CN109428679B - ZigBee自适应多速率传输方法 - Google Patents

Abstract

一种ZigBee自适应多速率传输方法，包括以下步骤：1)发送端经过比特‑符号转换后，根据接收端反馈的传输速率选择扩频长度，经过偏移四相相移键控调制和波形整形后射频输出；2)接收端估测码元错误率选择解扩阈值并解扩；3)接收端估计有效误码率，选择传输速率并反馈给发送端，本发明沿用传统的ZigBee基本物理层结构，结构简单，可扩展性好，不增加硬件成本，实现多速率传输，增加了传输的灵活性与动态性，提高了传输的吞吐量和可靠性。

Description

ZigBee自适应多速率传输方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种ZigBee自适应多速率传输方法。

背景技术

现有的ZigBee设备面临着两方面的问题：1、随着部署规模的扩大，节点网络中的数据量也随之增加。以现有的ZigBee的传输速率，很难满足庞大吞吐量的需求。2、工业物联网中信道环境较为复杂，信道质量多变。传统的ZigBee速率单一，不能根据通信环境的变化调节传输速率。

现有提高ZigBee传输速率的方法一般是发送端将频域中的一个宽带信道分成若干重叠子信道，从而将信号调制到多个并行频率信道上，该技术的特点是成本低、改动小、速率提升有限。此外，通过差错恢复机制可以通过提高容错能力，从而提高ZigBee的传输速率，但这种方法仍然受到ZigBee固有传输速率的限制。

发明内容

本发明针对现有技术对动态信道的带宽资源的利用率较低的缺陷，提出一种ZigBee自适应多速率传输方法，其沿用传统的ZigBee基本物理层结构，结构简单，可扩展性好，不增加硬件成本，实现多速率传输，增加了传输的灵活性与动态性，提高了传输的吞吐量和可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

1)发送端经过比特-符号转换后，根据接收端反馈的传输速率选择扩频长度，经过偏移四相相移键控调制和波形整形后射频输出；

2)接收端估测码元错误率选择解扩阈值并解扩；

3)接收端估计有效误码率，选择传输速率并反馈给发送端。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)在物理层协议数据单元中编写前导码，调取缓存中的传输速率，并将传输速率写入物理层协议数据单元；

1.2)根据传输速率选择扩频长度并进行扩频；

1.3)经偏移四相相移键控调制和波形整形后，射频输出；

1.4)开启计时器，计数超过门限值且又没收到接收端反馈时，触发一次重传；接收到接收端反馈的传输速率时，发送端更新缓存中的传输速率。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)接收端检测信道中的前导码；

2.2)解析扩频长度；

2.3)选择对应的编码表，比较接收到的序列与标准序列的差值，将差值最小的一项作为解扩结果，并估计码元错误率；

2.4)根据码元错误率选择解扩阈值并解扩。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)若码元序列正确解析，计算每个偏移的码元点到标准码元点之间的距离，估计每个码元点的解析概率；

3.2)利用每个码元点的解析概率，计算码元序列的解析概率，码元序列的解析概率乘以误差系数得到估测的有效误码率；

3.3)若码元序列未正确解析，误码个数增加4；

3.4)接收端选择传输速率并反馈给发送端。

所述的扩频长度为4位、8位、16位、32位或64位。

所述的解扩阈值范围分别为1、2、4-5、5-13和6-23。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为解扩阈值与码元错误率关系图；

图3为不同方法的吞吐量对比图；

图4为实施例系统结构示意图。

具体实施方式

如图4所示，本实施例涉及一种ZigBee自适应多速率传输系统，包括：由比特-符号转换模块、直接序列扩频模块、调制模块、波形整形模块构成的发送端以及由解扩模块与速率选择模块构成的接收端，其中：比特-符号转换模块接收来自介质访问层的原始数据包并进行符号转换，直接序列扩频模块根据来自接收端的反馈，对转换后的符号扩展成对应长度的码元序列，调制模块对码元序列进行偏移四相相移键控调制，波形整形模块对调制后的码元序列进行半正弦波整形并向接收端发射；解扩模块将收到的数据包恢复出原始信息，速率选择模块根据恢复出的原始信息比对后得到数据包中被污染的数据位个数，选择对应的扩频长度作为反馈发送至直接序列扩频模块。

所述的符号转换是指：将原始数据包中每4位比特组合成一个长度为4的符号。

如图1所示，本实施例涉及上述系统的信息传输方法，包括以下步骤：

1)发送端经过比特-符号转换后，根据接收端反馈的传输速率选择扩频长度，经过偏移四相相移键控调制和波形整形后射频输出。

1.1)在物理层协议数据单元中编写前导码，从缓存中读取传输速率，并将传输速率写入物理层协议数据单元。

1.2)根据传输速率选择扩频长度L并进行扩频。如下表所示，根据传输速率从表中选择合适的扩频长度。扩频长度L为4位、8位、16位、32位或64位。

1.3)经偏移四相相移键控调制和波形整形后，射频输出。

1.4)开启计时器，计数超过门限值且又没收到接收端反馈时，触发一次重传；接收到接收端反馈的传输速率时，发送端更新缓存中的传输速率。

2)接收端估测码元错误率选择解扩阈值并解扩。

2.1)接收端检测信道中的前导码。

2.2)检测到前导码后，解析前导码中的扩频长度信息，获取扩频长度。

2.3)选择对应的编码，比较接收到的序列与标准序列的差值，将差值最小的一项作为解扩结果，并估计码元错误率。

2.4)根据码元错误率选择解扩阈值并解扩。如图2所示，码元错误率选择解扩阈值越高。解扩阈值范围分别为1、2、4-5、5-13和6-23。

3)接收端估计有效误码率，选择传输速率并反馈给发送端。在码元序列正确解析时：

3.1)计算每个偏移的码元点到标准码元点之间的距离，估计每个码元点的解析概率。

3.2)利用单个码元点的解析概率，计算码元序列的解析概率，码元序列的解析概率乘以误差系数得到估测的有效误码率。

3.3)在码元序列未正确解析时，有效误码个数即为4。

码元序列正确解析时，单个码元点的解析概率从星座图上获取。根据噪声对信号的影响，单个码元点的解析概率，与码元点到标准位置的距离成反比；利用多个单码元点的解析概率的乘积，接收端可计算码元序列的接收概率；码元序列未正确解析时，即接收到的码元序列与标准扩频序列的差值大于解扩阈值时，有效误码增加数即为4(一个错误的码元序列导致4比特的误码)。

3.4)接收端根据有效误码率所在区间，选择速率。

实际测试中，本发明方法可在-14dB-12dB的信噪比范围内有着良好的应用，单帧长度为32字节。基本的可选扩频长度为4、8、16、32、64(可扩展)，误码计算的误差系数根据码元错误率的不同在0.5-1间浮动，解扩阈值根据码元错误率动态选择，选择范围为1、2、4-5、5-13和6-23。

基于以上实验参数，本方法与传统方法的对比结果如图3所示。本发明方法与传统ZigBee网络以及SoftRate进行了比较。SoftRate是一种基于误码率的速率自适应策略，它通过Log-似然估计计算误码率并选择合适的发送速率。在动态场景与静态场景中，本发明采用的方法均获得了最高的吞吐量。在信道质量不处于极差的状态时，这一优势非常明显。

与现有技术相比，其沿用传统的ZigBee基本物理层结构，结构简单，可扩展性好，不增加硬件成本，实现多速率传输，增加了传输的灵活性与动态性，提高了传输的吞吐量和可靠性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种ZigBee自适应多速率传输系统，其特征在于，包括：由比特-符号转换模块、直接序列扩频模块、调制模块、波形整形模块构成的发送端以及由解扩模块与速率选择模块构成的接收端，其中：比特-符号转换模块接收来自介质访问层的原始数据包并进行符号转换，直接序列扩频模块根据来自接收端的反馈，对转换后的符号扩展成对应长度的码元序列，调制模块对码元序列进行偏移四相相移键控调制，波形整形模块对调制后的码元序列进行半正弦波整形并向接收端发射；解扩模块将收到的数据包恢复出原始信息，速率选择模块根据恢复出的原始信息比对后得到数据包中被污染的数据位个数，选择对应的扩频长度作为反馈发送至直接序列扩频模块；

所述的发送端经过比特-符号转换后，根据接收端反馈的传输速率选择扩频长度，经过偏移四相相移键控调制和波形整形后射频输出，具体包括：

1.1)在物理层协议数据单元中编写前导码，调取缓存中的传输速率，并将传输速率写入物理层协议数据单元；

1.2)根据传输速率选择扩频长度并进行扩频；

1.3)经偏移四相相移键控调制和波形整形后，射频输出；

1.4)开启计时器，计数超过门限值且又没收到接收端反馈时，触发一次重传；接收到接收端反馈的传输速率时，发送端更新缓存中的传输速率；

所述的接收端估测码元错误率选择解扩阈值并解扩，具体包括：

2.1)接收端检测信道中的前导码；

2.2)解析扩频长度；

2.3)选择对应的编码表，比较接收到的序列与标准序列的差值，将差值最小的一项作为解扩结果，并估计码元错误率；

2.4)根据码元错误率选择解扩阈值并解扩；

所述的接收端估计有效误码率，选择传输速率并反馈给发送端，具体包括：

3.1)计算每个偏移的码元点到标准码元点之间的距离，估计每个码元点的解析概率；

3.2)利用每个码元点的解析概率，计算码元序列的解析概率，码元序列的解析概率乘以误差系数得到估测的有效误码率；

3.3)接收端选择传输速率并反馈给发送端；

所述的扩频长度为4位、8位、16位、32位或64位；

所述的解扩阈值范围分别为2、4-5、5-13和6-23；

所述的符号转换是指：将原始数据包中每4位比特组合成一个长度为4的符号。

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