基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法

本发明涉及一种数据速率调整方法。特别是涉及一种能够用于无线网络的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法。

背景技术：

1、由于低功耗广域网技术具有广泛的无线覆盖范围、自由频段的使用和低能耗，低功耗广域网技术在物联网场景中发挥着重要作用。其中，远距离无线电广域网传输距离可达数公里，数据速率高达5.5kb/s，应用场景涵盖智能城市监测、精准农业、工业传感器通信、远程环境监测、基础设施监测和智能电网等各种物联网用例。远距离无线电广域网允许传感终端以低能耗方式将信息传输到距离几公里外的网关。

2、无线网络的自适应数据速率技术是一种动态调整终端数据速率和传输功率的解决方案，旨在提高网络容量并最大化终端电池寿命。通过估算链路预算，即终端设备和网关之间每个无线链路的收益和损失总和，自适应数据速率技术能够实现动态调整终端设备的传输速率和功率。当终端设备距离网关较远时，自适应数据速率技术会提高终端设备的传输功率，以保证数据传输的可靠性和稳定性。而当终端设备距离网关较近时，自适应数据速率技术会适当降低终端设备的传输功率，以降低能耗并实现电池寿命的延长。通过自适应数据速率技术的应用，无线网络能够更好地满足物联网应用的需求，提高网络的整体性能和可靠性，同时降低物联网终端的维护成本。自适应数据速率机制在无线网络终端和网络服务器上异步运行。自适应数据速率中的大部分复杂性都分配给网络服务器，目的是使终端尽可能简单。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种适用于无线网络服务端的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，包括如下步骤：

3、1)计算网络服务器平台中数据包计数器瞬时数据提取率；

4、2)获取有序加权平均信噪比；

5、3)对链路余量参数进行调整；

6、4)通过链路余量信噪比获取调整步数；

7、5)设置循环开始条件，循环执行调减扩频因子和调整步数操作，当结束循环时，执行步骤6)或执行步骤7)；

8、6)循环执行调减调整步数和传输功率操作；

9、7)循环执行调增调整步数和传输功率操作。

10、步骤1)包括：

11、将网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包根据数据包的信噪比降序排序集{a1,a2,…,an}，即a1≥a2≥…≥an，得到数据包信噪比向量a＝(a1,a2,…,an)，数据包计数器随着每次传输而递增，根据下式计算瞬时数据提取率derinst

12、

13、式中，lastcounter为n个数据包中最后一个接收的数据包的数据包计数器值，firstcounter为n个数据包中第一个接收的数据包的数据包计数器值。

14、步骤2)包括：

15、用βi表示第i个数据包的有序加权平均权值，用b表示有序加权平均权值向量，即b＝(β1,β2,…,βn)t，其中βi∈[0,1],1≤i≤n,且设derinst＝δ，根据下式得到第i个数据包的有序加权平均权值：

16、β1＝δn-1

17、

18、0≤δ≤1

19、式中，δ＝derinst，n表示网络服务器平台中包含数据包计数器和信噪比的无线终端的最后n个数据包；

20、利用有序加权平均权值向量b按照下式进行有序加权平均信噪比snrowa计算，

21、snrowa＝a·b，即

22、步骤3)包括：

23、当瞬时数据提取率低于参考数据提取率，且链路余量参数可以增加时，则增大链路余量参数，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；

24、当瞬时数据提取率大于参考数据提取率，且链路余量参数不低于门限阈值时，则调减瞬时数据提取率，直到瞬时数据提取率等于参考数据提取率；

25、当瞬时数据提取率在设定的范围内，则链路余量参数保持不变；

26、所述的链路余量参数包括margin_db参数。

27、步骤4)包括：

28、采用有序加权平均信噪比减去需求信噪比和链路余量参数，得到链路余量信噪比，进而通过链路余量信噪比计算得到调整步数，所述需求信噪比是按照实际性能要求设定得出；

29、调整步数表示调整传输功率和扩频因子的次数。

30、步骤5)所述的循环执行调减扩频因子和调整步数操作，包括：设定当调整步数大于0，并且扩频因子大于7时，循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作；在循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作中进行如下判断：

31、当扩频因子等于7且调整步数大于0时，结束循环，执行步骤6；

32、当扩频因子等于7且调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；

33、当扩频因子等于7且调整步数等于0时，结束算法。

34、步骤6)所述的循环执行调减调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数大于0，并且传输功率大于设定的最小传输功率时，循环开始执行调整步数减1和传输功率减3操作，在循环执行调整步数减1和传输功率减3操作中进行如下判断：

35、当调整步数小于0时，结束循环，执行步骤7；

36、当调整步数等于0或传输功率小于设定的最小传输功率时，结束算法。

37、步骤7)所述的循环执行调增调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数小于0并且传输功率小于设定的最大传输功率时，循环执行调整步数加1和传输功率加3操作，在循环执行调整步数加1和传输功率加3操作中进行如下判断：

38、当调整步数等于0或传输功率大于设定的最大传输功率时，结束算法。

39、本发明的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，考虑信道噪声条件来选择链路余量参数，并采用有序加权平均作为一种能够考虑信道条件的传输参数配置决策方法，并对决策关键参数进行合理控制。本发明使用动态链路余量与信噪比有序加权平均来配置参数，从而在所有信道条件下都具有良好的性能，可以动态配置终端的扩频因子和传输功率，以适应不同的信道条件。

40、仿真结果表明本发明的方法具有优异性能，在中、高噪声信道中的性能优于其他算法，且在高噪声信道中，以少量的额外能耗获得了包交付比的较大提高。在远距离郊区场景中，本发明同样表现出优异的性能。本发明对信道状态的变化敏感，使用瞬时数据提取率表征当前环境，并且比其他算法更快收敛。

41、本发明的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，为无线终端密集部署提供支撑，解决原有自适应数据速率技术存在的问题，同时也为无线网络提供了更有效和高效的解决方案，尤其是在链路条件不断因其他设备的干扰而发生变化的密集人口区域。它有潜力显著提高依赖无线网络的低功耗物联网应用的性能，同时减少能耗并延长设备的电池寿命。

技术特征：

1.一种基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤1)包括：

3.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤2)包括：

4.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤3)包括：

5.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤4)包括：

6.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤5)所述的循环执行调减扩频因子和调整步数操作，包括：设定当调整步数大于0，并且扩频因子大于7时，循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作；在循环执行扩频因子减1和调整步数减1操作中进行如下判断：

7.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤6)所述的循环执行调减调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数大于0，并且传输功率大于设定的最小传输功率时，循环开始执行调整步数减1和传输功率减3操作，在循环执行调整步数减1和传输功率减3操作中进行如下判断：

8.根据权利要求1所述的基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法，其特征在于，步骤7)所述的循环执行调增调整步数和传输功率操作，包括：当调整步数小于0并且传输功率小于设定的最大传输功率时，循环执行调整步数加1和传输功率加3操作，在循环执行调整步数加1和传输功率加3操作中进行如下判断：

技术总结
一种基于链路余量与信噪比加权的自适应数据速率调整方法：计算网络服务器平台中数据包计数器瞬时数据提取率；获取有序加权平均信噪比；对链路余量参数进行调整；通过链路余量信噪比获取调整步数；设置循环开始条件，循环执行调减扩频因子和调整步数操作，当结束循环时，执行循环执行调减调整步数和传输功率操作，或执行循环执行调增调整步数和传输功率操作。本发明为无线终端密集部署提供支撑，解决原有自适应数据速率技术存在的问题，同时也为无线网络提供了更有效和高效的解决方案，尤其是在链路条件不断因其他设备的干扰而发生变化的密集人口区域。它有潜力显著提高依赖无线网络的低功耗物联网应用的性能，同时减少能耗并延长设备的电池寿命。

技术研发人员：章辉,杨茂恒,宋雨昕,李美锟,贾奇铭,王晶晶,吴虹
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15