[發明專利]一種適用于無線傳感器網絡的信道自適應多速率調整方法

有效

• 申請號: 201110230880.8
• 申請日: 2011-08-12
• 公開（公告）號: CN102368859A
• 公開（公告）日: 2012-03-07
• 發明（設計）人: 解永生;王翔;周磊磊;付耀光;王營冠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H04W28/22
• 分類號: H04W28/22;H04W84/18;H04L1/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及了一種適用于無線傳感器網絡的信道自適應多速率調整方法，屬于隨機布設的無線傳感器節點的數據傳輸領域。

背景技術

無線傳感器網絡在國防軍事、環境監測、智能家居等領域具有廣泛應用，其物理層和媒體接入層通常采用無線個域網技術，需要其通信網絡滿足低功耗、低成本、低復雜度等要求。無線傳感器節點而又工作在復雜多變的無線環境中，由于多徑效應、多普勒頻移等因素的影響，數據在傳輸時刻具有不確定性。若采用固定的傳輸速率，網絡性能將產生大的起伏，這既不利于系統達到最大的網絡吞吐量，又不能很好地保證服務質量。根據信道狀況采用自適應多速率的傳輸方式有助于提高網絡吞吐量和節省傳輸功耗，在免許可頻段還能夠提高網絡間的共存性。

然而，遺憾的是已有報道的多速率調整方法往往無法根據信道的變化自適應其策略。ARF(Auto?Rate?Fallback)算法和RBAR(Receiver-Based?Auto?Rate)算法是兩個較為經典的多速率調整算法。ARF方法假設信道在一定時間內保持不變，利用信道的歷史信息來判斷當前的傳輸速率。在信道變化較慢時，具有良好的性能，但當信道變化快速時，該方法無法及時更新信道情況，從而降低多速率傳輸性能。RBAR算法每次發送數據前，必須進行一次速率判決請求和確認的交換握手過程，接收端根據速率判決請求幀的信號強度決定后續數據包的傳輸速率，并通過速率判決確認幀將傳輸速率傳給發送端。該方法通過握手協議來確認當前信道情況，因而估計結果比較精確，但會帶來額外的開銷，而且無法充分利用歷史信息來輔助速率判決。ARF算法更適用于變化慢的信道環境，而RBAR算法更適合變化快的信道環境。在無線傳感器網絡中，由于隨機布設的原因，無法事先確定設備間信道的時變特性，需要多速率調整算法能夠自適應信道變化。

發明內容

緣此，本發明的目的在于提供一種適用于無線傳感器網絡的信道自適應的多速率調整方法，解決原有多速率調整方法無法自適應信道變化情況的缺點。本發明的特征在于為混合多速率調整方法，是將快信道調整策略和慢信道策略結合在一起，通過信道的統計信息自適應的選擇最佳的多速率調整方法。發明提供的適用于無線傳感器網絡的信道自適應的多速率調整方法，主要技術方案包括：

1)初始多速率調整策略選擇

無線傳感器網絡節點初始傳輸時，采用快信道多速率調整方法，以快速適應未知的無線信道狀況。

2)數據幀發送流程

完成多速率策略的選擇后，發送方根據相應的多速率調整策略判決最佳的傳輸速率，然后將該速率作為當前傳輸速率發送數據幀。如果在規定的時間間隔內接收到應答幀，則發送方更新多速率調整策略及下次傳輸速率，并等待下一數據幀的到來；如果在規定的時間間隔內沒有接收到應答幀，則發送方更新多速率調整策略及下次傳輸速率，并根據更新后的傳輸速率重新發送該數據幀。

3)多速率調整策略自適應選擇

當工作在快速變化信道環境時，節點進入快信道調整策略狀態，通過握手方式選擇最佳的傳輸速率；當工作在慢變化環境時，節點進入慢信道策略狀態，通過統計歷史傳輸成功信息選擇最佳的傳輸速率。信道自適應多速率調整算法通過對信道的發送情況進行統計，當處于快變信道策略模式時，若連續SlowThresh個數據包均以相同速率發送并成功，則認為信道為慢變狀態，切換為慢變信道策略模式，避免握手交換帶來的功耗開銷；當處于慢變信道策略模式時，若連續出現數據傳輸失敗，并無法通過降低傳輸速率解決傳輸失敗時，認為信道處于快變狀態，因而切換為快變信道策略模式，提高傳輸成功率，降低傳輸失敗帶來的功耗開銷。

4)快信道多速率調整策略

當處于快信道策略狀態時，收發雙方通過握手交互判決最佳傳輸速率。在發送數據幀前，首先由發送方發出速率判決請求幀。接收方在接收到該請求幀時，通過接收時信道測量值評估當前信道的質量，并判決最佳傳輸速率。最后，接收方通過速率判決確認幀將最佳速率信息反饋到接收端，完成最佳速率的握手判決。

5)慢信道多速率調整策略

處于慢信道策略狀態時，發送方根據歷史信道統計信息判決最佳的傳輸速率。若連續SlowSuccThresh次以相同速率發送成功，則發送方將提高一個速率等級進行發送。如果提高該傳輸速率等級后的首次發送失敗，則發送方將恢復原有的速率等級發送；否則，保持該速率等級不變。若在同一速率等級下，發送方有連續SlowFailThresh次發送失敗，則降低一個速率等級進行發送。