一种无线通信速率自适应控制方法及装置与流程

本发明属于车载无线通信领域，更具体的涉及一种无线通信速率自适应控制方法及装置。

背景技术：

车联网是汽车移动物联网，其作为物联网技术在交通系统领域的典型应用，得到了政府在资金、政策等方面的大力支持，在近些年取得了飞跃式的发展，与此同时，对车联网网络的传输速率和稳定性的要求也越来越高。

目前，车联网中广泛应用的vanet(英文为：vehicularad-hocnetwork，车辆自组织网络)是一种自组织、结构开放的车辆间通信网络，可以适应不断变化的网络拓扑结构，从而为道路车辆之间、车辆与路边固定接入点之间提供通信。但在具体的车联网应用中，由于vanet无线信道质量不稳定，受环境影响较大，使用广播和组播较多等原因使得网络阻塞严重，丢包率高且吞吐量小，从而导致车载无线通信的质量和稳定性不高，通信效率低等问题。

综上所述，现有技术中，因为vanet无线信道质量不稳定，导致车载无线通信的质量和稳定性不高，存在通信效率低的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种无线通信速率自适应控制方法及装置，用以解决车载无线通信的质量和稳定性不高，存在通信效率低的问题。

本发明实施例提供一种无线通信速率自适应控制方法，包括：

在设定时间内根据目标节点丢失的数据包数量和传输的总数据包数量，确定设定时间内的丢包率；

当所述丢包率大于设定阈值时，根据所述目标节点所在通信环境，确定与所述目标节点进行通信的通信节点之间的通信节点距离；根据单位时间内所述目标节点接收到的干扰数据包的数量，确定实时通信密度；

根据所述通信密度和所述通信节点距离，通过通信环境与通信参数表确定第一信道速率和第一信息发送速率；

根据所述第一信道速率和所述第一信息发送速率对所述目标节点所在通信环境进行优化。

优选地，所述根据所述第一信道速率和所述第一信息发送速率对所述目标节点所在通信环境进行优化，包括：

将所述第一信道速率添加到mac包头，以使所述目标节点在下一个周期传输时采用所述第一信道速率；

将所述第一信息发送率发送至应用层，以使所述应用层根据所述第一信息发送率调整所述目标节点的发送周期。

优选地，所述丢包率通过下列公式确定：

其中，loss_rate为丢包率，packetlost为单位时间内丢失的数据包数量，packetsent为单位时间内传输的总数据包数量。

优选地，所述实时通信密度通过下列公式确定：

其中，c_d为通信密度；n为一个时间间隔内接收到的所有干扰数据包的数量，packet_size为数据包的大小，以字节为单位，t为一个时间间隔，单位为秒。

优选地，所述通过通信环境与通信参数表确定信道速率和信息发送速率之前，还包括：

预设多组第二信道速率和多组第二信息发送率，将每个所述第二信道速率对应多组所述第二信息发送率确定的多组丢包率和吞吐量确定为所述通信环境与通信参数表。

本发明实施例还提供一种无线通信速率自适应控制装置，包括：

第一确定单元，用于在设定时间内根据目标节点丢失的数据包数量和传输的总数据包数量，确定设定时间内的丢包率；

第二确定单元，用于当所述丢包率大于设定阈值时，根据所述目标节点所在通信环境，确定与所述目标节点进行通信的通信节点之间的通信节点距离；根据单位时间内所述目标节点接收到的干扰数据包的数量，确定实时通信密度；

优化单元，用于根据所述通信密度和所述通信节点距离，通过通信环境与通信参数表确定第一信道速率和第一信息发送速率；根据所述第一信道速率和所述第一信息发送速率对所述目标节点所在通信环境进行优化。

优选地，所述优化单元具体用于：

将所述第一信道速率添加到mac包头，以使所述目标节点在下一个周期传输时采用所述第一信道速率；

将所述第一信息发送率发送至应用层，以使所述应用层根据所述第一信息发送率调整所述目标节点的发送周期。

优选地，所述丢包率通过下列公式确定：

其中，loss_rate为丢包率，packetlost为单位时间内丢失的数据包数量，packetsent为单位时间内传输的总数据包数量。

优选地，所述实时通信密度通过下列公式确定：

其中，c_d为通信密度；n为一个时间间隔内接收到的所有干扰数据包的数量，packet_size为数据包的大小，以字节为单位，t为一个时间间隔，单位为秒。

优选地，所述优化单元还用于：

预设多组第二信道速率和多组第二信息发送率，将每个所述第二信道速率对应多组所述第二信息发送率确定的多组丢包率和吞吐量确定为所述通信环境与通信参数表。

本发明实施例提供了一种无线通信速率自适应控制方法及装置，该方法在设定时间内根据目标节点丢失的数据包数量和传输的总数据包数量，确定设定时间内的丢包率；当所述丢包率大于设定阈值时，根据所述目标节点所在通信环境，确定与所述目标节点进行通信的通信节点之间的通信节点距离；根据单位时间内所述目标节点接收到的干扰数据包的数量，确定实时通信密度；根据所述通信密度和所述通信节点距离，通过通信环境与通信参数表确定第一信道速率和第一信息发送速率；根据所述第一信道速率和所述第一信息发送速率对所述目标节点所在通信环境进行优化。该方法通过对通信节点距离和通信密度的确定，进一步地根据查询通信环境与通信参数表，确定当前通信环境下新的第一信息发送率和第一信道速率，然后将确定的第一信息发送率和第一信道速率注入并参与下一个周期的通信，从而可以在保证较低丢包率的情况下，系统的吞吐量达到最大，减小消息碰撞和网络抖动率，实现一种稳定、可靠的通信方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种无线通信速率自适应控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例一提供的无线通信速率自适应控制方法流程示意图；

图3为本发明实施例一提供的通信网络拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的三节点通信网络拓扑结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种无线通信速率自适应控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种无线通信速率自适应控制方法流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101，在设定时间内根据目标节点丢失的数据包数量和传输的总数据包数量，确定设定时间内的丢包率；

步骤102，当所述丢包率大于设定阈值时，根据所述目标节点所在通信环境，确定与所述目标节点进行通信的通信节点之间的通信节点距离；根据单位时间内所述目标节点接收到的干扰数据包的数量，确定实时通信密度；

步骤103，根据所述通信密度和所述通信节点距离，通过通信环境与通信参数表确定第一信道速率和第一信息发送速率；根据所述第一信道速率和所述第一信息发送速率对所述目标节点所在通信环境进行优化。

本发明实施例提供的无线通信速率自适应控制方法，主要包括有网络性能评估，环境因子采集，环境因子量化，通信速率选择，参数更新与数据发送等。

在步骤101中，主要执行的是网络性能评估，在实际应用中，网络性能评估主要包括估算网络的平均丢包率，具体地，丢包率指的是在单位时间内丢失的数据包与发送的总数据包的比率，具体地可以采用如下公式(1)表示：

在公式(1)中，loss_rate为丢包率，packetlost为单位时间内丢失的数据包数量，packetsent为单位时间内发送的总数据包数量。

在本发明实施例中，在设定的时间通过公式(1)确定目标节点的丢包率，其中，目标节点为发送数据包的节点，在设定的时间内根据目标节点丢失的数据包数量和传输的总的数据包数量，从而可以确定目标节点的丢包率。

进一步地，当确定目标节点的丢包率大于设定阈值时，可以执行步骤102。

在步骤102中，需要先设定丢包率的阈值，即根据设定的阈值来确定目标节点的丢包率是否符合规定。在本发明实施例中，将阈值设定为10％，可以理解为，当目标节点的丢包率大于10％时，则可以确定目标节点的丢包率比较大，当前的数据包传输不符合规定，相应地，当目标节点的丢包率小于10％时，则可以确定当前的数据包传输符合规定。

需要说明的是，本发明实施例中设定的阈值还可以为8％，可以为15％，本发明实施例中对阈值的具体数值不做规定。

进一步地，当确定目标节点的丢包率大于阈值时，需要进一步地的确定外部通信环境因子。具体地，外部通信环境因子主要包括有通信节点距离和通信密度。在实际应用中，通信节点距离指的是两个或多个节点之间的物理距离，该距离可以直接通过位置信息获得；通信密度是指在一定的通信范围内，通信节点在单位时间内收到的来自所有干扰节点发送信息速率的干扰总和。

在本发明实施例中，通信节点距离是根据与目标节点进行通信的通信节点之间的距离来确定的。

在本发明实施例中，通信密度的采集是当目标节点的丢包率大于10％时，mac层启动计数函数，开始检测统计目标节点在单位时间内接收到的干扰包个数n，并根据公式(2)计算得出通信密度。公式(2)如下所示：

公式(2)中，c_d为通信密度；n为一个时间间隔内接收到的所有干扰数据包的数量，packet_size为数据包的大小，以字节为单位，t为一个时间间隔，单位为秒。

在步骤103中，当确定了通信节点距离和通信密度之后，需要通过查询通信环境与通信参数表来确定第一信道速率和第一信息发送速率。

需要说明的是，通信环境与通信参数表是在确定了通信节点距离，通行密度之后，通过预设一组第二信道速率和一组第二信息发送速率之后，根据通信节点距离，通行密度以及每组第二信道速率对应多组第二信息发送速率的情况下，确定每组第二信道速率下包括的多个丢包率和多个吞吐量，并将一组第二信道速率对应的多组第二信息发送速率，多组丢包率和多组吞吐量确定一个表格，依次类推，可以建立多个表格，且每个表格包括一个第二信道速率，多组第二信息发送速率，多组丢包率和多组吞吐量。在本发明实施例中，将根据上述方法建立的多个表格确定为通信环境与通信参数表。

当通过查询通信环境与通信参数表确定的第一信道速率和第一信息发送速率之后，可以将确定第一信道速率和第一信息发送速率更新注入新的周期，即将第一信道速率添加到mac包头，以使目标节点在下一个周期传输时采用第一信道速率；进一步地，将第一信息发送率发送至应用层，以使应用层根据第一信息发送率调整目标节点的发送周期。当新的周期注入了第一信道速率和第一信息发送速率之后，可以重复执行上述步骤101的过程，若在步骤102中确定的目标节点的丢包率不大于设定阈值，则可以按照该周期注入的第一信道速率和第一信息发送速率执行数据包传输。若在步骤102中确定目标节点的丢包率大于设定阈值，则可以继续执行步骤103，将重新确定的新的第一信道速率和第一信息发送速率注入到下一个周期。

本发明实施例提供的一种无线通信速率自适应控制方法，在车载通信网络体系结构基础上，通过在一个周期内对通信环境中的通信节点距离和通信密度进行量化，相对应地针对ieee802.11p协议中信道速率和信息发送速率的双速率进行了选择优化，随着通信距离的增大，通过选择对应的信道速率，降低了信噪比阀值，解决了因为距离增大而引起的信号衰减等原因导致的丢包率上升和吞吐量下降的问题；当通信密度增大时，通过减小信息发送速率的设定值，即通过增大数据发送的时隙，降低冲突拥塞，来改善丢包率。进而得出了通信节点距离、通信密度与信道速率、信息发送速率之间的关系，在获取对应的信道速率和信息发送速率后，将双速率注入参与下一周期通信，可以在保证较低丢包率的情况下，系统吞吐量达到最大，减小网络抖动率，实现一种稳定、可靠的通信方式。

为了能够更清楚的介绍本发明实施例提供的一种无线通信速率自适应控制方法，以下结合图2～图4为例，介绍无线通信速率自适应控制方法。

图2为本发明实施例一提供的无线通信速率自适应控制方法流程示意图，图3为本发明实施例一提供的通信网络拓扑结构示意图，图4为本发明实施例一提供的三节点通信网络拓扑结构示意图。

在执行图2所示的步骤之前，需要先对图3进行说明，图3中使用11节点进行通信，各个节点信道速率均为6mbps，节点1为目标节点，节点2、3、4、5、6、7、8、9、10、11号充当干扰节点，9个节点与节点1的距离均为50米，发送信息速率总和设定为2.8mb/s，选取节点1作为抽样对象，发送速率设置为1.3mb/s，设定周期t为0.1s，并测得对应速率下的丢包率。

步骤201，在首次通信时按照初始信道速率和信息发送速率设定值发送数据，按照公式(1)测得节点1的丢包率为8％，即节点1的丢包率不大于设定阈值，继而可以确定节点1能够保证通信效果，所以并不需要对信道速率和信息发送速率进行调整，而是继续完成该周期内的通信，直至开始下一个周期通信。

下一个周期之后将各节点信道速率设置为12mbps，干扰速率设置为4mb/s，此时测得节点1的丢包率为22％，即节点1的丢包率大于设定阈值，则需要进入下一步环境因子采集、量化。

步骤202，先通过应用层确定通信节点距离，具体地，利用北斗系统获取位置信息，而后计算出节点之间的通信节点距离。

再者，系统在mac层启用count函数对收到的干扰包进行不间断计数统计，得到所有干扰包个数n，packet_size大小为500bytes，t为0.1s，并根据公式(2)计算得出通信密度。

步骤203，设定三个节点网络拓扑结构如图4所示，三个节点同向运动速率分别为10米/秒、11米/秒、12米/秒。其中节点3充当干扰节点，节点1和节点2相互通信，干扰节点与2个通信节点距离相等，通信密度设定为3～4mbps，通信距离设定50米以内，第二信道速率(date_rate)设置为3mbps、6mbps、12mbps、24mbps，第二信息发送速率(message_rate)设置为1.3mb/s、1.4mb/s、1.5mb/s、1.55mb/s、1.6mb/s、1.65mb/s、1.7mb/s，节点1作为目标节点。

经过超过28次实验后计算得出目标节点的丢包率和吞吐量如表1所示，表1中黑底白色数字部分就是通信密度为3～4mbps，通信距离为50米范围内的最优速率，所对应的双速率date_rate为12mbps，message_rate为1.65mb/s，此时吞吐量为该测试条件下的最大值，且lost_rate为0.084462，在规定丢包率10％的范围内。由此便得到了通信密度为4mbps，通信距离为50米的通信环境下最优参数。

表1设定通信环境下最优通信参数选择表

根据不同场景设置的通信环境，按照实际通信需求，统计并计算符合既定丢包率和最大吞吐量情况下，通信密度为0～10mbps之间，通信距离为0～1000米范围内的所对应的信道速率和信息发送速率值，即“通信环境与通信参数对应表”。在计算出通信密度和通信节点距离之后，通过查询“通信环境与通信参数对应表”，获取对应的第一信道速率和第一信息发送速率值。

步骤204，经过查表得出第一信道速率和第一信息发送速率值后，将第一信道速率添加到mac包头，参与下一个周期信号处理，将第一信息发送速率返回到应用层，对发送时隙进行优化。

步骤205，经过重新设定第一信道速率和第一信息发送速率后的通信网络，继续完成周期内的通信，并检测该周期内的丢包率，与预置的丢包率对比，如果丢包率大于10％，则计算当前情况下通信距离和通信密度，选择更新信道速率和信息发送速率；若是丢包率小于10％，则继续完成该周期内的通信，直至开始下一个周期。

综上所述，本发明实施例提供了一种无线通信速率自适应控制方法，该方法通过对通信节点距离和通信密度的确定，进一步地根据查询通信环境与通信参数表，确定当前通信环境下新的第一信息发送率和第一信道速率，然后将确定的第一信息发送率和第一信道速率注入并参与下一个周期的通信，从而可以在保证较低丢包率的情况下，系统的吞吐量达到最大，减小消息碰撞和网络抖动率，实现一种稳定、可靠的通信方式。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种无线通信速率自适应控制装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种无线通信速率自适应控制方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图5为本发明实施例提供的一种无线通信速率自适应控制装置结构示意图，如图5所示，该装置包括第一确定单元501，第二确定单元502和优化单元503。

第一确定单元501，用于在设定时间内根据目标节点丢失的数据包数量和传输的总数据包数量，确定设定时间内的丢包率；

第二确定单元502，用于当所述丢包率大于设定阈值时，根据所述目标节点所在通信环境，确定与所述目标节点进行通信的通信节点之间的通信节点距离；根据单位时间内所述目标节点接收到的干扰数据包的数量，确定实时通信密度；

优化单元503，用于根据所述通信密度和所述通信节点距离，通过通信环境与通信参数表确定第一信道速率和第一信息发送速率；根据所述第一信道速率和所述第一信息发送速率对所述目标节点所在通信环境进行优化。

优选地，所述优化单元503具体用于：

将所述第一信道速率添加到mac包头，以使所述目标节点在下一个周期传输时采用所述第一信道速率；

将所述第一信息发送率发送至应用层，以使所述应用层根据所述第一信息发送率调整所述目标节点的发送周期。

优选地，所述丢包率通过下列公式确定：

其中，loss_rate为丢包率，packetlost为单位时间内丢失的数据包数量，packetsent为单位时间内传输的总数据包数量。

优选地，所述实时通信密度通过下列公式确定：

其中，c_d为通信密度；n为一个时间间隔内接收到的所有干扰数据包的数量，packet_size为数据包的大小，以字节为单位，t为一个时间间隔，单位为秒。

优选地，所述优化单元503还用于：

预设多组第二信道速率和多组第二信息发送率，将每个所述第二信道速率对应多组所述第二信息发送率确定的多组丢包率和吞吐量确定为所述通信环境与通信参数表。

应当理解，以上一种无线通信速率自适应控制装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种无线通信速率自适应控制装置所实现的功能与上述实施例提供的一种无线通信速率自适应控制方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。