窄帶通信條件下高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計與實現(xiàn)

冀峰 康志杰 于衛(wèi)東

摘要：針對傳統(tǒng)窄帶通信條件下無法實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，設(shè)計了一種通用的、高效的、可供多終端并發(fā)參與的數(shù)據(jù)傳輸方法，通過上下行信令的適當簡化，降低數(shù)據(jù)傳輸過程中空中接口的資源開銷，充分利用時隙資源，提高了有限帶寬條件下數(shù)據(jù)的承載效率和吞吐量，為窄帶通信條件下高速數(shù)據(jù)傳輸提供了一種行之有效的方法，具有重要的工程實用價值。

關(guān)鍵詞：窄帶通信；數(shù)據(jù)傳輸；排隊

中圖分類號：TN912.3文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）24-51-4

0引言

移動通信領(lǐng)域中，空中接口（空口）是基站和終端之間的無線傳輸規(guī)范[1-2]，用來定義每個無線信道的使用頻率、帶寬、接入時機及編碼方法等，不同的通信系統(tǒng)有不同的空口定義和標準[3]。

在窄帶通信條件中，受限于空口的帶寬，在某些應(yīng)用場景下，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的效果不是很理想[4-5]。隨著圍繞窄帶通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)日益豐富和完善，用戶對于數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，特別是多點并發(fā)的上下行數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，包括功能、效率和響應(yīng)速度，都提出了較高的要求[6-7]。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中，基本都是通過終端隨機接入申請、接入應(yīng)答、業(yè)務(wù)信道分配和數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)冗^程來完成傳輸流程[8]，而且不能以組用戶作為傳輸對象，只能通過以個人用戶為傳輸對象的輪詢方式來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€過程，在多終端并發(fā)使用的應(yīng)用場景下，這種傳統(tǒng)流程下的數(shù)據(jù)傳輸明顯不能滿足實際應(yīng)用要求[9]。

1傳統(tǒng)的窄帶數(shù)據(jù)傳輸方法

在窄帶網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法是通過數(shù)據(jù)上拉的方式，由系統(tǒng)觸發(fā)上拉信令，終端響應(yīng)并在保留的空口時隙中放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)來共同完成空口數(shù)據(jù)的傳輸[10]。

該方法基本能夠滿足簡單場景下的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用[11-12]，但是在面對多終端、高并發(fā)場景時，其實時性、傳輸效率和交互體驗上不能滿足業(yè)務(wù)的需求[13-14]。傳統(tǒng)窄帶數(shù)據(jù)傳輸流程[13-14]如圖1所示。

以雙時隙信道和雙載波配置為例，傳統(tǒng)窄帶數(shù)據(jù)傳輸空口如圖2所示。

從圖2可以看出，空口的使用效率較低，在不考慮其他業(yè)務(wù)中斷的前提下，使用率約為25%，在多載波配置、業(yè)務(wù)并發(fā)的使用場景下，空口的信令開銷更大，進一步降低了空口的使用率。

2基于終端自主排隊的窄帶數(shù)據(jù)傳輸方法

2.1可用空口信道的分配

基站根據(jù)當前的無線資源配置信息，將可用的業(yè)務(wù)信道資源進行廣播下發(fā)。終端接收無線信道資源，并從中提取信道數(shù)量、收發(fā)頻率和信道號，生成業(yè)務(wù)控制數(shù)據(jù)塊，在業(yè)務(wù)控制數(shù)據(jù)塊中，構(gòu)造包含信道總數(shù)量、收發(fā)頻率和信道號的信道列表。

2.2參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端下發(fā)

基站向終端下發(fā)參與數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的終端總數(shù)量和用戶號碼信息，并同步在業(yè)務(wù)信道上廣播時間同步序列，以統(tǒng)一控制數(shù)據(jù)的上行節(jié)拍。

2.3數(shù)據(jù)傳輸信道和排隊窗口的自主計算

終端根據(jù)空口廣播的業(yè)務(wù)信道資源信息和終端信息，自主計算進行所占用的業(yè)務(wù)信道和數(shù)據(jù)傳輸窗口，自動完成向業(yè)務(wù)信道的遷移。

具體過程為：

（1）計算數(shù)據(jù)傳輸信道

改進的窄帶數(shù)據(jù)傳輸方法流程如圖3所示。

以雙時隙信道和雙載波配置為例，多終端并發(fā)傳輸?shù)目湛谑疽鈭D如圖4所示。

從圖4可以看出，空口的使用率較高，達到了75%左右，在空口信令資源的開銷上，也大大降低。同等條件下，本方法比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法所用時間縮短66%。

3試驗及結(jié)果分析

3.1試驗網(wǎng)絡(luò)組成

試驗系拓撲圖如圖5所示。

參與試驗的終端數(shù)量為100個，基站覆蓋范圍為15 km左右，每20 s觸發(fā)一次業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，進行系統(tǒng)性能的試驗和驗證。

3.2試驗結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)傳輸試驗統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

通過分析可以得出，采用該方法的空口數(shù)據(jù)傳輸成功率很高，而且具有很強的自適應(yīng)能力，當參與執(zhí)行業(yè)務(wù)的終端數(shù)量、無線信道資源的梳理發(fā)生變化時，該算法無需基站和終端頻繁交互，可以自主計算和平衡，以達到良好的數(shù)據(jù)傳輸效果，充分滿足了在窄帶網(wǎng)絡(luò)條件下實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求。

4結(jié)束語

本文提出的數(shù)據(jù)傳輸方法，在多終端并發(fā)的使用場景下，克服了傳統(tǒng)方法中只能使用單一信道的弊端，將數(shù)據(jù)傳輸通道擴展至所有空閑的業(yè)務(wù)信道（除預留外），同時，通過簡化空口的數(shù)據(jù)傳輸信令交互，提高空口傳輸效率，來提升網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量。

目前該傳輸方法已經(jīng)在人防系統(tǒng)中進行了實際的業(yè)務(wù)測試和應(yīng)用，在20 km的廣域覆蓋條件下，完成了200臺數(shù)據(jù)采集終端的壓力測試，業(yè)務(wù)成功率達到99.9%以上，取得了良好的應(yīng)用效果。在實時性方面，傳統(tǒng)方式需要十幾分鐘的數(shù)據(jù)傳輸過程，改進后只需要幾十秒即可完成，提高了工作效能，對于窄帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的數(shù)據(jù)傳輸效率提升，有著積極的參考意義。

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