TWI384808B - 應用於通訊系統之傳輸速率調整方法 - Google Patents

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Description

應用於通訊系統之傳輸速率調整方法
本發明係關於一種通訊系統之應用，尤指一種通訊系統之傳輸速率調整方法。
一般通訊系統，尤其是無線通訊系統，其傳輸環境會受到各種外在因素(例如氣候、接收距離、行進速度和雜訊等)而不斷改變，因此通訊系統初始設定之傳輸速率未必符合之後的傳輸環境。若改變之後的傳輸環境可接受優於初始傳輸速率之傳輸速率，則該通訊系統便浪費了可供利用之傳輸資源。反之，若改變之後的傳輸環境無法接受優於初始傳輸速率之傳輸速率，則該通訊系統之傳輸通量(throughput)將大幅下降。因此，有必要針對不斷變化的傳輸環境適時調整通訊系統之傳輸速率。
習知的傳輸速率調整方法多半採用發送探測訊號或觀察固定時間之接收訊號品質以決定更新之傳輸速率。自動速率後退演算法(auto rate fallback，ARF)及改進式自動速率後退演算法(adaptive ARF，AARF)係發送探測封包(probe packet)已決定是否可達到更快的傳輸速率，或在發生連續傳輸失敗的情況下降低傳輸速率。取樣速率演算法(Sample Rate)係週期性的發送根據不同調變方法和傳輸速率的探測封包，並根據該等探測封包之接收狀態決定正常封包的傳輸速率。然而上述習知技術皆需發送額外的探測封包而降低傳輸通量，因此並不實用。
Onoe演算法、改進式多重速率重試(adaptive multi rate retry，AMRR)演算法、Madwifi演算法及健壯式速率調整演算法(robust rate adaptation algorithm，RRAA)係另一習知的傳輸速率調整方法。Onoe演算法在封包錯誤率低於10%的連續數次後增加傳輸速率，或於平均封包重試(retry)次數超過1時降低傳輸速率。改進式多重速率重試演算法及Madwifi演算法採用兩個封包接收成功率之臨界值以決定增加或降低傳輸速率。健壯式速率調整演算法係根據傳輸訊號之接收完成訊號(ACK)及封包接收成功率決定傳輸速率。然而上述習知技術皆需等待或統計一段時間的傳輸品質，例如Madwifi、AMRR和RRAA演算法需至少10個封包以上才能決定傳輸速率。因此，該等演算法的收斂速度過慢。
鑑於上述習知技術的缺點，有必要設計一種傳輸速率調整方法，其不僅不會降低傳輸通量，且可迅速收斂至最佳傳輸速率。
本發明之一實施例揭示應用於通訊系統之傳輸速率調整方法，其係於接收到一接收完成訊號或一接收失敗訊號時更新一傳輸訊號訊雜比之機率密度函數，並根據該機率密度函數更新該傳輸訊號之傳輸速率，故相較於習知技術能更準確、更快收斂且不影響傳輸通量。
本發明之一實施例之應用於通訊系統之傳輸速率調整方法包含下列步驟：根據一傳輸訊號之接收狀態及該傳輸訊 號之訊雜比之機率密度函數更新該機率密度函數；以及根據該更新之機率密度函數更新該傳輸訊號之傳輸速率。
本發明之另一實施例之應用於通訊系統之傳輸速率調整方法包含下列步驟：一初始步驟，用於設定一傳輸速率訊雜比之初始機率密度函數；一傳輸速率更新步驟，用於更新一傳輸速率；以及一機率密度函數更新步驟，用於更新該機率密度函數。
圖1顯示本發明之一實施例之通訊系統之傳輸速率調整方法。在步驟101，設定一傳輸訊號之訊雜比(signal to noise ratio，SNR)之初始機率密度函數(probability density function，PDF)，並進入步驟102。在步驟102，根據該機率密度函數，決定該傳輸訊號之傳輸速率，並進入步驟103。在步驟103，根據一傳輸訊號之接收完成訊號或接收失敗訊號(NACK)及該傳輸訊號之訊雜比之機率密度函數，更新該機率密度函數，並回到步驟102。
一通訊系統之傳輸訊號之訊雜比之機率密度函數可在已知接收訊號強度指示(received signal strength indication，RSSI)、已傳送封包之傳輸速率及對應之接收完成訊號或接收失敗訊號下，定義為：
其中MCS為傳輸速率，N為至目前為止已傳送之封包數。又，根據條件機率之公式： 將上述公式替換入該機率密度函數之公式，可得到下列公式：
其中p (SNR |RSSI )係在未知任何該傳輸訊號之接收完成訊號或接收失敗訊號及傳輸速率時，該傳輸訊號之訊雜比之機率密度函數，亦即該傳輸訊號之訊雜比之初始機率密度函數。p (ACK |MCS ,SNR )係在已知一傳輸速率下，對應不同之傳輸訊號訊雜比之接收到接收完成訊號之機率分布，並可由事先運算得知。p (ACK |MCS )係在已知一傳輸速率下，接收到接收完成訊號之機率，其亦可由事先運算得知。
復參圖1，在步驟101時，根據不同之RSSI設定一傳輸訊號之訊雜比之初始機率密度函數p (SNR |RSSI )。圖2例示兩個不同之初始機率密度函數。圖2A之傳輸訊號訊雜比之機率密度函數之平均值為24dB。圖2B之傳輸訊號訊雜比之機率密度函數之平均值為16dB。在步驟102時，根據該初始機率密度函數p (SNR |RSSI )，決定該傳輸訊號之傳輸速率MCS1 。在步驟103時，若收到該傳輸訊號之接收完成訊號，即將原機率密度函數p (SNR |RSSI )乘上p (ACK |MCS 1 ,SNR )並除以p (ACK |MCS 1 )以得到更新的機率密度函數。若在步驟103時收到一接收失敗訊號或於一特定時間內無任何接收訊號，即判斷為接收到一接收失敗訊號。此時即將原機率密度函數乘上p (NACK |MCS 1 ,SNR )，即1－p (ACK |MCS 1 ,SNR )，並除以p (NACK |MCS 1 )，即1－p (ACK |MCS 1 )，以得到更新的機率密度函數。待更新該傳輸訊號訊雜比之機率密度函數後，即根據該機率密度函數決定一新的傳輸速率，如步驟102所述。
圖3顯示對應不同傳輸速率下，p (ACK |MCS ,SNR )之機率分布。如圖3所示，在固定SNR情況下，傳輸速率較高的傳輸訊號，其接收到接收完成訊號之機率較低。圖4顯示對應不同傳輸速率下，p (NACK |MCS ,SNR )之機率分布。如圖4所示，p (NACK |MCS ,SNR )即為1－p (ACK |MCS ,SNR )。
圖5顯示根據本實施例之傳輸速率調整方法之模擬結果。由於該等機率p (ACK |MCS )及p (NACK |MCS )並非SNR之函數，故除以該等機率之步驟僅影響該機率密度函數p (SNR |RSSI ,ACKs ,MCSs )之值而並不影響其形狀。因此，在本實施例之模擬中即省略該除法之動作以節省運算量。圖5A~5D顯示更新至第2次、第3次、第10次及第20次之未經修正之機率密度函數，亦即該機率密度函數之形狀。如圖5所示，經過多次更新後，該機率密度函數之標準差逐漸縮小；且在形狀上顯示出越集中，代表該機率密度函數逐漸收斂。
由於本實施例之傳輸速率調整方法係利用所有先前之接收完成訊號，對比習知技術僅統計固定時間內之接收完成訊號，本實施例之傳輸速率調整方法之準確率較習知技術更高，且能提供較佳的傳輸速率。
圖6顯示步驟102中一種根據機率密度函數決定傳輸速率之方法。在步驟601，根據該更新之機率密度函數之最大 值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率，並進入步驟602。在步驟602，選取使該接收完成訊號之條件機率最接近0.5之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。該方法可由下列式子表示：，其中SNR可由下列式子表示：
換言之，本方法利用相似於訊息理論中之平均訊息量(entropy)之概念，選取能提供該通訊系統最多訊息的傳輸速率，以加速該機率密度函數之收斂速度。
圖7顯示步驟102中另一種根據機率密度函數決定傳輸速率之方法。在步驟701，根據該更新之機率密度函數之最大值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率，並進入步驟702。在步驟702，將各該接收完成訊號之條件機率和對應之傳輸速率相乘以得到各傳輸速率所對應之傳輸通量，並進入步驟703。在步驟703，選取最大之傳輸通量所對應之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。該方法可由下列式子表示：
換言之，本方法係於每一次的更新中選取能使該通訊系統達到最大傳輸通量之傳輸速率。
圖8顯示步驟102中另一種根據機率密度函數決定傳輸速率之方法。在步驟801，根據該更新之機率密度函數之平均值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件 機率，並進入步驟802。在步驟802，選取使該接收完成訊號之條件機率最接近0.5之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。該方法可由下列式子表示： 其中prob (ACK |MCS )可由下列式子表示：
本方法類似於圖6之方法，其亦選取能提供該通訊系統最多訊息的傳輸速率，以加速該機率密度函數之收斂速度。然而不同於圖6之方法，本方法並非取SNR之最大值，而是將SNR積分後取該條件機率prob (ACK |MCS )對SNR之平均值。
圖9顯示步驟102中另一種根據機率密度函數決定傳輸速率之方法。在步驟901，根據該更新之機率密度函數之平均值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率，並進入步驟902。在步驟902，將各該接收完成訊號之條件機率和對應之傳輸速率相乘以得到各傳輸速率所對應之傳輸通量，並進入步驟903。在步驟903，選取最大之傳輸通量所對應之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。該方法可由下列式子表示： 其中prob (ACK |MCS )可由下列式子表示：
本方法類似於圖7之方法，其係於每一次的更新中選取能使該通訊系統達到最大傳輸通量之傳輸速率。然而不同於 圖7之方法，本方法並非取SNR之最大值，而是將SNR積分後取該條件機率prob (ACK |MCS )對SNR之平均值。
圖10顯示步驟102中另一種根據機率密度函數決定傳輸速率之方法。在步驟1001，分別計算以不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率之平均訊息量之期望值，並進入步驟1002。在步驟1002，選取使該等平均訊息量之期望值最小之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。該方法可由下列式子表示：，其中E (entropy (MCS ))可由下列式子表示：E (entropy (MCS ))＝prob (ACK |MCS )×entropy (P (SNR |oldprobings ,newACK ,newMCS ))＋(1－prob (ACK |MCS ))×entropy (P (SNR |oldprobings ,newNACK ,newMCS ))，其中old probings為RSSI、MCSs和ACKs。
本方法係藉由選取平均訊息量期望值最小之傳輸速率，使得計算出之傳輸訊號訊雜比的機率密度函數最接近真實的傳輸訊號訊雜比的機率密度函數，因而達到加快收斂速度之目的。
綜上所述，本實施例之傳輸速率調整方法並無利用探測訊號，故不會降低傳輸通量。另一方面，本實施例之傳輸速率調整方法係於接收到一接收完成訊號或接收失敗訊號即更新傳輸速率，故其收斂速度較習知技術快。此外，本實施例之傳輸速率調整方法係根據所有的接收完成訊號或接收失敗訊號作調整，而非僅統計短期的接收完成訊號或接收失敗訊號，故不易受到暫時性傳輸環境波動的影響， 而能較習知技術更新至更適合的傳輸速率。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
101~103‧‧‧步驟
601~602‧‧‧步驟
701~103‧‧‧步驟
801~802‧‧‧步驟
901~903‧‧‧步驟
1001~1002‧‧‧步驟
圖1顯示本發明之一實施例之通訊系統之傳輸速率調整方法；圖2A、2B顯示本發明之一實施例之傳輸訊號之初始機率密度函數；圖3顯示本發明之一實施例中，對應不同傳輸速率且不同傳輸速率下，接收到接收完成訊號之條件機率分布；圖4顯示本發明之一實施例中，對應不同傳輸速率且不同傳輸速率下，接收到接收失敗訊號之條件機率分布；圖5A-5D顯示本發明之一實施例之傳輸速率調整方法之模擬結果；圖6顯示本發明之一實施例之根據機率密度函數決定傳輸速率之方法；圖7顯示本發明之另一實施例之根據機率密度函數決定傳輸速率之方法；圖8顯示本發明之另一實施例之根據機率密度函數決定傳輸速率之方法；圖9顯示本發明之另一實施例之根據機率密度函數決定 傳輸速率之方法；及圖10顯示本發明之另一實施例之根據機率密度函數決定傳輸速率之方法。
101~103‧‧‧步驟

Claims (19)

  1. 一種應用於通訊系統之傳輸速率調整方法，包含下列步驟：根據一傳輸訊號之接收狀態及該傳輸訊號之訊雜比之機率密度函數更新該機率密度函數；以及根據該更新之機率密度函數更新該傳輸訊號之傳輸速率；其中該機率密度函數之更新步驟係將更新前之機率密度函數乘上已知傳輸速率和傳輸速率訊雜比之情況下，接收到接收完成訊號之條件機率。
  2. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該傳輸訊號之接收狀態包含是否接收一接收完成訊號或接收失敗訊號。
  3. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該更新機率密度函數之步驟，係於接收一接收完成訊號或一接收失敗訊號時進行。
  4. 根據請求項2或3之傳輸速率調整方法，其中若一固定時間內無接收一接收完成訊號或接收失敗訊號，則視為接收到一接收失敗訊號。
  5. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該機率密度函數可為下列式子表示： ，其中SNR為傳輸訊號之訊雜比，RSSI為接收訊號強度指示，ACK為接收到之接收完成訊號，MCS為傳輸速率，而 N為更新次數。
  6. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該機率密度函數之更新步驟進一步包含將更新前之機率密度函數除以已知傳輸速率之情況下，接收到接收完成訊號之條件機率。
  7. 根據請求項6之傳輸速率調整方法，其中該機率密度函數之更新步驟可為下列式子表示： 其中SNR為傳輸訊號之訊雜比，RSSI為接收訊號強度指示，ACK為接收到之接收完成訊號，MCS為傳輸速率，而N為更新次數。
  8. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該更新傳輸速率之步驟，包含下列步驟：根據該更新之機率密度函數之最大值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率；以及選取使該接收完成訊號之條件機率最接近0.5之傳輸速率，用以作為該傳輸訊號之傳輸速率。
  9. 根據請求項8之傳輸速率調整方法，其中該更新之傳輸速率可為下列式子表示：，其中ACK為接收到之接收完成訊號，MCS為傳輸速率，SNR為傳輸訊號之訊雜比之最大值，並可由下列式子表示：
  10. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該更新傳輸速率 之步驟包含下列步驟：根據該更新之機率密度函數之最大值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率；將各該接收完成訊號之條件機率和對應之傳輸速率相乘以得到各傳輸速率所對應之傳輸通量；以及選取最大之傳輸通量所對應之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。
  11. 根據請求項10之傳輸速率調整方法，其中該更新之傳輸速率可為下列式子表示：，其中ACK為接收到之接收完成訊號，MCS為傳輸速率，SNR為傳輸訊號之訊雜比。
  12. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該更新傳輸速率之步驟包含下列步驟：根據該更新之機率密度函數之平均值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率；以及選取使該接收完成訊號之條件機率最接近0.5之傳輸速率，用以作為該傳輸訊號之傳輸速率。
  13. 根據請求項12之傳輸速率調整方法，其中該更新之傳輸速率可為下列式子表示：，其中ACK為接收到之接收完成訊號，MCS為傳輸速率，而prob (ACK |MCS )可由下列式子表示：prob (ACK |MCS )=ʃprob (ACK |MCS ,SNR )P (SNR |ACKs )dSNR ，其中SNR為傳輸訊號之訊雜比。
  14. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該更新傳輸速率之步驟包含下列步驟：根據該更新之機率密度函數之平均值，分別計算不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率；將各該接收完成訊號之條件機率和對應之傳輸速率相乘以得到各傳輸速率所對應之傳輸通量；以及選取最大之傳輸通量所對應之傳輸速率，用以作為該傳輸訊號之傳輸速率。
  15. 根據請求項14之傳輸速率調整方法，其中該更新之傳輸速率可為下列式子表示：，其中ACK為接收到之接收完成訊號，MCS為傳輸速率，而prob (ACK |MCS )可由下列式子表示：prob (ACK |MCS )=ʃprob (ACK |MCS ,SNR )P (SNR |ACKs )dSNR ，其中SNR為傳輸訊號之訊雜比。
  16. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其中該更新傳輸速率之步驟包含下列步驟：分別計算以不同傳輸速率接收到一接收完成訊號之條件機率之平均訊息量之期望值；以及選取使該等平均訊息量之期望值最小之傳輸速率以作為該傳輸訊號之傳輸速率。
  17. 根據請求項16之傳輸速率調整方法，其中該更新之傳輸 速率可為下列式子表示：，其中MCS為傳輸速率，而E (entropy (MCS ))可由下列式子表示：E (entropy (MCS ))=prob (ACK |MCS )×entropy (P (SNR |RSSI ,oldMCSs ,oldACKs ,newACK ,newMCS ))+(1-prob (ACK |MCS ))×entropy (P (SNR |oldMCS ,oldNACKs ,newNACK ,newMCS ))，其中ACK為接收到之接收完成訊號，NACK為接收到之接收失敗訊號，而SNR為傳輸訊號之訊雜比。
  18. 根據請求項1之傳輸速率調整方法，其進一步包含下列步驟：根據一接收訊號強度指示，設定傳輸速率訊雜比之初始機率密度函數。
  19. 一種應用於通訊系統之傳輸速率調整方法，包含下列步驟：一初始步驟，用於設定一傳輸速率訊雜比之初始機率密度函數；一傳輸速率更新步驟，用於更新一傳輸速率；以及一機率密度函數更新步驟，用於更新該機率密度函數；其中該機率密度函數之更新步驟係將更新前之機率密度函數乘上已知傳輸速率和傳輸速率訊雜比之情況下，接收到接收完成訊號之條件機率。
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