CN111245737B - 一种物联网***中选择传输数据块大小的方法 - Google Patents

一种物联网***中选择传输数据块大小的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，属于物联网通信***领域。该方法包括：S1：获取开机初始SNR和传输块大小，生成SNR‑TbSize对应表；S2：提取来自发送端反馈的SNR值和接收端是否正确接收指示；S3：根据发送端反馈的SNR值，以及是否正确接收指示，统计接收端在该SNR值下传输对应传输块大小的成功率、生成实际的SNR、传输块以及成功率，动态生成SNR‑TbSize‑PSR对应表；S4：根据生成的SNR‑TbSize‑PSR对应表和接收端反馈的SNR，选择成功率最大的传输块进行传输。本发明能提高物联网***中数据传输的成功率。

Description

一种物联网***中选择传输数据块大小的方法
技术领域
本发明属于物联网通信***领域，涉及到物联网中如何选择传输块大小，具体涉及一种能够提高传输性能的传输块大小选择方法。
背景技术
根据物联网***对数据传输需求，以及采用突发数据传输特点，物联网***仅仅支持几种固定大小的数据块传输，通常称为传输块。较大传输块用于传输大量的高层数据，较小传输块用于传输少量的高层数据。
在公网***，例如3G/4G以及目前5G网络，由于定义了复杂公共信道，并且终端和网络之间要求保持严格同步，所以公网***中，终端进行业务的时候首先需要进行随机接入过程。在该过程主要完成终端获得上行同步，同时首先进行小数据块传输，公网数据传输过程中存在完善的自动调制编码(简称：AMC)机制，终端根据接收到下行的业务数据，根据接收信号质量反馈网络可以支持的调制方法以及传输块大小，如图1所示为通用的自动调制编码解决方案。但该方案不适合物联网***，很多物联网无线通信没有专用频段，基本只能采用公共频段，亦多种用途的物联网都共享使用这些频段，导致一个物联网不可能长时间独立占用频谱资源。其次，物联网只能采用载波监听多路访问技术(CSMA)竞争使用无线资源，没有完整的无线资源分配信令***，不可能对每次物联网设备使用的无线资源进行精确定义，所以往往只能根据传输需求定义几种常用格式。最后，物联网***中，由于采用CSMA方式进行传输，传输两个数据包之间的间隔是不确定，通常传输两个突发之间没有必然关系，一个突发结束和另外一个突出传输之间没有必然联系，发送一个突发即是一个完整的通信过程。如图2所示，从图2中看出，物联网***中，节点设备发送一个突发的大小主要根据业务数据量确定，假设物联网***中预定义传输块大小为16字节，72字节，136字节，264字节等。若终端发送70个字节，则选择传输大小为72字节进行发送，若发送75个字节则选择136字节长度传输块进行传输。这种选择传输块大小存在一个问题，就是在选择传输块的时候并不考虑传输环境的信道质量，也不考虑干扰情况，导致在无线质量较差环境中，传输块增大，增加了传输时间，突发受到干扰概率增加，造成突发传输成功率非常低。
针对上述存在的问题，常规的物联网无线通信***采用如图3方式进行解决，这种方式的实现步骤如下：1)在***仿真中，对SNR和传输块大小进行仿真，信道采用AWGN加噪方式，仿真出每个传输大小需要的最低SNR值，通常要求传输块的误块率低于10％。得出关于SNR和传输块的对应表格。然后选择一些典型场景对SNR和传输块表格进行调整，得到一张通用的SNR和传输块对应表，如图3中1步。2)发送端开始发送数据的时候，不确定接收端接收到信号的SNR值，所以首先选择比较小的数据块进行传输，提高传输成功率。在一些***中也会根据业务数据量选择一个合适的传输大小，如图3中2步。3)发送端发送一块数据突发之后，接收到来自接收端的确认/非确认包，在该数据包括中包括了接收数据的SNR值，如图3中3步。4)发送端根据接收端接收到突发信号的SNR，选择发送下一块传输块大小，传输块的大小则根据SNR值和传输大小对应表来确定，如图3中4、5步。5)发送端根据接收端反馈的SNR值，依次选择下一块传输块的大小，在这个过程中SNR和传输块大小表格始终保持不变。
根据上面描述，基本满足目前需求，但是依然存在以下不足，这些地方将影响传输成功率。存在的问题具体如下：
第一：SNR和传输块对应表是一个固定表格，在使用中不会根据每个独立场景进行修正，是一个通用的表格，所以这个表格在某些场景中不是最佳的SNR和传输块对应关系，尤其对于复杂的物联网应用场景，需要增加灵活的现场调整。
第二：物联网中每个终端设备的射频都存在差异，所以在接收信号以及SNR计算上也存在差异，预先设定的SNR和传输块对应表对于具体设备不是最佳对应关系。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，根据实际传输的情况进行自动调整SNR和传输块对应表，提高物联网***中数据传输的成功率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，发送端收集来自接收端的反馈信息，记录并统计接收端SNR和传输块成功率，实时修正SNR和传输块成功率对应表，该表格用于下次进行选择传输块大小的依据。在物联网无线通信***中，为了方便无线资源使用以及信道编解码，将每个突发发送数据量分成多个等级，记TbSize_1,TbSize_2,...，TbSize_n，满足TbSize_1≤TbSize_2≤,...，≤TbSize_n。参照图4和图5，该方法具体包括以下步骤：
S1：从***仿真和实测数据校正结果中获取开机初始SNR和传输块大小，生成SNR-TbSize对应表；
S2：提取来自发送端反馈信息，包括发送的传输块在接收端测量的SNR值，以及接收端是否正确接收指示；
S3：根据发送端反馈的SNR值，以及是否正确接收指示，统计接收端在该SNR值下传输对应传输块大小的成功率、生成实际的SNR、传输块以及成功率，动态生成SNR-TbSize-PSR对应表；
S4：选择传输块大小：根据生成的SNR-TbSize-PSR对应表和接收端反馈的SNR，选择成功率最大的传输块进行传输；首次进行传输时刻，发送端没有有效的SNR值，则发送端根据业务数据量选择合适的传输块大小。
进一步，所述方法在动态建立SNR-TbSize-PSR对应表前，首先发送端和接收端开机上电，将SNR-TbSize表导入到SNR-TbSize-PSR表中，将SNR-TbSize-PSR中对应的SNR-TbSize表中的PSR设置为100％，其他传输块的PSR设置为0％；发送端每次接收到来自接收端的反馈信息，则启动一个Tidle定时器。
进一步，所述步骤S1具体包括：在间隔Tidle时间内，发送端和接收端之间没有数据突发发送，此时默认发送端未知发送端和接收端之间有效的SNR；若发送端需要数据块发送，则发送端根据业务数据量选择适合传输块大小进行传输；假设发送数据量为TbSize_data，且TbSize_m≤TbSize_data≤TbSize_m+1，则选择传输块大小为TbSize_m+1，若发送数据块小于最小的传输块，则选择最小传输块；若发送数据块大于最大传输块，则选择的最大的传输块。
进一步，所述步骤S2具体包括：接收端检测到发送端发送数据包(packet)，在无线空中接口上也成为一个突发；接收端测量该突发的信噪比(SNR)，并且对该突发进行解析，解析出其中数据块，判定该数据块是否正确接收；然后将SNR和数据块是否正确接收指示，通过确认包/非确认包回复给发送端。
进一步，所述步骤S3具体包括：发送端收到确认包/非确认包解析出SNR和是否正确接收指示，然后结合发送端发送时候选择TbSize_m+1传输块大小，统计发送端在SNR范围发送TbSize_m+1的成功率，修改SNR-TbSize-PSR表。
进一步，所述步骤S4具体包括：如果发送端接收到非确认指示(接收端指示接收不正确)，则进行数据块重传，如果发送端接收到确认指示(接收端指示接收正确)，则进行新传输数据；无论是新传数据还是重传数据，发送端将根据SNR值，选择成功率最大的传输块进行传输。
本发明的有益效果在于：
1)在物联网无线传输***中，为了提供无线资源利用率以及传输成功率，将可以传输的数据块大小(传输块大小)分成几个等级。在以往物联网***，基本采用根据业务数据量选择对应传输块大小进行传输。这种基本能够满足要求，但是在某些物联网***中，应用场景比较复杂，干扰严重，并且不是独享频谱资源，导致了传输成功率比较低。本发明提出了通过参考通信线路上SNR值，以及每种传输块大小的成功率，每次都选择传输成功率最高的传输块进行传输。
2)公网***使用的自动调制编码技术(AMC),这种方法在使用之前需要建立一张SNR-TbSize表格，发送端可以参考SNR值，进行传输大小以及调制方式的选择。这种方式广泛使用在3G/4G和5G***中，但是这种方法使用的SNR-TbSize对应表固定不变，不能根据实际场景进行自动调整，由于终端的移动也没有办法根据环境修正SNR-TbSize值，但是物联网***的一些场景中，通信终端位置相对固定，终端可以根据应用环境，自动调整仅仅满足当前场景的SNR-TbSize关系表，本发明就是提出了一种修正SNR-TbSize关系表的方法。
3)物联网通信定义了多个传输块大小格式，通常根据传输数据量选择传输块大小，这种不是最佳解决方案，本发明提出了记录以往传输的SNR值，以及传输结果状态，生成SNR-TbSize-PSR表格，然后根据有效的SNR值，选择成功率最高的传输大小进行传输，提高传输成功率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为公网***中的自动调制编码流程图；
图2为物联网***中CSMA传输方式的流程图；
图3为通用传输块大小选择方法的流程图；
图4为本发明动态SNR和传输块大小对应表生成和使用框图；
图5为本发明动态建立SNR和传输块大小对应表流程图；
图6为具体实施例中动态建立SNR和传输块大小对应表流程。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
宽带无线微功率电力抄表***是一种典型的物联网应用***，该***使用公共频段470MHz到510MHz，属于ISM频段，即工业的(Industrial)、科学的(Scientific)和医学的(Medical)，根据国家无线委员会的要求，应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不会对其它频段造成干扰即可，在我国该频段主要用于调频，宽带无线微功率电力抄表，LoRa***等等。
此外，在电力抄表应用中，电表通常放置地方比较隐蔽，主要出于楼道，地下室等等，使用场景比较复杂。这些场景一般信号质量差，多径以及绕射比较严重，并且经常受到电力线辐射等，所以电力抄表在物联网应用中对通信提出很高的要求，也很难找到一种普适性的信道模型。
为了适应复杂环境以及满足电力抄表数据传输要求，该***采用Chirp调制方式，工作频段在470MHz到510MHz，支持调制带宽为3.6MHz和多种调制速率。在Chirp调制***中，通常使用时间带宽积(简称：TxB，一个Chirp符号时间和Chirp调制带宽的乘积)方式表示调制的性能。在该实施例中，假设支持的调制带宽为4MHz(其中400KHz是带宽保护间隔，实际调制带宽为3.6MHz)，支持的信噪比和调制速率表对应表(SNR-ChirpRate表)，该表格在***研发阶段采用***仿真得到，如表1所示。
表1：Chirp调制速率表(SNR-ChirpRate表)
Figure BDA0002361360420000051
该实施例中，支持传输块大小分成多个等级如表2定义。
表2：传输块大小表
Figure BDA0002361360420000052
Figure BDA0002361360420000061
根据本发明的要求，在标准制定和研发阶段，首先在***仿真平台上，在AWGN环境中，对信号进行加噪，对不同TbSize进行连续SNR仿真，得到误块率为10％的转折点，记录该点的SNR值。在仿真的基础上，选择常用实际场景进行测试，对理论仿真结果矫正，得出一张基本满足实际场景的SNR和TbSize对应表，如表3所示。
表3电力抄表中初始的SNR-TbSize对应表
传输块大小编号(TbSize_no) 传输块大小(TbSize) SNR值
0 16 PSR16
1 72 PSR72
2 136 PSR136
3 264 PSR264
4 520 PSR520
然后根据仿真和实测的表格，将SNR划分几个等级进行处理，信噪比SNR小于SNR16对应TbSize为16字节的传输块；信噪比在SNR72_down和SNR72_up之间对应TbSize为72字节的传输块；信噪比在SNR136_down和SNR136_up之间对应TbSize为136字节的传输块；信噪比在SNR264_down和SNR264_up之间对应TbSize为264字节的传输块；信噪比大于SNR520对应TbSize为520字节的传输块，如表4所示。
表4电力抄表***SNR-TbSize对应表
Figure BDA0002361360420000062
上述介绍在本实施例中，生成SNR-TbSize表格的方法，根据本发明的描述，在设备上电开始的时候，还需要将该表格转换成SNR-TbSize-PSR表格。从SNR-TbSize表格导入到SNR-TbSize-PSR表格的时候，将SNR对应的TbSize成功率设置100％，其他设置为0。如表5所示。
表5电力抄表***中SNR-TbSize-PSR对应表
Figure BDA0002361360420000071
SNR-TbSize-PSR对应表对于发送端选择传输大小起到关键作用。下面具体阐述如何修改以及使用SNR-TbSize-PSR对应表格，如图6所示。
步骤1：电力设备节点需要发送一个抄表数据包或是信令数据包，假设是245字节长度，则设备根据本发明要求，选择传输块大小为264字节，亦传输块大小编号TbSize_no＝3。然后根据宽带无线微功率***中的物理信道编解要求对传输块进行处理，增加同步前导，物理层信令形成完整的帧数据包。最后采用Chirp调制方式将传输块以突发数据包方式在空中发送。
Chirp调制速率的选择，根据传输块大小的选择结果，优先选择传输块大小对应传输成功率最高的SNR，然后根据SNR选择对应的Chirp调制速率参数。例如表7所示。假设选定的传输块大小为264字节，发送搜索所有传输块264字节长度成功率记录，选择成功率最高的SNR值。再根据该SNR值，查询表1的内容，找到对应的Chirp调制速率，确定该速率为第一次传输块使用的Chirp调制速率。如图6中1步。
步骤2：接收端在空口进行突发检测，若检测到有效的突发，则接收该突发数据，利用前导以及物理层信令内容，解析突发中的传输块数据，并且测量其SNR值。对传输块数据进行物理层信道解析，检查循环校验是否正确。若正确则指示确认，若错误则指示非确认。如图6中2、3、4步。
步骤3：接收端根据接收突发的结果，即测量SNR值以及是否正确接收指示反馈给发送端，如图6中5步。
步骤4：发送端根据接收端反馈信息，修改SNR-TbSize-PSR表，假设反馈的信噪比为SNR_packet,并且正确接收，则发送端在SNR-TbSize-PSR表对应的SNR范围中的TbSize成功总数和成功次数都增加1，然后计算出成功率PSR值。若接收端不能正确接收，则TbSize成功总数增加1，成功次数减1(若成功次数为0，则保持为0)。
假设接收端反馈的SNR值为SNR_packet，其值在SNR72_down和SNR72_up之间,发送端发送的该传输时候选择的TbSize_no＝3(传输块264字节大小)，并且接收正确，修正SNR-Tbize-PSR表，如表6所示。将原来SNR范围[SNR72_down,SNR72_up]对应的TbSize传输大小264字节的突发总数从10修改为11，成功次数0，修改为1，然后计算PSR值。如图6中6步。
表6电力抄表中的SNR-TbSize-PSR动态对应表
Figure BDA0002361360420000081
发送端每次接收到来自接收端的反馈信息，则启动一个Tidle定时器，在该实施例中，将该定时器设置为10秒。Tidle定时器启动期间，发送端可以使用接收端反馈的SNR值进行传输块大小选择。若Tidle定时器超时，则发送端认为接收端反馈的SNR无效，选择传输大小的时候不能参考该SNR值，只能根据步骤1方法进行传输大小选择。
步骤5：在Tidle定时器启动期间，发送端继续发送下一个数据块，则根据收到确认/非确认包中的SNR值，选择发送成功率最大的传输块和Chirp调制速率。假设经过一段时间，SNR-TbSize-PSR表中的[SNR72_down,SNR72_up]修改为表7内容。
表7SNR-TbSize-PSR中SNR在SNR72_down到SNR72_up之间传输结果
Figure BDA0002361360420000091
若接收端反馈接收到信号的SNR处于表格8中的[SNR72_down,SNR72_up]之间，则发送端在选择传输块大小的时候，优先选择成功率最大的传输块大小进行传输，即选择TbSize_no＝3,传输大小为264字节长度。SNR处于表1中的SNR≥SNR-1200K，则选择1200Kbps调制速率。如图6中7步。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：从***仿真和实测数据校正结果中获取开机初始SNR和传输块大小，生成SNR-TbSize对应表；
S2：提取来自发送端反馈信息，包括发送的传输块在接收端测量的SNR值，以及接收端是否正确接收指示；
接收端检测到发送端发送数据包，在无线空中接口上也成为一个突发；接收端测量该突发的信噪比，并且对该突发进行解析，解析出其中数据块，判定该数据块是否正确接收；然后将SNR和数据块是否正确接收指示，通过确认包/非确认包回复给发送端；
S3：根据发送端反馈的SNR值，以及是否正确接收指示，统计接收端在该SNR值下传输对应传输块大小的成功率、生成实际的SNR、传输块以及成功率，动态生成SNR-TbSize-PSR对应表；
发送端收到确认包/非确认包解析出SNR和是否正确接收指示，然后结合发送端发送时候选择TbSize_m+1传输块大小，统计发送端在SNR范围发送TbSize_m+1的成功率，修改SNR-TbSize-PSR表；
S4：选择传输块大小：根据生成的SNR-TbSize-PSR对应表和接收端反馈的SNR，选择成功率最大的传输块进行传输；首次进行传输时刻，发送端没有有效的SNR值，则发送端根据业务数据量选择合适的传输块大小。
2.根据权利要求1所述的一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，其特征在于，所述方法在动态建立SNR-TbSize-PSR对应表前，首先发送端和接收端开机上电，将SNR-TbSize表导入到SNR-TbSize-PSR表中，将SNR-TbSize-PSR中对应的SNR-TbSize表中的PSR设置为100％，其他传输块的PSR设置为0％；发送端每次接收到来自接收端的反馈信息，则启动一个Tidle定时器。
3.根据权利要求2所述的一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：在间隔Tidle时间内，发送端和接收端之间没有数据突发发送，此时默认发送端未知发送端和接收端之间有效的SNR；若发送端需要数据块发送，则发送端根据业务数据量选择适合传输块大小进行传输；假设发送数据量为TbSize_data，且TbSize_m≤TbSize_data≤TbSize_m+1，则选择传输块大小为TbSize_m+1，若发送数据块小于最小的传输块，则选择最小传输块；若发送数据块大于最大传输块，则选择的最大的传输块。
4.根据权利要求3所述的一种物联网***中选择传输数据块大小的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：如果发送端接收到非确认指示，则进行数据块重传，如果发送端接收到确认指示，则进行新传输数据；无论是新传数据还是重传数据，发送端将根据SNR值，选择成功率最大的传输块进行传输。
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