CN106656371A - 基于接收端信噪比预测的无线速率选择方法及无线网络 - Google Patents

Abstract

一种基于接收端信噪比预测的无线速率选择方法及无线网络，该方法包括：判断接收端与发送端是否满足触发条件，如果不满足，则结束该方法；接收端对信噪比进行预测，根据预测的信噪比选取最佳速率，并将速率选择信息反馈给发送端；发送端基于接收端发送的速率选择信息对无线速率进行选择。本发明能够适用于节点移动环境，降低SNR收发端不对称和信道SNR剧烈变化对系统吞吐率的影响，较传统方法提升巨大；并且能够与现有协议兼容，便于移植，有很强的实用价值。

Description

基于接收端信噪比预测的无线速率选择方法及无线网络

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于接收端信噪比预测的无线速率选择方法、发送端、接收端及无线网络。

背景技术

随着无线标准的制定和推广，越来越多的设备支持无线网络传输功能。智能手机、平板电脑等智能移动终端的快速发展给移动网络带来了巨大的数据流量压力。同时，由于芯片技术的提高，无线通信模块已经可以轻易的集成在手机、掌上电脑、甚至可穿戴设备等平台。终端的小型化使得无线通信设备的移动性大大提高，随即也带来了使用场景的变化，越来越多的设备需要在快速移动的场景接入网络。这种高度动态的场景会导致通信效率的大幅下降。即使使用者在同一个接入点范围内移动也会引起通信信道的动态变化，会给无线通信系统带来很大的影响，如能量消耗、信道速率匹配、网络通信效率等。

无线设备物理层具有多种可选择的发送速率，针对不同的信道条件，可通过速率的自适应调节来提高系统吞吐率。但是目前的无线标准中并没有明确指定采用的速率自适应方法。同时，当前大多数为无线传输制定的速率管理方法都只是面向稳定信道，然而无线设备在移动环境中收发端信噪比(SNR)严重不对称并且波动剧烈。这就导致传统的基于发送端的速率选择方法无法适用于节点移动场景，亟需一种基于接收端且实用性高的速率选择方法。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种基于接收端信噪比预测的无线速率选择方法、发送端、接收端及无线网络，以解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于信噪比预测的无线速率选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：判断接收端与发送端是否满足触发条件，如果满足，则执行步骤B，否则结束该方法；

步骤B：接收端对信噪比进行预测，根据预测的信噪比选取最佳速率，并将速率选择信息反馈给发送端；

步骤C：发送端基于接收端发送的速率选择信息对无线速率进行选择。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种无线网络的发送端，其特征在于，所述发送端基于对应的接收端发送的速率选择信息对发送端的发送速率进行选择。

根据本发明的再一个方面，本发明还提供了一种无线网络的接收端，其特征在于，所述接收端通过如下步骤获得速率选择信息并将其返回发送端：

步骤B1：接收端对当前信道信噪比进行统计；即每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(吞吐率，SNR，速率)；

步骤B2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est；其中S_est具体通过如下过程得到：

其中DEV_avg是标准差的加权平均值，S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数；

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg， (2)

其中DEV_weight为预测信噪比时的标准差加权值，通过下式计算：

步骤B3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值；

其中速率通过如下过程得到：

其中Th(R，S)为三元组信息(吞吐率，SNR，速率)中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息；

步骤B4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端；选择方法如下：

设前一次的传输速率为R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S；窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号是：

表示向上取整；此时选择的下一包速率是

根据本发明的还一个方面，本发明还提供了一种无线网络，包括如上所述的发送端，以及如上所述的接收端。

从上述技术方案可知，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过接收端进行速率选择，消除了节点移动过程中，信道SNR收发端严重不对称的影响，并且计算SNR时，通过加权平均计算，降低了信道SNR剧烈变化对系统吞吐率的影响，提高了预测的可靠性；

(2)没有修改MAC层协议，能够与现有协议兼容，可以直接移植到设备；并且与其他设备通信时可以对设备的方法进行甄别，动态调节使用的速率选择方法，具有很强的实用价值。

附图说明

图1是本发明的发送端的状态机示意图；

图2是本发明的接收端的状态机示意图；

图3是本发明的系统架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种基于信噪比预测的无线速率选择方法，包括以下步骤：首先无线通信的接收端物理层(PHY)将信噪比(SNR)上传至媒介访问控制层(MAC)，由MAC层对SNR进行预测，并根据SNR预测值选择最佳速率，通过ACK速率的变化反馈给发送端；发送端对收到的确认帧(ACK)速率进行解析，选取最佳的发送速率。

更优选地，在上述步骤之前，还包括接收端与发送端根据交互信息来对速率选择方法进行识别并同步的步骤。

具体地，本发明公开了一种基于信噪比预测的无线速率选择方法，包括以下步骤：

步骤A：判断接收端与发送端是否满足触发条件，如果满足，则执行步骤B，否则结束该方法；

步骤B：接收端对信噪比进行预测，根据预测的信噪比选取最佳速率，并将速率选择信息反馈给发送端；

步骤C：发送端基于接收端发送的速率选择信息对无线速率进行选择。

其中，步骤A具体包括以下步骤：

步骤A1：发送端以一初始速率发送信号；如果实时发送速率变动时收到的ACK速率仍然为所述初始速率，则继续执行下一步，否则结束进程；

步骤A2：计算接收端网络分配向量时使用的是否为ACK窗口中的最低速率，如果传输速率大于发送端的初始速率，且网络分配向量计算时使用的速率不是窗口中的最高速率，则继续执行下一步，否则结束进程。

其中，步骤B具体包括以下步骤：

步骤B1：接收端对当前信道信噪比进行统计；即每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(吞吐率，SNR，速率)；

步骤B2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est；其中S_est具体通过如下过程得到：

其中DEV_avg是标准差的加权平均值，S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数；

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg， (2)

其中DEV_weight为预测信噪比时的标准差加权值，通过下式计算：

步骤B3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值；其中速率通过如下过程得到：

其中Th(R，S)为三元组信息(吞吐率，SNR，速率)中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息；

步骤B4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端；选择方法如下：

设前一次的传输速率为R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S；窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号是：

表示向上取整；此时选择的下一包速率是

本发明还公开了一种无线网络的发送端，所述发送端基于对应的接收端发送的速率选择信息对发送端的发送速率进行选择。

其中，所述发送端还包括判断单元，用于判断所述发送端是否满足依据接收端返回信息对网络发送速率进行调节的条件，如果满足才基于对应的接收端发送的速率选择信息对发送端的发送速率进行选择。

作为优选，所述判断单元的判断条件为：当发送端以一初始速率发送信号，且实时发送速率发生变动时，收到的ACK速率是否仍为所述初始速率，如果是则满足条件。

本发明还公开了一种无线网络的接收端，其特征在于，所述接收端通过如下步骤获得速率选择信息并将其返回发送端：

步骤B1：接收端对当前信道信噪比进行统计；即每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(吞吐率，SNR，速率)；

步骤B2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est；其中S_est具体通过如下过程得到：

其中DEV_avg是标准差的加权平均值，S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数；

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg， (2)

其中DEV_weight为预测信噪比时的标准差加权值，通过下式计算：

步骤B3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值；

其中速率通过如下过程得到：

其中Th(R，S)为三元组信息(吞吐率，SNR，速率)中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息；

步骤B4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端；选择方法如下：

设前一次的传输速率为R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S；窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号是：

良示向上取整；此时选择的下一包速率是

其中，所述接收端还包括判断单元，用于判断所述接收端是否满足计算网络发送速率并返回对应的发送端的条件，如果满足才通过所述步骤获得速率选择信息并将其返回发送端。

作为优选，所述判断单元的判断条件为：计算接收端网络分配向量时使用的是否为ACK窗口中的最低速率，如果传输速率大于发送端的初始速率，且网络分配向量计算时使用的速率不是窗口中的最高速率，则满足条件。

本发明还公开了一种无线网络，包括如上所述的发送端，以及如上所述的接收端。

在一个优选实施方式中，本发明公开了一种基于信噪比预测的无线速率选择方法，包括以下步骤：

步骤A：接收端与发送端根据交互信息同步速率选择方法；

步骤B：接收端对信噪比进行预测，根据预测的信噪比选取最佳速率，并将速率选择信息反馈给发送端。

其中，步骤A具体包括：

步骤A1：发送端将初始速率设置为一个初值，例如1Mbps，并且使用传统基于发送端的速率选择方法；当速率提升到一个实时值，例如2Mbps时，如果收到的ACK速率仍为初值1Mbps，说明与之交互的是使用本方法的设备，发送端将速率选择方法更改为本方法；否则说明是传统设备，仍然使用基于发送端的速率方法进行交互。

步骤A2：对于接收端，计算网络分配向量(NAV)时使用的是ACK窗口中的最低速率，所以当传输速率大于初值1Mbps，并且NAV计算时使用的速率不是窗口中的最高速率，说明与之交互的是使用本方法的设备，接收端修改为本方法；否则说明是传统设备，仍然使用传统方法进行交互。

其中，步骤B具体包括：

步骤B1：接收端对于当前信道信噪比进行统计：

每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(吞吐率，SNR，速率)；

步骤B2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est；

其中S_est具体通过如下过程得到：

其中S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数；

下一包传输时的SNR预测值为：

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg； (2)

步骤B3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值；其中速率通过如下过程得到：

其中Th(R，S)为三元组信息(吞吐率，SNR，速率)中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息；

步骤B4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端；选择方法如下：

设前一次的传输速率为R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S；窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号应该是：

其中，良示向上取整；此时选择的下一包速率应该是

步骤B5：发送端解析ACK帧得到传输速率，根据步骤B4的公式进行速率选择。

作为本发明的一个优选实施方式，本发明提供了一种发送端状态机，如图1所示，该发送端将初始速率设置为1Mbps，并且使用传统基于发送端的速率选择方法。当速率提升到2Mbps时，如果收到的ACK速率为1Mbps，说明与之交互的是使用本方法的设备，发送端将速率选择方法更改为本方法。否则说明是传统设备，仍然使用基于发送端的速率方法进行交互。

作为本发明的一个优选实施例，本发明提供了一种接收端状态机，如图2所示，对于接收端，计算NAV时使用的是ACK窗口中的最低速率，所以当传输速率大于1Mbps，且NAV计算时使用的速率不是窗口中的最高速率时，说明与之交互的是使用本方法的设备，接收端修改为本方法。否则说明是传统设备，仍然使用传统方法进行交互。

作为本发明的一个优选实施例，本发明提供了一种网络架构，如图3所示，其中，接收端分为SNR预测、速率选择、速率反馈三个子模块，发送端分为速率更新和与其他设备交互两个子模块。本实施例中接收端通过ACK速率的变化通知发送端速率选择信息。具体流程包括以下步骤：

步骤1：接收端对于当前信道信噪比进行统计：

每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(Throughput，SNR，Rate)，其中Throughput为当前SNR和速率对应吞吐率的移动平均值，SNR为当前接收端的信噪比数值，Rate为当前发送端使用的发送速率。

步骤2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est。

其中S_est具体通过如下过程得到：

其中S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数。

下一包传输时的SNR预测值为：

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg， (2)

其中标准差加权值DEV_weight设置如下：

其中平均信噪比S_avg的移动平均计算权值δ设置如下：

仿真中发现ε＝0.05，γ＝1时预测最为精确。

步骤3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值。

其中速率通过如下过程得到：

其中Th(R，S)为三元组信息(Throughput，SNR，Rate))中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息。

步骤4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端。

选择方法如下：

当前一次的传输速率R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S。窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号应该是：

表示向上取整。此时选择的下一包速率应该是

步骤5：发送端解析ACK帧得到传输速率，根据步骤4中的公式进行速率选择。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于信噪比预测的无线速率选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：判断接收端与发送端是否满足触发条件，如果满足，则执行步骤B，否则结束该方法；

步骤B：接收端对信噪比进行预测，根据预测的信噪比选取最佳速率，并将速率选择信息反馈给发送端；

步骤C：发送端基于接收端发送的速率选择信息对无线速率进行选择。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A具体包括以下步骤：

步骤A1：发送端以一初始速率发送信号；如果实时发送速率变动时收到的ACK速率仍然为所述初始速率，则继续执行下一步，否则结束进程；

步骤A2：计算接收端网络分配向量时使用的是否为ACK窗口中的最低速率，如果传输速率大于发送端的初始速率，且网络分配向量计算时使用的速率不是窗口中的最高速率，则继续执行下一步，否则结束进程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B具体包括以下步骤：

步骤B1：接收端对当前信道信噪比进行统计；即每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(吞吐率，SNR，速率)；

步骤B2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est；其中S_est具体通过如下过程得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{avg}=(1-\mathrm{\δ})\×S_{avg}+\mathrm{\δ}\×S_{cur},\\ {\mathrm{DEV}}_{avg}=(1-\mathrm{\ρ})\×{\mathrm{DEV}}_{avg}+\mathrm{\ρ}\×|S_{cur}-S_{avg}|,\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中DEV_avg是标准差的加权平均值，S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数；

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg， (2)

其中DEV_weight为预测信噪比时的标准差加权值，通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{DEV}}_{weight}=\mathrm{\ϵ},(S_{avg}\≤S_{cur})\\ {\mathrm{DEV}}_{weight}=\mathrm{\γ},(S_{avg}>S_{cur})\end{array}\right.;---\left(3\right)$

步骤B3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值；其中速率通过如下过程得到：

$R^{*}=\arg \underset{R}{max}Th(R,S_{est});---\left(4\right)$

其中Th(R，S)为三元组信息(吞吐率，SNR，速率)中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息；

步骤B4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端；选择方法如下：

设前一次的传输速率为R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S；窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号是：

表示向上取整；此时选择的下一包速率是

4.一种无线网络的发送端，其特征在于，所述发送端基于对应的接收端发送的速率选择信息对发送端的发送速率进行选择。

5.根据权利要求4所述的发送端，其特征在于，所述发送端还包括判断单元，用于判断所述发送端是否满足依据接收端返回信息对网络发送速率进行调节的条件，如果满足才基于对应的接收端发送的速率选择信息对发送端的发送速率进行选择。

6.根据权利要求5所述的发送端，其特征在于，所述判断单元的判断条件为：当发送端以一初始速率发送信号，且实时发送速率发生变动时，收到的ACK速率是否仍为所述初始速率，如果是则满足条件。

7.一种无线网络的接收端，其特征在于，所述接收端通过如下步骤获得速率选择信息并将其返回发送端：

步骤B1：接收端对当前信道信噪比进行统计；即每一次接收到包时，接收端统计当前信道信噪比，并更新统计结果，统计结果存储为三元组信息记录(吞吐率，SNR，速率)；

步骤B2：根据当前信噪比S_cur和平均信噪比S_avg预测下一包传输时的信道信噪比S_est；其中S_est具体通过如下过程得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{avg}=(1-\mathrm{\δ})\×S_{avg}+\mathrm{\δ}\×S_{cur},\\ {\mathrm{DEV}}_{avg}=(1-\mathrm{\ρ})\×{\mathrm{DEV}}_{avg}+\mathrm{\ρ}\×|S_{cur}-S_{avg}|,\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中DEV_avg是标准差的加权平均值，S_cur是接收端MAC上传的当前信道SNR，δ、ρ均为可变参数；

S_est＝S_avg-DEV_weight×DEV_avg， (2)

其中DEV_weight为预测信噪比时的标准差加权值，通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{DEV}}_{weight}=\mathrm{\ϵ},(S_{avg}\≤S_{cur})\\ {\mathrm{DEV}}_{weight}=\mathrm{\γ},(S_{avg}>S_{cur})\end{array}\right.;---\left(3\right)$

步骤B3：通过S_est和三元组信息记录选取使吞吐率最大化时的速率值；其中速率通过如下过程得到：

$R^{*}=\arg \underset{R}{max}Th(R,S_{est});---\left(4\right)$

其中Th(R，S)为三元组信息(吞吐率，SNR，速率)中给定SNR和速率时对应的吞吐率信息；

步骤B4：通过接收端ACK速率的变化将速率选择信息反馈给发送端；选择方法如下：

设前一次的传输速率为R_index，滑动窗口设置为ACK速率列表中小于R_index的速率集，假设其大小为S；窗口中的第N个ACK速率表示发送端选择的速率编号是：

表示向上取整；此时选择的下一包速率是

8.根据权利要求7所述的发送端，其特征在于，所述接收端还包括判断单元，用于判断所述接收端是否满足计算网络发送速率并返回对应的发送端的条件，如果满足才通过所述步骤获得速率选择信息并将其返回发送端。

9.根据权利要求7所述的发送端，其特征在于，所述判断单元的判断条件为：计算接收端网络分配向量时使用的是否为ACK窗口中的最低速率，如果传输速率大于发送端的初始速率，且网络分配向量计算时使用的速率不是窗口中的最高速率，则满足条件。

10.一种无线网络，包括如权利要求4至6任意一项所述的发送端，以及如权利要求7至9任意一项所述的接收端。