CN112714469B - 基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据传输领域，具体基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统及方法，包括拥塞检测模块、功率传输系统模块和速率自适应控制模块，包括如下步骤：S1、构建拥塞检测函数ρ，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；S2、计算功率传输系数α；S3、获取发射端的初始速率V₀，实时调整控制发射端数据的发送速率V_c；在大数据量传输的情况下，可有效缓解无线网络拥塞情况，提高网络吞吐量和数据传输效率。

Description

基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无线数据传输领域，具体是指基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统及方法。

背景技术

军用无人机在进行远距离飞行的同时，一般需执行如红外探测、侦察、电磁干扰、武器打击等多种任务，无人机会向地面指控中心发送大量的高速的高清的视频图像等任务数据，再加上无人机本身的遥控遥测及飞控数据信息，在下行方向上需进行传输的有效数据载荷总量极大。当多架无人机形成战术组网时，每架无人机会执行不同的战时任务，除了需要与地面指控中心完成实时数据交互外，无人机相互之间也需要进行数据的实时传输，这就导致在下行方向的数据载荷传输需求更是呈现几何式的增长，大数据量的数据实时传输已经成为无人机执行飞行任务时的首要因素，通常情况下，军用无人机都会装备如UHF/L/C波段的数据链路端机，有时根据需要甚至会装配Ka、Ku等波段的卫通链路端机进行数据的实时传输。

数据载荷在空中传输主要是以无线电波的形式完成，其传输的效率受发射功率、频谱带宽、传输距离、信号干扰等多重因素的制约，无线信号在传输的过程中会不可避免的出现信号的衰减，在特定的网络带宽容量的限制下，无线信道在同一时刻能传输的数据总量不能超过一定的限量，而无线电的信号强度随着发射电台和接收天线之间的距离成反比例变化，再加上容易受到各种噪声、干扰的远近效应等影响，数据传输链路经常会出现数据溢满、网络吞吐量下降等现象，造成数据传输延时和无线传输网络拥塞，最终导致大量数据丢包和极差的数据实时性能。

目前，针对空口的数据传输，通常采用(1)具有更大网络传输带宽的载频频率，提高频谱带宽，(2)采用更先进的信号调制解调技术提高信号数据传输效率，(3)增加发射机的发射功率、天线增益等，(4)增大数据缓冲区容量，提高数据发送速率，(5)采用数据重传机制，减少由于干扰、噪声等影响造成的数据丢包或传输错误；上述方法可以获得更高的频谱带宽和数据传输效率，但相应的频谱资源和硬件设备均需要进行升级支持，成本和周期都不低，机载设备的体积、重量、功耗等都会出现相应的增加；当出现数据溢满、无线传输网络拥塞的情况时，传统的数据通信协议中的重传机制无法起到任何正面的作用，数据的重传反而会加重网络的负担，导致更大的数据传输时延以及更多的数据丢包，造成更大面积的网络拥塞，甚至会导致整个链路系统的崩溃。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统及方法，在大数据量传输的情况下，可有效缓解无线网络拥塞情况，提高网络吞吐量和数据传输效率。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统，包括

拥塞检测模块，获取发射端数据队列空间总长度、前一时刻发射端数据队列长度以及当前时刻发射端数据队列长度，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；

功率传输系统模块，初始化当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗，获取当前数据发射端发射功率和数据在发射端的初始能量，计算接收端的实时接收功率、发射端的最小发射功率以及数据在发射端的实时能量，并输出功率传输系数；

速率自适应控制模块，获取发射端的初始速率，根据拥塞检测模块和功率传输系统模块的输出结果，实时调整控制发射端数据的发送速率。

基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，采用基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统，包括如下步骤：

S1、构建拥塞检测函数ρ，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；

S2、计算功率传输系数α；

S3、获取发射端的初始速率V₀，实时调整控制发射端数据的发送速率V_c。

进一步，所述步骤S1中判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况具体包括：

S11、获取发射端数据队列空间总长度、前一时刻发射端数据队列长度以及当前时刻发射端数据队列长度；

S12、根据拥塞检测函数的结果判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况。进一步，所述拥塞检测函数的公式为：

ρ＝[k×l_b+(1-k)×l_c]/L；

其中，ρ表示拥塞检测函数，其结果表示当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况，L表示发射端数据队列空间总长度，l_b表示前一时刻发射端数据队列长度，l_c表示当前时刻发射端数据队列长度，k是一个取值在0～1之间的拥塞等效系数。

进一步，所述步骤S2中计算功率传输系数具体包括：

S21、初始化当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗，获取当前数据发射端发射功率和数据在发射端的初始能量，计算接收端的接收功率；

S22、对接收端的接收功率进行修正得到接收端的实时接收功率；

S23、计算发射端的最小发射功率和数据在发射端的实时能量；

S24、输出功率传输系数。

进一步，接收端的接收功率的公式为：

P₀＝P_t×G_t×G_r×λ²/((4π)²×d²×δ)；

其中，P₀表示接收端的接收功率，P_t表示当前数据发射端发射功率，λ表示传输载波的波长，d表示发射端与接收端之间天线的距离，G_t表示发射端天线的增益，G_r表示接收端天线的增益，δ表示系统损耗；

对接收端的接收功率进行修正得到接收端的实时接收功率的公式为：

P_r＝P₀+A_m+H_b+H_m+K_t；

P_r表示接收端的实时接收功率，A_m表示基本损耗中值，H_m表示发射端天线高度因子，H_b表示接收端天线高度因子，K_t表示地形物修正因子，同时，P_r应满足：

P_r＝P_t×g≥R_thr；

其中，R_thr表示接收端的最小接收功率，g表示发射端与接收端之间最小信道增益：

计算发射端的最小发射功率为：

P_min＝R_thr/g；

计算数据在发射端的实时能量为：

E_r(n)＝E₀(n)-T×D×R_thr/g；

其中，E_r(n)表示t时刻第n个数据在发射端的实时能量，E₀(n)表示t时刻第n个数据在发射端的初始能量，T表示发射端发送单位数据所需要的时间，D表示发射端发送的数据量；

计算输出功率传输系数为：

α＝1-T×D×R_thr/(g×E₀(n))；

其中，α表示功率传输系数。

进一步，所述步骤S3中实时调整控制发射端数据的发送速率具体包括：

当0＜ρ≤0.4时，V_c＝(1+α)×V₀；

当0.4＜ρ≤0.6时，V_c＝(1+B×α)×V₀，其中，B表示预设的数据传输适配系数，且0＜B＜1；

当0.6＜ρ≤0.8时，V_c＝(1-B×α)×V₀；

当0.8＜ρ时，V_c＝(1-α)×V₀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.可依据无线传输网络的实时拥塞情况，对发射端数据的发送速率进行动态的自适应调整，控制单位时间内数据的传输数量；

2.可有效缓解无线网络拥塞情况，对发射端数据的发送速率进行自适应调整，提高网络吞吐量；

3.计算发射端的最小发射功率，使发射端发射功率尽可能的接近接收端的最小接收功率，从而有效降低网络节点能耗、提高无人机续航能力；

4.以软件实现，使用时只需将算法植入到MAC层通讯协议中，适用于TDMA、FDMA、CDMA等多种无线通讯协议，通用性强；

5.适用于现有所有频段的数据链系统，无需对数据链系统硬件进行升级或变动；

6.可根据网络环境差异，灵活配置适配参数及速率控制策略。

附图说明

图1为本实施例的流程图；

图2为仿真实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统，包括

拥塞检测模块，获取发射端数据队列空间总长度、前一时刻发射端数据队列长度以及当前时刻发射端数据队列长度，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；

功率传输系统模块，初始化当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗，获取当前数据发射端发射功率和数据在发射端的初始能量，计算接收端的实时接收功率、发射端的最小发射功率以及数据在发射端的实时能量，并输出功率传输系数；

速率自适应控制模块，获取发射端的初始速率，根据拥塞检测模块和功率传输系统模块的输出结果，实时调整控制发射端数据的发送速率。

如图1所示，基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，采用基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统，包括如下步骤：

S1、构建拥塞检测函数ρ，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；

数据发送时，拥塞检测模块在发送端的MAC层获取发射端数据队列空间总长度、前一时刻发射端数据队列长度以及当前时刻发射端数据队列长度，输入拥塞检测函数ρ，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况，拥塞检测函数的公式为：

ρ＝[k×l_b+(1-k)×l_c]/L；

其中，ρ表示拥塞检测函数，其结果表示当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况，L表示发射端数据队列空间总长度，l_b表示前一时刻发射端数据队列长度，l_c表示当前时刻发射端数据队列长度，k是一个取值在0～1之间的拥塞等效系数，表示l_b与l_c对ρ的影响程度；

当k＞0.5时，表示当前时刻发射端数据队列长度对ρ的影响小于前一时刻发射端数据队列长度对ρ的影响，反之，当k＜0.5时，表示当前时刻发射端数据队列长度对ρ的影响大于前一时刻发射端数据队列长度对ρ的影响。

S2、计算功率传输系数α；

在无线射频通信系统中，数据在自由空间进行传输时，接收端的接收功率与当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗有关，因此利用功率传输系统模块初始化当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗，从而计算接收端的接收功率，计算公式为：

P₀＝P_t×G_t×G_r×λ²/((4π)²×d²×δ)；

其中，P₀表示接收端的接收功率，P_t表示当前数据发射端发射功率，λ表示传输载波的波长，d表示发射端与接收端之间天线的距离，G_t表示发射端天线的增益，G_r表示接收端天线的增益，δ表示系统损耗。

由于无线网络环境中存在着各类干扰、噪声以及信号的远近效应、地形等因素的影响，发射端发射功率会受到一定程度的减弱，同时考虑到提高无人机的续航能力，尽可能的降低机载数据链端机数据发送时网络节点的能耗，减少数据的重传，减少无谓的功率消耗，在满足网络畅通的情况下，对接收端的接收功率进行修正得到接收端的实时接收功率，公式为：

P_r＝P₀+A_m+H_b+H_m+K_t；

P_r表示接收端的实时接收功率，A_m表示基本损耗中值，H_m表示发射端天线高度因子，H_b表示接收端天线高度因子，K_t表示地形物修正因子；

为了接收端能够有效的接收到发射端的数据信息，接收端的实时接收功率还应满足：

P_r＝P_t×g≥R_thr；

其中，R_thr表示接收端的最小接收功率，g表示发射端与接收端之间最小信道增益；

计算发射端的最小发射功率为：

P_min＝R_thr/g。

利用功率传输系统模块获取数据在发射端的初始能量，在t时刻第n个数据在发射端的实时能量为：

E_r(n)＝E₀(n)-T×D×R_thr/g；

其中，E_r(n)表示t时刻第n个数据在发射端的实时能量，E₀(n)表示t时刻第n个数据在发射端的初始能量，T表示发射端发送单位数据所需要的时间，D表示发射端发送的数据量；

计算输出功率传输系数为：

α＝1-T×D×R_thr/(g×E₀(n))；

其中，α表示功率传输系数

S3、获取发射端的初始速率V₀，实时调整控制发射端数据的发送速率V_c。

当0＜ρ≤0.4时，表明当前数据链路工作状态良好，信道资源充足，数据传输通畅，可以增大数据链路发射端数据的发送速率V_c，调整后的发射端数据的发送速率V_c＝(1+α)×V₀；

当0.4＜ρ≤0.6时，表明当前数据链路工作状态正常，信道资源充足，数据传输通畅，可以适当增大数据链路发射端数据的发送速率V_c，调整后的发射端数据的发送速率V_c＝(1+B×α)×V₀，其中，B表示预设的数据传输适配系数，且0＜B＜1；

当0.6＜ρ≤0.8时，表明当前数据链路工作状态正常，但信道资源可能出现少许不足或当前时刻发射端数据队列部分拥塞，可适当降低数据链路发射端数据的发送速率V_c，调整后的发射端数据的发送速率V_c＝(1-B×α)×V₀；

当0.8＜ρ时，表明当前数据链路工作状态异常，信道资源严重不足或当前时刻发射端数据队列出现严重拥塞，必须减小数据链路发射端数据的发送速率V_c，调整后的发射端数据的发送速率V_c＝(1-α)×V₀

进行仿真验证，仿真网络环境参数选择如下：

1)、数据链频段：UHF波段；

2)、传输带宽：60KHz；

3)、发射机工作频率：600MHz；

4)、发射机发射功率：5W；

5)、信号调制方式：BPSK；

6)、通信协议：TDMA协议；

7)、无人机飞行高度：3000m；

8)、无人机飞行距离：10Km。

仿真验证数据包发送周期设定为无人机数据链系统典型通讯周期10ms，数据包大小为1024bit，数据发送时长250s，选择采用基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法和不采用基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法进行仿真验证(其中，数据传输适配系数B设为典型值0.5)，将仿真结果进行对比，如图2所示；

图2中，Rate1曲线是采用TDMA协议进行仿真的结果，Rate2曲线是将基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法植入MAC层的TDMA协议进行仿真的结果；

通过对比可以看出：在数据发送初期，由于网络负荷较小，信号的符号间干扰较小，网络环境质量较高，两种情况下的网络吞吐量均呈现出较快的增长趋势，而由于基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法对发射端数据的发送速率分别进行了(1+α)×V₀、(1+0.5×α)×V₀的调整，数据吞吐量增长速率明显更快；70～90s之间，数据发送量达到峰值，网络出现部分拥塞，两种情况的网络吞吐量均出现下降，而由于基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法对发射端数据的发送速率进行了(1-0.5×α)×V₀的控制，发射端数据的发送速率降低，单位时间内发送的数据减少，吞吐量下降相对较缓；90s左右时，网络拥塞达到极限，两种情况的吞吐量均出现明显下降，基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法对发射端数据的发送速率进行了(1-α)×V₀的调节，吞吐量下降的幅度相对较低；之后，由于网络恢复，基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法重新对发射端数据的发送速率进行实时调整，最终调整为(1+α)×V₀，吞吐量明显恢复。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统，其特征在于：包括

拥塞检测模块，获取发射端数据队列空间总长度、前一时刻发射端数据队列长度以及当前时刻发射端数据队列长度，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；

功率传输系统模块，初始化当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗，获取当前数据发射端发射功率和数据在发射端的初始能量，计算接收端的实时接收功率、发射端的最小发射功率以及数据在发射端的实时能量，并输出发射端的功率传输系数；

速率自适应控制模块，获取发射端的初始速率，根据拥塞检测模块和功率传输系统模块的输出结果，实时调整控制发射端数据的发送速率；

具体地：计算输出发射端的功率传输系数为：

α＝E_r(n)/E₀(n)；

其中，α表示功率传输系数，E_r(n)表示t时刻第n个数据在发射端的实时能量，E₀(n)表示t时刻第n个数据在发射端的初始能量。

2.一种基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，应用于权利要求1所述的一种基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建拥塞检测函数ρ，判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况；

S2、计算功率传输系数α；

S3、获取发射端的初始速率V₀，实时调整控制发射端数据的发送速率V_c。

3.根据权利要求2所述的基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，其特征在于：所述步骤S1中判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况具体包括：

S11、获取发射端数据队列空间总长度、前一时刻发射端数据队列长度以及当前时刻发射端数据队列长度；

S12、根据拥塞检测函数的结果判断当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况。

4.根据权利要求3所述的基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，其特征在于：所述拥塞检测函数的公式为：

ρ＝[k×l_b+(1-k)×l_c]/L；

其中，ρ表示拥塞检测函数，其结果表示当前无线网络传输链路的资源占用及空闲对比情况，L表示发射端数据队列空间总长度，l_b表示前一时刻发射端数据队列长度，l_c表示当前时刻发射端数据队列长度，k是一个取值在0～1之间的拥塞等效系数。

5.根据权利要求2所述的基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，其特征在于：所述步骤S2中计算功率传输系数具体包括：

S21、初始化当前数据发射端发射功率、传输载波的波长、发射端与接收端之间天线的距离、发射端天线的增益、接收端天线的增益以及系统损耗，获取当前数据发射端发射功率和数据在发射端的初始能量，计算接收端的接收功率；

S22、对接收端的接收功率进行修正得到接收端的实时接收功率；

S23、计算发射端的最小发射功率和数据在发射端的实时能量；

S24、输出功率传输系数。

6.根据权利要求5所述的基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，其特征在于：接收端的接收功率的公式为：

P₀＝P_t×G_t×G_r×λ²/((4π)²×d²×δ)；

其中，P₀表示接收端的接收功率，P_t表示当前数据发射端发射功率，λ表示传输载波的波长，d表示发射端与接收端之间天线的距离，G_t表示发射端天线的增益，G_r表示接收端天线的增益，δ表示系统损耗；

对接收端的接收功率进行修正得到接收端的实时接收功率的公式为：

P_r＝P₀+A_m+H_b+H_m+K_t；

P_r表示接收端的实时接收功率，A_m表示基本损耗中值，H_m表示发射端天线高度因子，H_b表示接收端天线高度因子，K_t表示地形物修正因子，同时，P_r应满足：

P_r＝P_t×g≥R_thr；

其中，R_thr表示接收端的最小接收功率，g表示发射端与接收端之间最小信道增益：

计算发射端的最小发射功率为：

P_min＝R_thr/g；

计算数据在发射端的实时能量为：

E_r(n)＝E₀(n)-T×D×R_thr/g；

其中，E_r(n)表示t时刻第n个数据在发射端的实时能量，E₀(n)表示t时刻第n个数据在发射端的初始能量，T表示发射端发送单位数据所需要的时间，D表示发射端发送的数据量。

7.根据权利要求2所述的基于功率传输系数的数据传输速率自适应控制方法，其特征在于：所述步骤S3中实时调整控制发射端数据的发送速率具体包括：

当0＜ρ≤0.4时，V_c＝(1+α)×V₀；

当0.4＜ρ≤0.6时，V_c＝(1+B×α)×V₀，其中，B表示预设的数据传输适配系数，且0＜B＜1；

当0.6＜ρ≤0.8时，V_c＝(1-B×α)×V₀；

当0.8＜ρ时，V_c＝(1-α)×V₀。

Images