的长度，本身也是有限制的，不能过大或者过小。因此，n的大小只能在一定范围内进行改变。n可取的最大值用n_max表示，最小值用n_min表示。

优选的，对式(4)中n_k+1的取值范围作出限定调整，使其不会无限制增大或减小，以避免系统产生错误。

优选的，对于当前数据帧负载大小与测量的误包率和预期误包率之间的关系，通常取式(5)所示函数关系。

$n_{k+1}=\left\{\begin{array}{cc}\max (n_k+h(\mathrm{PER},{\mathrm{PER}}_0),n_{\min }),& \mathrm{PER}>{\mathrm{PER}}_0\\ \min (n_k+h(\mathrm{PER},{\mathrm{PER}}_0),n_{\max }),& \mathrm{PER}<{\mathrm{PER}}_0\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(5)中，当PER>PER₀的时候，帧负载分割块的大小需要减小，n_k+1的值需要变小，但是不能低于n_min，因此，n_k+1取计算值和n_min之间的最大值；反之，当PER<PER₀时，表明信道质量较好，可以适当提高帧负载大小，以提高数据传送的效率，因此，n_k+1的值应该增加，但是由于存在数据帧长度字节的限制，n_k+1的值不能超过n_max，所以取计算值和n_max之间的最小值。

优选的，从算法简单的角度考虑，可采用逐步逼近的方法。这个方法中，式(5)中函数h(PER，PER₀)为：

式(6)中，sgn(·)为符号函数，当PER₀-PER<0的时候，即PER>PER₀时函数值取“-1”，即帧负载分割块的大小需要减小，以减小误包率；反之，函数值取“1”，即当前误包率比期望误包率要小，可以适当提高帧负载大小，以减小系统资源消耗。

优选的，式(6)在使用过程中，需要排除PER≈PER₀的情况，因此，式(6)写为分段函数的形式。条件中的Δ为一个因子，可根据具体情况选定。

无线通信中，数据以数据帧的格式发送，可以在一个数据帧中，传送固定数目的字节数，如128字节，帧负载分割块对这128个字节进行分割，再对每个帧负载分割块进行校验。

优选的，无线通信中，在每个数据帧的帧长度字节后面，增加一个字节的控制字，控制字的内容，作为区分帧负载分割块大小的依据。

有线通信中，不存在这样的限制，但是也需要对数据帧长度进行一定的控制。

优选的，有线通信中，同样需要添加一个字节的控制字，其内容作为区分帧负载大小的依据。

在一个数据帧中进行分割，适用于有自纠错能力的校验方式，如双向奇偶校验算法。对于没有自纠错能力的校验方式，不使用这样的方法，如CRC循环码校验。对于这样的校验方式，若需减小帧负载大小，则不在一个数据帧里进行分割，而是直接将一个大的数据帧分割成若干小的数据帧。

优选的，对于没有纠错能力的校验方法，直接以数据帧为单位，对原始数据进行分割，减少或增加每个数据帧包含的数据。

信道质量除了以误包率为计算标准外，还有信号强弱等判断指标。在本发明公开的方法中，没有具体介绍根据信号强弱来判断信道质量的方法。但是在实际使用中，可以将这样的方法，同样运用到具体的计算，从而影响帧负载的大小，改变数据传送效率。

优选的，在实际应用中，可以只以误包率为计算信道质量的标准，也可以只以信号强弱为计算信道质量的标准，也可以两者同时使用。

本发明的有益效果：数据帧负载的大小不固定，依据信道质量自动调整；2)本发明适用于信道通信质量频繁发生变化的场合，尽可能在数据帧传送质量和传送效率之间自适应调整，以达到最佳工作状态。

附图说明

图1为本发明公开算法的总体流程图

图2为数据帧格式示意图

图3为数据帧内分割的一种方法

具体实施方式

下面参照图1，详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，具体的整个实施方案由根据原始数据及当前数据帧负载大小生成数据帧负载的101单元；由帧负载生成传送数据帧的单元102；数据帧发送单元103；等待接收机应答信息的等待应答单元104；应答帧的接收单元105；误包率统计单元106；根据误包率及当前帧负载大小，调整帧负载大小单元107等七个部分组成。

数据传送开始时，根据原始数据、当前数据帧负载的大小对原始数据进行分割，生成帧负载，即101单元完成的工作。分割完成后，将待传送的帧负载加上前导码、帧长度字节以及校验码，生成一个完整的传送数据帧，即单元102。将102单元生成的传送数据帧由103单元进行发送。104单元为等待接收机发送的应答信号。数据帧由接收机接收，根据帧负载及校验码，判断帧负载是否出现误码，即校验是否成功。如果校验出错，且无法利用现有校验码信息纠错，则数据帧在传送中发生了错误，发送应答帧给发信机，请求重发；如果校验未出错，则该数据帧传送成功，同样发送应答帧给发信机，通知其传送成功。105单元为发信机接收接收机发送的应答帧。根据接收到的应答帧信息，系统判断数据帧传送是否成功，是否有重发请求，或者应答帧接收是否超时。如果接收应答帧存在超时或重发，则发信机重新发送数据帧。如果应答帧正确，表示数据传送成功，则转到106单元，进行误包率统计计算。107单元根据当前误包率的数值，及帧负载大小，计算出下一个传送数据帧帧负载的大小，并将结果反馈，转回101单元，准备下一个数据帧的分割、生成及传送。至此，完成了一个完整的数据帧的传送过程。

数据帧负载分割方法一般有两种，一种是每个数据帧有固定的帧负载大小，如128个字节。将这些固定的传送字节数放在一个数据帧中，然后将字节拆分成每16个字节、32个字节或者64个字节一组，分别添加校验码进行校验。而这个帧负载分割块的大小，由数据帧长度字节后面的帧负载分割块大小标识字决定。这种方法适用于校验位能对数据进行纠错的情况。

校验位不能对数据进行纠错的情况下，采用另一种方法。每一个数据帧的帧负载大小可变。这种方法不需要帧负载分割块大小标识字节。如果信道质量好，误包率比较小，则每个数据帧传送的字节数增加，提高传送效率；如果信道质量较差，误包率比较高，则每个数据帧传送的字节数减少。使系统达到最佳的数据传送效果。

图2是一个普通的无线通信数据帧结构的示意图。一个数据帧通常由前导码、帧起始分隔符、帧长度、帧负载及其校验码组成。前导码通常为4个字节。一般情况下，取4个字节的00H。紧跟前导码后的是起始帧间隔，大小为1个字节。它的值通常为“11100101”，是固定的。起始帧间隔后是数据帧长度字节。这个字节的大小，表示其后传送数据的字节数。帧长度字节通常也是1个字节。因此，后面的帧负载一般最大不超过128字节，最少一般不少于10个字节，通常最少取2的4次方，16个字节。在帧负载后面，紧跟的就是校验码。校验方式、位数在应用的时候，可根据实际情况具体选择。如：奇偶校验、双向奇偶校验、CRC循环码校验等多种方式。

图2只是一个一般的无线通信中常用的数据帧结构。使用本发明公开的方法对帧负载大小调节，需要对这样的数据帧结构进行适当改进。图3就是一种改进方式。

改进后的数据帧，由前导码及帧起始分隔符、帧长度、数据帧负载大小标识字节及帧负载和校验码组成。采用了第一种数据分割模式。即每个数据帧传送相对较固定的字节数。将这些固定的帧负载的分割块大小进行调整，分别进行校验。这种方法适用于带纠错功能的校验方式。如双向奇偶校验。可以显著提高纠错能力，减少重发次数。

这种帧结构中，前导码仍为4字节，同样可以取4字节的00H，而起始帧间隔亦不变。帧长度通常也不发生改变。每帧传送的数据相对比较固定。但是在帧长度后面，增加了一位数据帧负载大小标识字节，这个字节决定了后面的每个待发送帧负载分割块的大小。通常每个帧负载取2的n次方，即16字节、32字节、64字节或128字节。因此，这个字节只需要把n表示出来，就能实现其功能。每个帧负载分割块后面，都独立带有校验码，一旦发生错误，则可以利用校验码，对其立刻进行纠错。如果发生的错误过多导致无法纠错，则只能要求重发。且将错误计入误包率的统计中。

在这种结构中，通常使用可以纠错的校验方法。如双向奇偶校验。在帧负载分割块大小确定后，每一个帧负载分割块后，紧跟着双向奇偶校验编码。一旦在传输过程中，帧负载分割块发生了一位字符的错误，校验码能对其进行纠错。如果发生了两个以上的错误，则无法纠错，此时要求整个数据帧进行重发，错误计入误包率的统计中。

对于比较简单的校验方法，如奇偶校验、CRC循环码校验，其本身并没有纠错功能。如果直接在数据帧内对帧负载分割，并不能起到很好的效果，反而增加系统负担。因此，采取数据帧间分割。即信道质量好，则每个数据帧传送的字节数相对增加；信道质量不好，则每个数据帧传送的字节数相对减少。这种情况，只需要采用图2所示的帧结构就可以了。

下面，针对本发明公开的方法，提出一个具体的实例。在这个实例中，假设已经知道误码率是1/10000。这在实际情况中是不会出现的。误码率是根据信道质量及数据实际传送过程计算出来的量，是不可能提前知道的。但是为了方便举例，及仿真，就作为已知量来处理。在使用过程中，还需设定期望误包率的值。这里假设期望误包率为0.002。而初始帧负载分割块大小为128，即2的7次方，128个字节为1个帧负载的分割块。在这样的情况下，使用式(5)所示的，单步逼近方法。程序开始运行后，得到的误包率为0.0060，此时通过计算，得到的帧负载分割块减少1位，为2的6次方，即64个字节。则将数据帧中128个字节分成64个字节为一个帧负载分割块，共2个分割块，对每个帧负载分割块分别添加校验码。经传送，得到此时的误包率为0.0034，较前一步有较大的提高，但是仍与期望的误包率有较大的差距，根据式(5)的计算，进一步减少帧负载的分割。

帧负载的分割块变成2的5次方，即32个字节每个帧负载分割块。这样每一个数据帧有4个帧负载分割块。同样，对每个帧负载分割块分别添加校验码后传送。数据帧传送后，计算得到的误包率为0.0018，此时已经达到需要控制的目标，使实际误包率接近了期望误包率，套用式(5)发现，不需要对帧负载分割块大小进行调整，因此，继续用32个字节作为每个帧负载分割块的大小。系统达到了一种动态平衡。如果信道质量没有发生变化，则系统会一直保持在这样的状态。但是如果信道质量发生了变化，系统就会根据误包率的变化，重新调整每个帧负载分割块的大小，以达到最佳的传送效果。

这里要指出的是，如果期望得到的误包率远大于或者远小于实际误包率，则表明系统本身的信道质量与期望值有较大的差距。本发明公开的方法本身适用于信道质量与期望值相差不大的情况。对于这种相差过大的情况，利用本发明公开的方法，并不能达到最佳的效果。只能近可能逼近期望值。举例来说，如果期望得到的误包率在0.002，而实际情况中，由于信道质量比较差，实际得到的误包率为0.1左右，这种情况下，把帧负载分割块的大小降低到16个字节，也不能完全达到实际的期望值。这种情况下，就让帧负载分割块大小保持为最小值16个字节，以得到相对最佳的传送效果。

同样情况，如果在信道质量相对较好的情况下，期望误包率如果是0.002，而实际计算得到的误包率可能只有0.0001左右，这个时候，取帧负载分割块的大小为2的7次方，即128就可以了，这种情况，可以最大程度的提高数据传送的效率，且对数据传送的质量没有太大的影响。

Claims (7)

1、一种数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，数据帧的负载大小是动态的，两帧数据帧负载长度之间的关系如下：

x_k+1＝f(x_k，c，c₀)

式中x_k+1表示下一帧数据帧负载长度，x_k表示当前数据帧帧负载长度，c表示当前通信信道质量，c₀表示期望通信信道质量。

2、根据权利要求1所述的数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，x_k的长度可以为任意正整数，但是在实际应用中，一般使用2的指数次幂，即

$x_{k+1}=2^{n_{k+1}}$

其中n_k+1为正整数，数据帧负载长度的指数的幂次。

3、根据权利要求2所述的数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，两个数据帧负载长度的指数的幂次之间的关系如下：

n_k+1＝g(n_k，PER，PER₀)

其中n_k为当前数据帧负载长度的指数的幂次，n_k+1为下一数据帧负载长度的指数的幂次，PER和PER₀分别为当前误包率和期望误包率数值，g(·)为实函数。

4、根据权利要求3所述的数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，函数g(·)为：

n_k+1＝max(n_k+h(PER，PER₀)，n_min)，PER>PER₀

其中n_min为n_k波动范围的最小值，h(·)为实函数。

5、根据权利要求3所述的数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，函数g(·)为：

n_k+1＝min(n_k+h(PER，PER₀)，n_max)，PER<PER₀

其中n_max为n_k波动范围的最大值，h(·)为实函数。

6、根据权利要求4或5所述的数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，函数h(·)为：

h(PER，PER₀)＝sgn(PER₀-PER)，|PER-PER₀|Δ

其中sgn(·)为符号函数，Δ为正实数。

7、根据权利要求1所述的数据帧最大负载自适应调整方法，其特征在于，适用于无线数字通信和有线数字通信。

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