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CN102387003B - 使用通信信道信噪比估计的数据传输速率控制 - Google Patents

使用通信信道信噪比估计的数据传输速率控制 Download PDF

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CN102387003B
CN102387003B CN201110409338.9A CN201110409338A CN102387003B CN 102387003 B CN102387003 B CN 102387003B CN 201110409338 A CN201110409338 A CN 201110409338A CN 102387003 B CN102387003 B CN 102387003B
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Abstract

本发明涉及使用通信信道信噪比估计的数据传输速率控制。提供了一种方法，包括监控可变速率数据通信信道来确定其信噪比，并且基于其信噪比调节该可变速率数据通信信道的数据传输速率。

Description

使用通信信道信噪比估计的数据传输速率控制
本发明是申请号为03804462.5，国际申请日为2003年2月7日，发明名称为“使用通信信道信噪比估计的数据传输速率控制”的发明专利申请的分案申请。
背景
无线数据通信正变得越来越流行，并且无线数据通信技术被结合进大量设备中，如蜂窝电话、个人数字助理和无线电子邮件设备。无线数据通信技术也用于计算机网络，由此允许便携式计算机的用户自由地在办公室四周移动，而不受网络连线的阻碍。
用于无线数据传输的两个标准协议是IEEE 802.11a标准(1999年12月发布的IEEE std.802.11a-1999)和IEEE 802.11b标准(1999年12月发布的IEEE std.802.11b-1999)。这些协议的每一个定义了多个数据传输速率。IEEE 802.11a规定了最大传输速率54Mbit/s(兆比特每秒)，并定义了较慢的传输速率48Mbit/s、36Mbit/s、24Mbit/s、18Mbit/s、12Mbit/s、9Mbit/s和6Mbit/s。IEEE 802.11b规定了最大传输速率11Mbit/s，并定义了较慢的传输速率5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s。
当期望最大数据吞吐量时，以可用的最高数据传输速率传输数据。不幸的是，各种因素，如电干涉、噪声和信号衰减通常限制了这一数据传输速率。
附图描述
图1示出了使用无线数据通信技术的计算机系统；
图2示出了数据传输速率控制过程；
图2A示出了举例说明数据传输速率控制过程的一个实施例的流程图；
图3示出了数据传输速率控制方法；以及
图4示出了另一数据传输速率控制过程。
详细描述
计算机和各种手持式设备，如图1所示的计算机10和14，通过可变速率数据通信信道12相互通信。这些计算机10和14的每一个分别使用无线通信装置16和18建立并维护可变速率数据通信信道12。
无线通信装置16和18监控可变速率数据通信信道12的信噪比(SNR)，并响应于信道的信噪比的变化来调节其数据传输速率。具体地，信噪比越高，数据传输速率越高；信噪比越低，数据传输速率越低。
每一无线通信装置16或18控制该装置通过可变速率数据通信信道12传输数据的速率。无线通信装置16控制数据从计算机10传输到计算机14的传输速率，无线通信装置18控制数据从计算机14传输到计算机10的传输速率。这些无线通信装置的示例是：无线网络PCMCIA(个人计算机存储卡国际协会)卡；无线接入点；无线网络接口卡等等。
如图2所示，每一无线通信装置16或18包括一数据传输速率控制过程19，它监控可变速率数据通信信道12的信噪比，并响应于该信道的信噪比中的变化调节其数据传输速率。
SNR确定过程20监控可变速率数据通信信道12来确定其信噪比。可变速率数据通信信道12是包括接收端22和发送端24的双向信道。接收端22用于从在信道12上通信的其它装置接收数据，发送端24用于向那些装置发送数据。
SNR确定过程20包括一噪声信号确定过程26，它检查可变速率数据通信信道12的接收端22来对可变速率数据通信信道12确定噪声信号强度因子28。
这一噪声信号强度因子28通过在非传输周期内检查通信信道12的接收端22上的信号强度来确定。理想地，在具有零噪声的系统中，在没有从远程装置接收数据的周期内，信道12的接收端22上的信号强度为零。因此，非传输周期内信道12上的任何信号的强度表示该信道的噪声(即，其噪声信号强度因子28)。这一噪声包括空中噪声和接收器噪声。
SNR确定过程20也包括一接收信号确定过程30，它在传输周期内检查信道12的接收端22来确定接收信号强度因子32。
接收信号强度因子32在当从远程装置接收数据的时间内测量。由于接收信号强度因子32表示传输周期(即，从远程装置接收数据的周期)内的总信号强度，因此这一接收信号强度因子32包括噪声信号强度因子28，因为在传输和非传输周期内在信道12上都存在噪声。
SNR确定过程20还包括一数据信号确定过程34，它确定接收信号强度因子32(表示数据加噪声)和噪声信号强度因子28(仅表示噪声)之间的差。该差是数据信号强度因子36，并表示接收的实际数据信号的强度。
在确定了信道12上的数据信号强度(即，数据信号强度因子36)和噪声(即，噪声信号强度因子28)之后，可以计算可变速率数据传输通信信道12的信噪比。
SNR确定过程20包括一SNR计算过程38，它从数据信号强度因子36和噪声信号强度因子28计算可变速率数据通信信道12的信噪比40。
数学上，信噪比(SNR)等于：
20log10(Vs/Vn)
因此，如果数据信号强度因子36(由数据信号确定过程34确定)是4毫伏(4mV)，并且噪声信号强度因子28(由噪声信号确定过程26确定)是1毫伏(1mV)，则信道12的信噪比40是：
20log10(0.004/0.001)
因此，在本示例中，信道12的信噪比是12.04分贝。由SNR计算过程38确定的这一信噪比40用于设置信道12的数据传输速率。
数据传输速率控制过程19包括一传输速率调节过程42，它使用SNR计算过程38计算的信噪比40来调节可变速率数据通信信道12的数据传输速率。
传输速率调节过程42包括一SNR比较过程44，它将可变速率数据通信信道12的信噪比40与多个信噪比范围相比较。这些信噪比范围(对IEEE 802.11a协议信道)的一个示例示出如下：
对于以上列出的表格中的每一范围，规定了最小可接受信噪比，它定义了对该特定数据传输速率的最低可接受信噪比。例如，由于前三个范围为1.2dB、3.8dB和4.4dB，如果计算信噪比为3.1dB，则将数据传输速率设为每秒6Mbit，因为这一计算的信噪比满足第一范围的最小需求，但不满足第二范围的最小需求。
以上列出的信噪比范围仅用于说明性目的，并可以被设计成解决计算机通信、无线通信装置、通信信道、无线通信协议(如，IEEE 802.11a)等的特定通信需求。
尽管上述表格列出了仅包括最小可接受信噪比的范围，但这仅用于说明性目的。具体地，每一范围可以实际包括最小可接受信噪比和最大可接受信噪比(仅仅低于下一较高传输速率的最小可接受信噪比)。
这些信噪比范围(对IEEE 802.11a协议信道)的一个示例示出如下：
继续参考上述示例，将由SNR计算过程38确定的计算的信噪比40(即，12.04dB)与以上列出的信噪比范围进行比较，每一范围都具有与其关联的特定数据传输速率。
包括在传输速率调节过程42中的范围选择过程46选择包含由SNR计算过程38所计算的信噪比40的信噪比范围。对于上述示例，计算的信噪比是12.04dB，因此，范围选择过程46选择的信噪比范围是第五范围(即，10.1～13dB)。这一信噪比范围具有与其关联的每秒24Mb的数据传输速率。
一旦选择了适当的信噪比范围，传输速率选择过程48将可变速率数据通信信道12的数据传输速率调节到为该特定信噪比范围指定的传输速率。在上述具有12.04dB的信噪比的示例中，适当的数据传输速率是每秒24Mb。因此，可变速率数据通信信道12的发送端24将以每秒24Mb的数据传输速率向与其通信的远程装置发送数据。
如上所述，通信信道12的信噪比40的计算是设置该信道的数据传输速率的先决条件。因此，如果SNR确定过程20在所限定的时间段内(如，2秒)无法确定该信道的信噪比40，则有迭代速率确定过程50可用于(作为补充确定过程)设置该信道的数据传输速率。有各种情况会导致SNR确定过程20无法确定信道12的信噪比，如丢失连接或信道干扰。
迭代速率确定过程50包括一初始速率设置过程52，它将可变速率数据通信信道12的数据传输速率设置为对应于前一次确定的(last-determined)信噪比的数据传输速率。继续参考上述示例，由于前一次计算的信噪比是12.04dB，因此前一次由传输速率选择过程28将数据传输速率设置为每秒24Mb。假定信噪比暂时对信道12不可用，初始速率设置过程52将信道12的数据传输速率设置为(或者，换言之，保持在)每秒24Mb。
一旦设置了信道12的传输速率，在一个数据分组需要被传输到远程装置的任一时刻，数据发送过程54以当前传输速率(本示例中为每秒24Mb)发送该数据分组。
只要数据分组被传输到远程装置(通过信道12的发送端)，在成功地接收了该数据分组之后，远程装置向该分组的发送者发送一确认，确认它已成功地接收了该数据分组。在未接收该数据分组或该数据分组被破坏的情况下，不发送确认。
接收确认过程56监控这些确认的接收(在信道12的接收端22)来确定向远程装置发送的数据分组是否实际上被接收。响应于接收确认过程56的传输比确定过程58确定通信信道12的传输比。该传输比等于远程装置成功接收的分组数(由接收确认过程56确定)与数据发送过程54所发送的数据分组数之比。例如，如果向远程装置发送了2,700个数据分组，而仅接收了1,163个分组，则传输比为43.07％。
如上所述，当在限定的时间段内SNR确定过程20无法确定信道12的信噪比40时，可以使用迭代速率确定过程50。迭代速率确定过程50被配置成监控前一次成功地计算信噪比以来的时间量，并且如果它比限定的时间段(通常为2秒)长，则迭代速率确定过程50可用作补充速率确定过程。此外，由于信道12的传输速率最初被(由初始速率设置过程52)设为根据前一SNR确定的数据传输速率，因此可能需要通过察看由传输比确定过程58确定的传输比来重新调节该传输速率。在传输速率太高(相对于信道上存在的噪声水平)的情况下，传输比将会过低。相反，在传输速率太低(相对于信道上存在的噪声水平)的情况下，传输比将过高。
因此，传输比比较过程60将传输比确定过程58确定的传输比与定义的可接受传输比范围(如，50-90％)相比较。尽管50％和90％是定义预定可接受比范围的典型值，但可以升高或降低这些值来满足具体的设计需求。通常，范围的较低端(如，50％)定义传输比太低以至于信道上的通信不可靠的点。在这一点上，应当将传输速率降低到下一较低速率。相反，范围的较高端(如，90％)定义传输比太高以至于信道上的通信十分可靠的点。在这一点上，可以将传输速率升高到下一较高速率。
在计算的传输比处于该定义的可接受传输比范围之外的情况下，传输速率调节过程62将升高或降低传输速率一级至下一可用传输速率。这时，对信道12计算新传输比，并再次与定义的可接受传输比范围比较来确定是否需要另外的调节。如果新传输比可接受(即，它处于定义的可接受传输比范围之内)，将以当前传输速率继续传输数据。然而，如果该传输比仍高于或低于定义的可接受比范围，将再次调节该传输速率。下表规定了IEEE 802.11(a)协议的可用传输速率：
  IEEE 802.11(a)
  54.0Mbit/秒
  48.0Mbit/秒
  36.0Mbit/秒
  24.0Mbit/秒
  18.0Mbit/秒
  12.0Mbit/秒
  9.0Mbit/秒
  6.0Mbit/秒
传输速率的重复调节(即，升高和/或降低)将继续直到达到可接受传输比。
继续参考上述示例，使用的协议是IEEE 802.11(a)，当前传输速率是每秒36Mb。如果如上所述，远程装置仅接收了2,700个分组中的1,163个，传输比为43.07％。这处于定义的可接受比范围的最小必需水平(即，50％)之下。因此，由于处于这一最小必需水平之下，(由传输速率调节过程62)将数据传输速率从每秒36Mb向下调节到每秒24Mb。一旦传输速率被降低，数据分组被发送到远程装置，传输比确定过程58再一次对这一较低传输速率确定传输比。假定，例如，在传输的2,700个分组中，远程装置接受了1,369个分组。总计传输比为50.70％。由于这一传输比处于定义的可接受比范围50-90％之内，传输速率将保持在每秒24Mb。
只要信噪比继续不可用，传输比的检查和重新检查将继续，并且如需要，作出对数据传输速率的调节。例如，如果随后对信道(当前以每秒24Mb进行通信)计算了92.04％的传输比，这处于定义的可接受比范围的最大必需水平(即，90％)之上。因此，由于处于最大必需水平之上，(由传输速率调节过程62)将数据传输速率从每秒24Mb向上调节到每秒36Mb。
如果在一段扩展的时间段内(如，10秒)信噪比继续不可用，则将数据传输速率降低到最低可用速率，使得能重新建立通信信道连接。数据传输速率控制过程19也被配置成监控自从前一次成功地计算信噪比以来的时间量，使得如果它大于扩展的时间段，则将数据传输速率降低到最低可用速率以重新建立连接。
此外，由于设置信道12的数据传输速率的较佳方法是基于对信噪比的计算，因此SNR确定过程20不断地尝试计算信道12的信噪比。在成功计算信道12的信噪比40的情况下，将再一次基于其信噪比设置信道12的传输速率。
参考图2A，示出了举例说明上述过程的一个实施例的流程图。
参考图3，示出了数据传输速率调节方法100。102：监控可变速率数据通信信道来确定其信噪比。104：基于其信噪比调节可变速率数据通信信道的数据传输速率。
调节数据传输速率(104)包括将可变速率数据通信信道的信噪比与各种信噪比范围进行比较(106)，并选择包含可变速率数据通信信道的信噪比的信噪比范围(108)。
由于每一信噪比范围与特定的数据传输速率相关联，现在可以将可变速率数据通信信道的传输速率设置为与所选择的信噪比范围关联的特定的数据传输速率(110)。
监控可变速率数据通信信道(102)包括在非传输周期内对可变速率数据通信信道的接收端确定噪声信号强度因子(112)。监控可变速率数据通信信道(102)也包括在传输周期内对可变速率数据通信的接收端确定接收信号强度因子(114)，并确定接收信号强度因子和噪声信号强度因子之差(116)。该差是数据信号强度因子。
监控可变速率数据通信信道(102)还包括从数据信号强度因子和噪声信号强度因子确定可变速率数据通信信道的信噪比(118)。
方法100包括如果在限定的时间段内无法确定信道的信噪比，则迭代地调节可变速率数据通信信道的数据传输速率(120)。
参考图4，示出了驻留在计算机系统上的计算机程序产品。计算机程序产品150包括储存指令154的计算机可读媒质152，指令154由处理器156执行时，促使处理器156监控可变速率数据通信信道来确定其信噪比(158)。计算机程序产品150基于其信噪比调节可变速率数据通信信道的数据传输速率(160)。
计算机可读媒质152的典型实施例是：硬盘驱动器162、磁带驱动器164；光盘驱动器166；RAID阵列168；随机存取存储器170；以及只读存储器172。
其它实施例都处于权利要求书的范围之内。

Claims (37)

1.一种用于控制可变速率数据通信信道的数据传输速率的设备，包括：
无线通信装置，用于确定与可变速率数据通信信道相关联的信噪比，如果在定义的时间段内无法确定所述信噪比，则迭代地调节所述可变速率数据通信信道的数据传输速率，并且如果在一段扩展的时间段内无法确定所述信噪比，则将所述数据传输速率降低到最低可用速率，其中所述扩展的时间段比所述定义的时间段长。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置包括以下中的至少一个：个人计算机存储卡国际协会卡、无线接入点、或者无线网络接口卡。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置被配置为将所述可变速率数据通信信道的信噪比与多个信噪比范围进行比较。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置被配置为选择包含所述可变速率数据通信信道的信噪比的信噪比范围。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置包括：
信噪比前一次成功计算时间监视器。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可变速率数据通信信道包括双向信道，所述双向信道包括用于从远程装置接收数据的接收端以及用于向该远程装置发送数据的发送端。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置被配置为根据数据信号强度因子和噪声信号强度因子确定所述可变速率数据通信信道的信噪比。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置被配置为使用数据信号强度因子确定所述可变速率数据通信信道的信噪比，所述数据信号强度因子包括已接收信号强度因子和噪声信号强度因子之间的差值。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线通信装置被配置为将所述可变速率数据通信信道的数据传输速率设置为与所选择的信噪比范围关联的特定的数据传输速率。
10.一种用于控制可变速率数据通信信道的数据传输速率的设备，包括：
信噪比(SNR)确定装置，在非传输周期内监控可变速率数据通信信道以确定其信噪比；以及
迭代速率确定装置，响应于所述SNR确定装置在定义的时间段内无法确定所述可变速率数据通信信道的信噪比，设置所述可变速率数据通信信道的数据传输速率，并且响应于所述SNR确定装置在一段扩展的时间段内无法确定所述信噪比，将所述数据传输速率降低到最低可用速率，其中所述扩展的时间段比所述定义的时间段长。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括：
信噪比比较装置，将所述可变速率数据通信信道的信噪比与多个信噪比范围进行比较。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括：
范围选择装置，选择包含所述可变速率数据通信信道的信噪比的多个信噪比范围中的一个。
13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述SNR确定装置包括：
已接收信号确定装置，用于在传输周期内确定用于所述可变速率数据通信信道的接收端的已接收信号强度因子；以及
噪声信号确定装置，用于确定用于所述可变速率数据通信信道的接收端的噪声信号强度因子。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述SNR确定装置包括数据信号确定装置，用于确定所述已接收信号强度因子和所述噪声信号强度因子的差值，其中，所述差值包括数据信号强度因子。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述SNR确定装置包括SNR计算装置，用于从所述数据信号强度因子和所述噪声信号强度因子确定所述可变速率数据通信信道的信噪比。
16.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述迭代速率确定装置包括初始速率设置装置，用于将所述数据传输速率设置为对应于前一次确定的SNR的选定速率。
17.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述迭代速率确定装置包括用于确定所述传输比率的传输比率确定装置，所述传输比率表示由远程装置接收到的数据分组数目与向所述远程装置发送的数据分组数目之比。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述迭代速率确定装置包括传输速率调节装置，用于响应于所述传输比率处于已定义的可接受比率范围之外，调节所述数据传输速率。
19.一种用于控制可变速率数据通信信道的数据传输速率的系统，包括：
第一无线通信设备，用于确定与可变速率数据通信信道相关联的第一信噪比，如果在定义的第一时间段内无法确定所述第一信噪比，则迭代地调节所述可变速率数据通信信道的第一数据传输速率，并且如果在一段扩展的时间段内无法确定所述信噪比，则将所述数据传输速率降低到最低可用速率，其中所述扩展的时间段比所述定义的时间段长；以及
包括显示器的第一计算机，所述第一计算机耦合到所述第一无线通信设备。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一无线通信设备包括以下中的至少一个：个人计算机存储卡国际协会卡、无线接入点、或者无线网络接口卡。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括：
第二无线通信设备，用于确定与所述可变速率数据通信信道相关联的第二信噪比，并且如果在定义的第二时间段内无法确定所述第二信噪比，则迭代地调节所述可变速率数据通信信道的第二数据传输速率。
22.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括：
远程设备，用于接收由所述第一无线通信设备发送的数据。
23.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一无线通信设备被配置为在非传输周期内监控所述可变速率数据通信信道以确定所述第一信噪比，并且响应于在所述第一已定义时间段内无法确定所述第一信噪比，设置所述第一数据传输速率。
24.一种用于控制可变速率数据通信信道的数据传输速率的方法，其特征在于，包括：
如果在定义的时间段内无法确定与可变速率数据通信信道相关联的信噪比，则迭代地调节所述可变速率数据通信信道的数据传输速率，并且
如果在一段扩展的时间段内无法确定所述信噪比，则将所述数据传输速率降低到最低可用速率，其中所述扩展的时间段比所述定义的时间段长。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：
确定所述信噪比；以及
选择与包含所述信噪比的信噪比范围相关联的所述数据传输速率。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：
使用数据信号强度因子和噪声信号强度因子确定所述信噪比。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：
在非传输周期内监控所述可变速率数据通信信道以确定所述信噪比。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：
把所述定义的时间段作为自前一次成功地计算了所述信噪比开始起的时间段来监控。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：
确定传输比率，所述传输比率包括将成功接收的分组数目除以在所述可变速率数据通信信道上发送的分组数目。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括：
响应于所述传输比率，在将所述传输数据速率降低到下一个更低的速率以及将所述传输数据速率升高到下一个更高的速率之间选择一个。
31.一种用于控制可变速率数据通信信道的数据传输速率的系统，其特征在于，包括：
用于如果在定义的时间段内无法确定与可变速率数据通信信道相关联的信噪比，则迭代地调节所述可变速率数据通信信道的数据传输速率的装置；以及
用于如果在一段扩展的时间段内无法确定所述信噪比，则将所述数据传输速率降低到最低可用速率的装置，
其中所述扩展的时间段比所述定义的时间段长。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，还包括：
用于确定所述信噪比的装置；以及
用于选择与包含所述信噪比的信噪比范围相关联的所述数据传输速率的装置。
33.如权利要求31所述的系统，其特征在于，还包括：
用于使用数据信号强度因子和噪声信号强度因子确定所述信噪比的装置。
34.如权利要求31所述的系统，其特征在于，还包括：
用于在非传输周期内监控所述可变速率数据通信信道以确定所述信噪比的装置。
35.如权利要求31所述的系统，其特征在于，还包括：
用于把所述定义的时间段作为自前一次成功地计算了所述信噪比开始起的时间段来监控的装置。
36.如权利要求31所述的系统，其特征在于，还包括：
用于确定传输比率，所述传输比率包括将成功接收的分组数目除以在所述可变速率数据通信信道上发送的分组数目的装置。
37.如权利要求36所述的系统，其特征在于，还包括：
用于响应于所述传输比率，在将所述传输数据速率降低到下一个更低的速率以及将所述传输数据速率升高到下一个更高的速率之间选择一个的装置。
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