CN108880754B - 基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法，利用不同差错控制技术的实时性差异和容错能力差异，合理安排数据处理时间及信息发送时间，在最大允许时延窗口内，发送多个含有相同有效信息，实时性递减、容错能力递增的数据报文，尽可能的降低数据首次正确接收的时延。本发明可用于高实时性***中的信令传输，实现微秒到毫秒级延迟的实时信令数据传输。

Description

基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法。

背景技术

机电控制***中，主控设备需要实时获取***状态参数并发出控制指令对可控器件进行微调以保证***稳定运行。飞行控制等实时性要求很高的***则对信令数据高可靠低时延传输提出了更高的要求，需要传输延迟低于10毫秒甚至5毫秒以下以保证***稳定性。

有线电缆传输方案信道环境稳定、可靠性高，然而电缆有自重距离相关、易缠绕、布设复杂、扩展能力差等缺点，难以应用于视距飞行器控制、分布式控制等领域。

无线数据传输方案重量轻、灵活性好、布设简单、可扩展性好的特点，十分适用于分布式机电控制、微机电控制、飞行器控制等领域。然而由于无线信道具有广播特性和时变特性，其信道可靠性差，需要采用数据冗余技术(纠错码)或差错控制协议来提升数据传输的可靠性，将不同程度的引入额外的通信时延和处理时延。基于差错控制协议传输方案一般采用超时重发及反馈确认机制，其传输时延难以确定，无法保证数据传输的实时性，例如蓝牙技术点对点传输的时延在15毫秒到80毫秒波动；基于前向纠错机制的传输方法能够保证数据传输时延稳定，但纠错码需要按照最差误码情况设计，会引入额外的纠错码编解码处理时延，降低了***的实时性；基于扩频技术的传输方法可由硬件完成扩频，点对点通信时延能够逼近直接数据传输时延，然而单纯采用扩频技术的传输方法的传输可靠性难以保证。

综上所述，在低时延信令无线传输方面，现有反馈重传技术、前向纠错技术和扩频技术存在时延抖动大、编码周期长以及可靠性不足的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法，解决了现有技术中反馈重传技术、前向纠错技术和扩频技术存在时延抖动大、编码周期长以及可靠性不足存的问题，保证可靠性的前提下尽可能降低无线信令的传输时延。

本发明所采用的技术方案是，基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、无线设备确定无线数据的目标最大传输时延T和目标最大丢包率P，生成差错控制方法集合，遍历采用取出放回方式从差错控制方法集合中取出N次差错控制方法的差错控制方法排列，将不重复的除去无差错控制方法元素的每一种差错控制方法排列组成分级冗余控制方法集合，从分级冗余控制方法集合中选择分级数最多、分级控制时延最短、丢包率最低的分级冗余控制方法作为最终分级冗余控制方法；

步骤S2、无线设备发送节点冗余发送；

步骤S3、无线设备接收节点最近接收。

进一步的，所述步骤S1还具体按照以下步骤进行：

步骤S11、无线设备确定无线数据传输的目标最大传输时延T和目标最大丢包率P；

步骤S12、选择所有可实现且传输时延小于T的差错控制方法，组成差错控制方法集合，集合元素个数记作K；

令差错控制方法集合中传输时延最小的差错控制方法所需的传输时延为t＝tc+tr，其中tc表示传输时延最小的差错控制方法的数据处理时延，tr表示传输时延最小的差错控制方法的数据发送时延，以N＝floor(T/max(tc,tr))作为最大分级级数，其中，floor(x)是向下取整函数；

将通信时延为0、丢包率为1的无差错控制方法加入差错控制方法集合，此时集合元素个数为K+1；

步骤S13、遍历采用取出放回方式从差错控制方法集合中取出N次差错控制方法的差错控制方法排列，将每一种差错控制方法排列除去无差错控制方法元素之后作为一个分级冗余控制方法，将不重复的分级冗余控制方法组成形成分级冗余控制方法集合；

步骤S14、计算不重复的分级冗余控制方法对应的时延，从第一级差错控制方法开始数据处理时刻起，到最后一级差错控制方法完成数据发送时刻为止所经历的时间作为分级冗余控制时延，其中，不同级的差错控制方法的数据处理数据发送同时重叠进行，将分级冗余控制时延大于T的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除；

将分级冗余控制方法中每一级差错控制方法在典型环境下的丢包率相乘，乘积作为分级冗余控制丢包率，将分级冗余控制丢包率大于P的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除；

步骤S15、按照分级数最多、分级控制时延最短、丢包率最低的顺序从分级冗余控制方法集合中选择唯一的分级冗余控制方法作为最终分级冗余控制方法。

进一步的，所述步骤S2具体按照以下步骤进行：

步骤S21、无线设备等待数据发送指令；

步骤S22、从数据缓存读取一包数据，开始第一级差错控制方法的数据处理；

步骤S23、等待数据处理完成，判断是否正在发送数据，如果没有数据发送，开始数据发送，如果正在发送数据，则当前数据排队等待发送；

步骤S24、同时判断下一级差错控制方法是否有数据需要处理，如果有，开始下一级数据处理，否则等待当前数据发送完成，如果当前数据发送为最后一级差错控制方法的数据发送，转到S25，否则转到S23；

步骤S25、等待数据发送结束指令或数据缓存填满一包数据，若数据发送结束指令到达，则结束，若缓存填满一包数据，转到S22。

进一步的，所述步骤S3还包括具体按照以下步骤进行：

步骤S31、无线设备等待一帧数据报接收完成；

步骤S32、校验步骤S31的数据报是否错误，如果错误，丢弃，转步骤S31，正确转步骤S33；

步骤S33、检验报文是否与上一帧相同，不同则转步骤S34，相同转步骤S35；

步骤S34、将报文数据取出，输出，转步骤S31；

步骤S35、将报文丢弃，转步骤S31。

本发明的有益效果是，与现有的模型相比，本发明提出的无线信令传输方法的信息正确接收时延更短，本发明提出的方法发送多个相同信息的分级冗余递增数据报，传输时延由首个被正确接收的数据报确定，通信时延能够尽量贴近当前信道条件下的理论最短通信时延。可用于高实时性***中的信令传输，实现微秒到毫秒级延迟的实时控制信令数据传输。

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是本发明的流程图；

图2a是某设备10000次通信时刻信道误码率变化图；

图2b是在图2a信道条件下，传统前向纠错(FEC)方法与本发明方法每次通信时延情况对比图。

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。

本发明的思路是：利用不同差错控制技术的实时性差异和容错能力差异，合理安排数据处理时间及信息发送时间，在最大允许时延窗口内，发送多个含有相同有效信息，实时性递减、容错能力递增的数据报文，尽可能的降低数据首次正确接收的时延。

实施例

步骤S1、无线设备确定无线数据的目标最大传输时延T和目标最大丢包率P，生成差错控制方法集合，遍历采用取出放回方式从差错控制方法集合中取出N次差错控制方法的差错控制方法排列，将不重复的除去无差错控制方法元素的每一种差错控制方法排列组成分级冗余控制方法集合，从分级冗余控制方法集合中选择分级数最多、分级控制时延最短、丢包率最低的分级冗余控制方法作为最终分级冗余控制方法；

步骤S11、确定无线数据传输的目标最大传输时延T和目标最大丢包率P；本实施例中，某飞行器实时控制***提出的目标最大传输延迟T小于5ms，目标最大丢包率P不高于10^-9；

步骤S12、选择所有可实现且传输时延小于T的差错控制方法，组成差错控制方法集合，集合元素个数记作K；本实施例中可供选取的满足时延要求的差错控制方法有：

差错控制方法1，单次传输时延2ms，处理时延0.5ms，发送时延1.5ms，典型丢包率10^-4；

差错控制方法2，单次传输时延3ms，处理时延1ms，发送时延2ms，典型丢包率10^-5；

将差错控制方法1和差错控制方法2组成差错控制方法集合，集合元素个数为K＝2；

令差错控制方法集合中传输时延最小的差错控制方法所需的传输时延为t＝tc+tr，其中tc表示传输时延最小的差错控制方法的数据处理时延，tr表示传输时延最小的差错控制方法的数据发送时延，以N＝floor(T/max(tc,tr))作为最大分级级数；本实施例中，传输时延最小的差错控制方法为差错控制方法1，单次传输时延2ms，N＝floor(T/max(tc,tr))＝floor(5/max(0.5,1.5))＝3，则最大分级级数为3；

选择时延最小的差错控制方法的时延来计算最大可分级级数，能够涵盖所有的排列组合，又不至于使得不满足要求的排列组合过于多；

将通信时延为0、丢包率为1的无差错控制方法加入差错控制方法集合，此时集合元素个数为3；本实施例中，将无差错控制方法加入差错控制方法集合，此时集合形式为：

差错控制方法1，单次传输时延2ms，典型丢包率10^-4；

差错控制方法2，单次传输时延3ms，典型丢包率10^-5；

无差错控制方法，单次传输时延0ms，典型丢包率1；

无差错控制方法相当于字符中的“空格”，由于计算了最大可分级级数，在遍历排列组合中，又需要包含少于最大可分级级数的情况，因此加入了无差错控制方法占位置，这样同时表述所有可能的组合以及每一级差错控制方法相同或者不同的时候，能够表述清楚，如果不加，后面在遍历集合的时候无法产生少于最大可分级级数的分级组合；

步骤S13、遍历采用取出放回方式从差错控制方法集合中取出N次差错控制方法的差错控制方法排列；本实施例中，设差错控制方法1为A，差错控制方法2为B，无差错控制方法为C，则遍历产生的所有差错方法排列如下：

AAA、AAB、AAC、ABA、ABB、ABC、ACA、ACB、ACC

BAA、BAB、BAC、BBA、BBB、BBC、BCA、BCB、BCC

CAA、CAB、CAC、CBA、CBB、CBC、CCA、CCB、CCC；

将每一个排列中代表无差错控制方法C的元素剔除，所得到的分级冗余控制方法分别为：

AAA、AAB、AA、ABA、ABB、AB、AA、AB、A

BAA、BAB、BA、BBA、BBB、BB、BA、BB、B

AA、AB、A、BA、BB、B、A、B；

将不重复的分级冗余控制方法组成形成分级冗余控制方法集合，集合包含的元素有：

AAA、AAB、ABA、ABB、BAA、BAB、BBA、BBB、AA、AB、BA、BB、A、B；

步骤S14、计算不重复的分级冗余控制方法对应的时延，从第一级差错控制方法开始数据处理时刻起，到最后一级差错控制方法完成数据发送时刻为止所经历的时间作为分级冗余控制时延，其中，不同级的差错控制方法的数据处理和数据发送同时重叠进行，将分级冗余控制时延大于T的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除；本实施例中，以差错控制排列为AAA的分级冗余控制方法为例，第一级差错控制方法开始数据处理起，第一级差错控制方法的处理完成时间为0.5ms，然后第一级差错控制方法开始发送，第一级差错控制方法发送时延1.5ms；同时开始第二级差错控制方法的处理，第二级差错控制方法开始处理的时间是0.5ms，第二级差错控制方法处理完成的时间为1ms，此时第一级差错控制方法还未发送完毕，第二级差错控制方法排队等待发送，1ms时刻，第一级差错控制方法已经发送了0.5ms，还需要发送1ms，第二级差错控制方法要排队1ms等待发送；第三级差错控制方法开始处理，第三级差错控制方法处理完成时间为1.5ms，此时第一级差错控制方法已经发送了1ms，还需要发送0.5ms，此时第二级差错控制方法要排队0.5ms等待发送，第二级差错控制方法开始发送是2ms，此时第三级差错控制方法要排队2ms等待发送，第三级差错控制方法开始发送是3.5ms，第三级差错控制方法发送完毕的时间为5ms；

则分级冗余控制方法集合中每个分级冗余控制方法对应的时延为：

AAA、AAB、ABA、ABB、BAA、BAB、BBA、BBB、AA、AB、BA、BB、A、B

5ms、5.5ms、5.5ms、6ms、6ms、6.5ms、6.5ms、7ms、3.5ms、4ms、4.5ms、5ms、2ms、3ms；

将分级冗余控制时延大于T的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除，得到的分级冗余控制方法集合为：

AAA、AA、AB、BA、BB、A、B；

将每个分级冗余控制方法中的每一级差错控制方法在典型环境下的丢包率相乘，乘积作为分级冗余控制丢包率，将分级冗余控制丢包率大于P的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除；本实施例中，分级冗余控制方法集合中的每一个元素对应的分级冗余控制丢包率为：

AAA、AA、AB、BA、BB、A、B；

10^-12、10^-8、10^-9、10^-9、10^-10、10^-4、10^-5；

删除分级冗余控制丢包率大于P＝10^-9的分级冗余控制方法之后，分级冗余控制方法集合为：

AAA、AA、AB、BA、BB；

步骤S15、按照分级数最多、分级控制时延最短、丢包率最低的顺序从分级冗余控制方法集合中选择唯一的分级冗余控制方法作为最终分级冗余控制方法；本实施例中，所选取的最终分级冗余控制方法的差错控制方法排列为AAA；

步骤S2、无线设备发送节点冗余发送；

步骤S21、无线设备等待数据发送指令；

步骤S22、从数据缓存读取一包数据，开始第一级差错控制方法的数据处理，

步骤S23、等待数据处理完成，判断是否正在发送数据，如果没有数据发送，开始数据发送，如果正在发送数据，则当前数据排队等待发送；

步骤S24、同时判断下一级差错控制方法是否有数据需要处理，如果有，开始下一级数据处理，否则等待当前数据发送完成，如果当前数据发送为最后一级差错控制方法的数据发送，转到S25，否则转到S23；

步骤S25、等待数据发送结束指令或数据缓存填满一包数据，若数据发送结束指令到达，则结束，若缓存填满一包数据，转到S22；

步骤S3、无线设备接收节点最近接收；

步骤S31、无线设备等待一帧数据报接收完成；

步骤S32、校验步骤S31的数据报是否错误，如果错误，丢弃，转步骤S31，正确转步骤S33；

步骤S33、检验报文是否与上一帧相同，不同则转步骤S34，相同转步骤S35；

步骤S34、将报文数据取出，输出，转步骤S31；

步骤S35、将报文丢弃，转步骤S31。

采用分级冗余控制方式进行差错控制，更适用于低时延无线传输，由于无线信道为时变信道，信道条件时好时坏，直接采用一级差错控制方法比如针对信道最坏条件设计，分级冗余差错控制利用多次发送从概率上实现了相同的丢包率的同时，可以在信道条件好的时候获得额外的时延收益。例如直接采用差错控制方法A针对最差信道条件进行设计，实现丢包率为10^-9的差错保护时，差错控制方法所需要的通信时延为6ms，实现丢包率为10^-3的差错保护时差错控制方法需要的通信时延为2ms，其中处理时延0.5ms，发送时延1.5ms，采用AAA的分级冗余差错控制方法时，最短接收时延为2ms，最长接收时延为5ms，当信道条件较好时，第一级接收成功概率大，信道条件很差时第三级能够保证正确接收，通信时延由第一个被成功接收的数据报决定，总体通信实时性增益与当前信道情况相关，尤其在短时强干扰信道中，分级冗余差错控制方法能够大大降低总体通信时延。

本发明提出的基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法能够有效的适应时变信道的误码率变化，在信道条件良好时取得收益。在某快速移动的设备上，由于其位置在不断变化，与基站对端设备之间的信道条件会随着时间快速变化。如图2a所示的10000次通信中，每次通信时信道的典型误码率情况。图2b中给出了每次通信中传统前向纠错(FEC)方法和本发明方法的通信时延曲线，可看出，传统FEC方法每次通信的时延稳定在6ms，这是由于FEC设计之初就需要按照信道的最差误码率进行设计，每次通信都需要按照最大冗余进行计算发送；另一方面，本发明方法在信道条件较好时，误码率小于10^-3，通信时延只有2ms，在信道条件最差时，由于采用了重叠计算和发送，通信时延为5ms。图2b中，传统FEC方法的平均通信时延为6ms，本发明方法的平均通信时延为2.86ms，总体而言，大大降低了数据的通信时延、在保证可靠性的基础上，提高了***的实时性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、无线设备确定无线数据的目标最大传输时延T和目标最大丢包率P，生成差错控制方法集合，遍历采用取出放回方式从差错控制方法集合中取出N次差错控制方法的差错控制方法排列，将不重复的除去无差错控制方法元素的每一种差错控制方法排列组成分级冗余控制方法集合，从分级冗余控制方法集合中选择分级数最多、分级控制时延最短、丢包率最低的分级冗余控制方法作为最终分级冗余控制方法；

步骤S2、无线设备发送节点冗余发送；

步骤S3、无线设备接收节点最近接收；

所述步骤S1具体按照以下步骤进行：

步骤S11、无线设备确定无线数据传输的目标最大传输时延T和目标最大丢包率P；

步骤S12、选择所有可实现且传输时延小于T的差错控制方法，组成差错控制方法集合，集合元素个数记作K；

令差错控制方法集合中传输时延最小的差错控制方法所需的传输时延为t＝tc+tr，其中tc表示传输时延最小的差错控制方法的数据处理时延，tr表示传输时延最小的差错控制方法的数据发送时延，以N＝floor(T/max(tc,tr))作为最大分级级数，其中，floor(x)是向下取整函数；

将通信时延为0、丢包率为1的无差错控制方法加入差错控制方法集合，此时集合元素个数为K+1；

步骤S13、遍历采用取出放回方式从差错控制方法集合中取出N次差错控制方法的差错控制方法排列，将每一种差错控制方法排列除去无差错控制方法元素之后作为一个分级冗余控制方法，将不重复的分级冗余控制方法组成形成分级冗余控制方法集合；

步骤S14、计算不重复的分级冗余控制方法对应的时延，从第一级差错控制方法开始数据处理时刻起，到最后一级差错控制方法完成数据发送时刻为止所经历的时间作为分级冗余控制时延，其中，不同级的差错控制方法的数据处理数据发送同时重叠进行，将分级冗余控制时延大于T的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除；

将分级冗余控制方法中每一级差错控制方法在典型环境下的丢包率相乘，乘积作为分级冗余控制丢包率，将分级冗余控制丢包率大于P的分级冗余控制方法从分级冗余控制方法集合中移除；

步骤S15、按照分级数最多、分级控制时延最短、丢包率最低的顺序从分级冗余控制方法集合中选择唯一的分级冗余控制方法作为最终分级冗余控制方法。

2.根据权利要求1所述的基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法，其特征在于，所述步骤S2具体按照以下步骤进行：

步骤S21、无线设备等待数据发送指令；

步骤S22、从数据缓存读取一包数据，开始第一级差错控制方法的数据处理；

步骤S23、等待数据处理完成，判断是否正在发送数据，如果没有数据发送，开始数据发送，如果正在发送数据，则当前数据排队等待发送；

步骤S24、同时判断下一级差错控制方法是否有数据需要处理，如果有，开始下一级数据处理，否则等待当前数据发送完成，如果当前数据发送为最后一级差错控制方法的数据发送，转到S25，否则转到S23；

步骤S25、等待数据发送结束指令或数据缓存填满一包数据，若数据发送结束指令到达，则结束，若缓存填满一包数据，转到S22。

3.根据权利要求1所述的基于分级冗余机制的低时延信令、数据无线传输方法，其特征在于，所述步骤S3具体按照以下步骤进行：

步骤S31、无线设备等待一帧数据报接收完成；

步骤S32、校验步骤S31的数据报是否错误，如果错误，丢弃，转步骤S31，正确转步骤S33；

步骤S33、检验报文是否与上一帧相同，不同则转步骤S34，相同转步骤S35；

步骤S34、将报文数据取出，输出，转步骤S31；

步骤S35、将报文丢弃，转步骤S31。

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