CN111049622A - 一种针对时变信道的速率自适应选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对时变信道的速率自适应选择方法。该速率自适应选择方法包括如下步骤：步骤S1：根据初始的信道交互信息选择合适的发送速率向接收站开始发送数据包；步骤S2：接收接收站反馈的确认字符/否认字符信息，并测量得到接收信号强度指示信息；步骤S3：根据反馈的确认字符/否认字符信息，更新接收信号强度指示信息与发送速率的关系；步骤S4：根据测量得到的接收信号强度指示信息，以及更新后的信号强度指示信息与发送速率的关系，选择下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。该速率自适应选择方法使得发送站向接收站发送数据包时可以自适应的调整发送速率，并保证每个时刻都能选取最优的发送速率。

Description

一种针对时变信道的速率自适应选择方法

技术领域

本发明涉及一种针对时变信道的速率自适应选择方法(以下简称速率自适应选择方法)，属于无线通信技术领域。

背景技术

在无线通信系统中，高吞吐量一直是个必备的指标。发送站需要准确地获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)来选择合适的发送速率以达到最大吞吐量。但是，在实际系统中获得及时而且准确的信道状态信息反馈并不现实，发送站需要利用现有的信道状态信息来选择合适的发送速率以达到最大吞吐量，这种方法叫做速率自适应选择算法(Rate Adaptation，RA)。

速率自适应选择算法应当利用所能得到的有关信道的信息来准确估计信道，并判决怎样更新发送速率。该速率自适应选择算法根据部署的不同位置分为基于信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)的速率自适应选择算法，以及基于确认字符的速率自适应选择算法。其中，基于信噪比的速率自适应选择算法是将测量到的信噪比信息对应到相应的发送速率上；基于确认字符(Acknowledgement，ACK)的速率自适应选择算法依据历史收到的确认字符信息来判定信道状态的好坏。

基于信噪比的速率自适应选择算法有信噪比指导的速率自适应选择算法(SNR-Guided Rate Adaptation，SGRA)，它测量信噪比和帧传输率(Frame Delivery Ratio，FDR)之间的关系，并在实际信道中采用发送探测帧的方式校准这个关系。基于接收站的自动速率(Receiver-based auto rate，RBAR)使用了可交换的请求发送/允许发送协议(RequestTo Send/Clear To Send，RTS/CTS)帧来估计信道的质量。RTS帧的接收站根据从RTS帧上测得的信噪比值选择下一次发送数据包所需要的速率，并通过CTS帧传输给发送站。信噪比指导的速率自适应选择和基于接收站的自动速率认为信噪比到发送速率时间的关系是完全确定的，这在实际信道中是不可能的。

此外，自动速率回退(Auto Rate Fallback，ARF)是最早的速率自适应选择算法，它基于历史的确认字符信息给出选择发送速率的方案。当连续丢失两个确认字符时降低一档速率；当连续收到10个确认字符信息时升高一档速率。自动速率回退在面对相对平稳信道时会经常尝试高速率导致丢包。自适应自动速率回退(Adaptive ARF，AARF)针对这一问题对自动速率回退进行了改进，在连续尝试高速率失败后会增加尝试高速率的要求。由于ARF和自适应自动速率回退仅仅通过历史确认字符信息将信道状态分为“好”和“坏”两种，并且仅仅是在相邻的发送速率进行切换。这种方法不能很快地找到最优发送速率，尤其在面对很多可用速率或者变化很快的信道情况下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对时变信道的速率自适应选择方法。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

一种针对时变信道的速率自适应选择方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据初始的信道交互信息选择合适的发送速率向接收站开始发送数据包；

步骤S2：接收所述接收站反馈的确认字符/否认字符信息，并测量得到接收信号强度指示信息；

步骤S3：根据所述反馈的确认字符/否认字符信息，更新上一时刻的接收信号强度指示信息与所述发送速率的关系；

步骤S4：根据测量得到的所述接收信号强度指示信息，以及更新后的信号强度指示信息与发送速率的关系，选择下一时隙向所述接收站发送数据包的发送速率。

其中较优地，步骤S3包括如下子步骤：

步骤S31：根据所述反馈的确认字符/否认字符信息，得到所选择的发送速率的回报；

步骤S32：根据所述所选择的发送速率的回报，对每个所选择的发送速率进行更新，以使得更新上一时刻的所述接收信号强度指示信息与所述发送速率的关系。

其中较优地，根据所述反馈的确认字符/否认字符信息，采用如下公式得到所选择的发送速率的回报；

其中，r_t,k表示t时刻对所选择的发送速率R_k的数据包的传输情况的评估；ACK_t表示t时刻发送站接收到接收站反馈的确认字符/否认字符信息；R_k表示t-4时刻所选择的向接收站发送数据包的发送速率的数值；R_K表示发送站可选择速率集合中最大速率的数值。

其中较优地，对每个所选择的发送速率进行更新，采用如下子步骤：

步骤S321：根据所述所选择的发送速率的回报，计算每个所述所选择的发送速率估计的回报；

步骤S322：对每个所述所选择的发送速率估计的回报进行补偿，得到每个所述所选择的发送速率的精准的估计回报。

其中较优地，根据所述所选择的发送速率的回报，采用如下公式得到每个时刻所选择的发送速率估计的回报；

其中，

表示t′时刻的发送速率R_k估计的回报；N_t′,k表示带折扣项的发送速率R_k选择的次数；γ^t′-t表示计算当前时刻的发送速率R_k估计的回报时，对发送速率R_k的回报的一个与时间相关的折扣权重；

表示如果t′＝t-4时刻选择的发送速率R_k，此项为1，否则为0。

其中较优地，根据信道变化的速度，根据如下公式选择γ的数值；

其中，B表示所选择的发送速率R_k的回报的范围；Υ_T表示发送站向接收站发送数据包的某一时间段T内信道变化的次数。

其中较优地，根据如下公式，对每个所述所选择的发送速率估计的回报进行补偿，得到每个所述所选择的发送速率的精准的估计回报；

其中，

表示t′时刻的发送速率R_k估计的回报；c_t′,k表示用于补偿发送速率R_k估计的回报值。

其中较优地，用于补偿发送速率R_k估计的回报值的c_t′,k表示为：

其中，B表示所选择的发送速率R_k的回报的范围；ξ表示可调参数，用于根据信道变化的剧烈程度调节偏置项的大小，使得对选择的发送速率R_k的更新适应信道的变化；n_t′表示对所有的带折扣项的发送速率R_k选择的次数进行相加。

其中较优地，根据确定的所述接收信号强度指示信息与发送速率的关系，从所述接收信号强度指示信息下每个发送速率的最新估计的回报加上偏置项得到的每个发送速率的精准的估计回报中，选择最大精准的估计回报对应的速率作为下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。

本发明所提供的速率自适应选择方法，同时采用了物理层的接收信号强度指示信息以及媒体接入控制层的确认字符/否认字符信息。利用媒体接入控制层的确认字符/否认字符信息不仅判断用户是否收到基站发送的数据包，还用于更新接收信号强度指示信息与发送速率的关系，并通过测量得到的物理层的接收信号强度指示信息，更快地找到下一时隙向发送站发送数据包的最优发送速率。另外，本速率自适应选择方法中将确认字符/否认字符信息考虑成一种有延迟的信道反馈，更符合真实信道情况。

附图说明

图1为本发明所提供的速率自适应选择方法的流程图；

图2为本发明所提供的速率自适应选择方法实现过程的系统图；

图3为不同信道条件下采用本发明所提供的速率自适应选择方法得到的累积损失的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

本发明所提供的速率自适应选择方法用于针对不停变化的信道，发送站利用现有的信道状态信息来选择合适的发送速率向接收站发送数据包。并且，同时使用物理层和媒体接入控制层反馈的接收信号强度指示信息和确认字符/否认字符信息来追踪信道的变化情况。其中，发送站一般指的是基站。接收站一般指的是用户方使用的手机、平板电脑等无线通信终端，用户通过手机、平板电脑内置的天线与基站之间以时隙划分，交替传输数据。如图1所示，该速率自适应选择方法包括如下步骤：

步骤S1：根据初始的信道交互信息选择合适的发送速率向接收站开始发送数据包。

设定在LTE-TDD系统中有一个发送站和一个接收站，即一个基站和一个用户。基站和用户之间以时隙划分，交替传输数据。已知可供发送的速率集合

基站和用户之间在刚开始进行数据传输时，根据信道最初的信道交互信息选择发送速率。最初的信道交互信息指的是，预先留存在LTE-TDD系统中的用户方所使用的信道的状态信息和约定俗成的接收信号强度指示信息与发送速率的对应关系。其中，用户方所使用的信道的状态信息包括接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)信息、信噪比信息等。

由于接收信号强度指示信息是在整个带宽中观测到的所有功率，包括所需要的信号、噪声以及干扰，即在平稳信道条件下，噪声以及干扰都不变动，接收信号强度指示信息可以唯一的并且固定的对应到发送速率上。因此，根据用户方所使用的信道的状态信息中的接收信号强度指示信息，可以从预先留存的接收信号强度指示信息与发送速率的关系中选择与用户使用的信道的接收信号强度指示信息对应的发送速率，使得基站以所选择的发送速率向接收站开始发送数据包。其中，初始接收信号强度指示信息与发送速率的关系指的是，每个接收信号强度指示信息下对对应的速率集合

中的速率的预估回报，如果速率能成功传输，预估回报为

如果不能传输成功，那么预估回报为0。

步骤S2：接收接收站反馈的确认字符/否认字符信息，并测量得到接收信号强度指示信息。

如图2所示，在LTE-TDD系统中，发送站和接收站之间实现发送和接收数据在相邻的时隙中进行；当基站以选择的发送速率向用户发送数据包时，用户会向基站反馈确认字符(ACK)/否认字符信息(NACK)信息，以实现对数据包传输情况的反馈，更能精确地反应信道。由于处理和传输时延，t-4时刻传输的数据包，基站会在t时刻从上行信道接收到对应的确认字符/否认字符帧。即基站向用户发送数据包时，用户会延后4个时隙收到该数据包。基站通过确认字符/否认字符帧解调出确认字符/否认字符信息，以判断用户是否收到基站发送的数据包。当基站收到用户反馈的确认字符信息时，代表用户收到了基站发送的数据包。当基站收到用户反馈的否认字符信息时，则代表用户没有收到基站发送的数据包。此外，当基站从上行信道接收用户反馈的确认字符/否认字符帧时，会在该上行信道测量确认字符/否认字符帧得到用户的接收信号强度指示信息。假定在LTE-TDD系统中，信道是对称的，则该测量得到的用户的接收信号强度指示信息还可以用于下行信道，用于选择下一时隙向发送站发送数据包的发送速率。

步骤S3：根据反馈的确认字符/否认字符信息，更新上一时刻的接收信号强度指示信息与发送速率的关系。

在时变信道中，接收信号强度指示信息与发送速率的关系也是时刻变化的。由于上一时刻的接收信号强度指示信息下，采用速率R_k向用户发送的数据包的传输情况会在当前时刻反确认字符/否认字符帧。使用确认字符/否认字符帧解调出的数据包是否传输成功的信息(确认字符/否认字符信息)更新上一时刻的接收信号强度指示信息与上一时刻的接收信号强度指示信息所采用速率R_k之间的关系。即这个速率R_k的最新回报。因此，基站需要根据用户反馈的确认字符/否认字符信息，及时更新上一时刻的接收信号强度指示信息与发送速率的关系，以便于基于最新的接收信号强度指示信息与发送速率的关系，选择下一时隙向发送站发送数据包的发送速率。

更新上一时刻的接收信号强度指示信息与发送速率的关系的过程包括如下子步骤：

步骤S31：根据反馈的确认字符/否认字符信息，得到所选择的发送速率的回报。

将本发明所提供的速率自适应选择方法建模成多臂赌博机(Multi-armedBandit，MAB)，可选择的发送速率就是行为，信道是所处的环境，根据用户每次向基站反馈的确认字符/否认字符信息，得到所选择的发送速率的回报，该发送速率的回报根据如下公式计算得到。

其中，r_t,k表示t时刻对所选择的发送速率R_k的数据包的传输情况的评估，称为发送速率R_k的回报；ACK_t表示t时刻发送站接收到接收站反馈的确认字符/否认字符信息信息，如果发送站接收到用户反馈的确认字符信息，则ACK_t＝1，否则为0；R_k表示t-4时刻所选择的向接收站发送数据包的发送速率的数值；R_K表示发送站可选择速率集合中最大速率的数值，即发送站所能支持发送的最大速率的数值。

步骤S32：根据所选择的发送速率的回报，对每个所选择的发送速率进行更新，以使得更新上一时刻接收信号强度指示信息与发送速率的关系。

对于从速率集合

中所选择的发送速率进行更新的过程，包括如下子步骤：

步骤S321：根据所选择的发送速率的回报，计算每个所选择的发送速率估计的回报；

根据所选择的发送速率的回报，利用如下公式得到每个时刻所选择的发送速率估计的回报。

其中，在公式(2)中，

表示t′时刻的发送速率R_k估计的回报。t′时刻一般指的是当前时刻。N_t′,k表示带折扣项的发送速率R_k选择的次数。γ^t′-t表示计算当前时刻的发送速率R_k估计的回报时，对发送速率R_k的回报的一个与时间相关的折扣权重，代表着更新回报的时候更注重邻近时刻的表现；

表示如果t′＝t-4时刻选择的发送速率R_k，此项为1，否则为0。

当信道变化快的时候，γ值应该取小一些；当信道变化慢的时候，γ值应该取大一些。具体的说，γ可以参照下面的公式进行选择：

其中，B表示所选择的发送速率R_k的回报的范围；Υ_T表示发送站向接收站发送数据包的某一时间段T内信道变化的次数。

步骤S322：对每个所选择的发送速率估计的回报进行补偿，得到每个所选择的发送速率的精准的估计回报。

针对于时变信道，在考虑带折扣的估计回报之外，还额外增加了偏置项c_t′,k，用于补偿发送速率R_k估计的回报值。该c_t′,k表示为：

其中，B表示所选择的发送速率R_k的回报的范围；ξ表示可调参数，用于根据信道变化的剧烈程度调节偏置项的大小，使得对选择的发送速率R_k的更新适应信道的变化。

表示对所有的带折扣项的发送速率R_k选择的次数进行相加。

根据如下公式，对每个所选择的发送速率估计的回报进行补偿，得到每个所选择的发送速率的精准的估计回报。

因此，根据公式(6)可以得到当前时刻时所有已经选择的发送速率的精准的估计回报，实现更新接收信号强度指示信息与发送速率的关系。

步骤S4：根据测量得到的接收信号强度指示信息，确定该接收信号强度指示信息与发送速率的关系，并从中选择下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。

根据采用步骤S2的方法在当前时刻的测量得到的接收信号强度指示信息，确定从哪个更新后的信号强度指示信息与发送速率的关系中选择向用户发送的数据包的发送速率。由于步骤S2中测量得到的接收信号强度指示信息为当前时刻的接收信号强度指示信息，根据当前时刻的接收信号强度指示信息下每个发送速率的最新估计的回报加上偏置项得到的每个发送速率的精准的估计回报，从中选择最大精准的估计回报对应的速率作为下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。即根据如下公式，从当前时刻的接收信号强度指示信息对应的速率集合中，选择发送速率的最新估计的回报加上偏置项得到的发送速率的精准的估计回报最大的作为下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。

本发明所提供的速率自适应选择方法达到最优的策略，即每个时刻都能选取最优的速率。如图3所示，使用累积损失(regret)衡量算法得到的累积回报与本发明所提供的速率自适应选择方法得到的累积回报之间的差距。不难发现，本发明所提供的速率自适应选择方法在不同信道均等取得接近最优的速率。

本发明所提供的速率自适应选择方法还可以拓展至多输入多输出MIMO场景、有线信道传输场景中，发送站可以自适应的调整发送速率。

本发明所提供的速率自适应选择方法，同时采用了物理层的接收信号强度指示信息以及媒体接入控制层的确认字符/否认字符信息。利用媒体接入控制层的确认字符/否认字符信息不仅判断用户是否收到基站发送的数据包，还用于更新接收信号强度指示信息与发送速率的关系，并通过测量得到的物理层的接收信号强度指示信息，更快地找到下一时隙向发送站发送数据包的最优发送速率。另外，本速率自适应选择方法中将确认字符/否认字符信息考虑成一种有延迟的信道反馈，更符合真实信道情况。

以上对本发明所提供的速率自适应选择方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明技术实质的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (9)

1.一种针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1：根据初始的信道交互信息选择合适的发送速率向接收站开始发送数据包；

步骤S2：接收所述接收站反馈的确认字符/否认字符信息，并测量得到接收信号强度指示信息；

步骤S3：根据所述反馈的确认字符/否认字符信息，更新上一时刻所述接收信号强度指示信息与所述发送速率的关系；

步骤S4：根据测量得到的接收信号强度指示信息，确定接收信号强度指示信息与发送速率的关系，并从中选择下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。

2.如权利要求1所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于步骤S3包括如下子步骤：

步骤S31：根据所述反馈的确认字符/否认字符信息，得到所选择的发送速率的回报；

步骤S32：根据所述所选择的发送速率的回报，对每个所选择的发送速率进行更新，以使得更新上一时刻的所述接收信号强度指示信息与所述发送速率的关系。

3.如权利要求2所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

根据所述反馈的确认字符/否认字符信息，采用如下公式得到所选择的发送速率的回报；

其中，r_t，k表示t时刻对所选择的发送速率R_k的数据包的传输情况的评估；ACK_t表示t时刻发送站接收到接收站反馈的确认字符/否认字符信息；R_k表示t-4时刻所选择的向接收站发送数据包的发送速率的数值；R_K表示发送站可选择速率集合中最大速率的数值。

4.如权利要求2所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

对每个所选择的发送速率进行更新，采用如下子步骤：

步骤S321：根据所述所选择的发送速率的回报，计算每个所述所选择的发送速率估计的回报；

步骤S322：对每个所述所选择的发送速率估计的回报进行补偿，得到每个所述所选择的发送速率的精准的估计回报。

5.如权利要求4所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

根据所述所选择的发送速率的回报，采用如下公式得到每个时刻所选择的发送速率估计的回报；

其中，

表示t′时刻的发送速率Rk估计的回报；N_t′，k表示带折扣项的发送速率R_k选择的次数；γ^t′-t表示计算当前时刻的发送速率R_k估计的回报时，对发送速率R_k的回报的一个与时间相关的折扣权重；

表示如果t′＝t-4时刻选择的发送速率R_k，此项为1，否则为0。

6.如权利要求5所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

根据信道变化的速度，根据如下公式选择γ的数值；

其中，B表示所选择的发送速率R_k的回报的范围；γ_T表示发送站向接收站发送数据包的某一时间段T内信道变化的次数。

7.如权利要求4所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

根据如下公式，对每个所述所选择的发送速率估计的回报进行补偿，得到每个所述所选择的发送速率的精准的估计回报；

其中，

表示t′时刻的发送速率R_k估计的回报；c_t′，k表示用于补偿发送速率R_k估计的回报值。

8.如权利要求7所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

用于补偿发送速率R_k估计的回报值的c_t′，k表示为：

其中，B表示所选择的发送速率R_k的回报的范围；ξ表示可调参数，用于根据信道变化的剧烈程度调节偏置项的大小，使得对选择的发送速率R_k的更新适应信道的变化；n_t′表示对所有的带折扣项的发送速率R_k选择的次数进行相加。

9.如权利要求1所述的针对时变信道的速率自适应选择方法，其特征在于：

根据确定的所述接收信号强度指示信息与发送速率的关系，从所述接收信号强度指示信息下每个发送速率的最新估计的回报加上偏置项得到的每个发送速率的精准的估计回报中，选择最大精准的估计回报对应的速率作为下一时隙向接收站发送数据包的发送速率。

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