[發明專利]基于統計的無線傳感器網絡流量評估方法

有效

• 申請號: 201210504980.X
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN103024797A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 朱彤;劉峻良;何源;劉云浩
• 申請（專利權）人: 無錫清華信息科學與技術國家實驗室物聯網技術中心
• 主分類號: H04W24/08
• 分類號: H04W24/08;H04W84/18
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 馬曉亞

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡領域，尤其涉及一種基于統計的無線傳感器網絡流量評估方法。

背景技術

隨著通信技術、傳感器技術和嵌入式計算技術的快速發展和日益成熟，具有通信、傳感和計算能力的微型傳感器節點開始出現，并且被逐漸的應用到生產和生活之中。這種無線傳感器網絡能夠協調地感知、采集和處理網絡覆蓋區域內的各種環境或監測對象信息，并發布給需要這些信息的用戶。無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式，可廣泛地應用于環境監測、工農業控制、生物醫療、國防軍事等諸多領域。通常無線傳感器網絡由電池驅動，并且往往部署在人跡罕至的地方，使得電池替換變得異常麻煩。為了解決有限的電池容量和長時間部署需求之間的矛盾，周期工作（Duty-cycling）的工作模式已經成為業界的廣泛應用的方案。無線傳感器網絡中的節點主要完成兩類工作:數據采集和數據傳輸。數據采集包括周期性的數據采集，如環境中的溫濕度，二氧化碳濃度；以及突發事件的數據采集，如森林火災，車輛檢測。數據傳輸工作由無線傳感器網絡本身的特點決定，大量傳感器節點以自組織(ad-hoc)的方式組成無線網絡，并且以多跳的方式幫助其他節點將數據發回基站。大量研究表明，在環境監測等周期性采集數據的無線傳感器網絡應用中，能量開銷基本由無線收發器(radio)開啟的時間決定。因此，如何減少無線收發器開啟時間成了延長無線傳感器網絡壽命的關鍵所在。

周期工作技術已經成為廣為采用的節點節能方案。在周期工作的無線傳感器網絡中，無線收發器周期性的開啟，從而在大部分時間中，無線收發器都處于關閉狀態，從而節約了大量的能量。無線收發器分為兩種工作狀態：開啟狀態和空閑狀態。當無線收發器處于開啟狀態時，傳感器節點發送或者接受數據包。當處于空閑狀態，無線收發器關閉，從而節約了大量能量。

基于周期工作技術，已經創建了大量媒體接入方法。這些方法主要分為兩類：同步接入方法和異步接入方法。同步接入方法需要傳感器節點的無線收發器同步醒睡，但這樣會導致大量的能量消耗在同步的維護上。在異步接入方法中，傳感器節點不需要同步它們之間的醒睡計劃，但這樣帶來的問題是，發送方醒來時，接收方可能處于空閑狀態，將會錯過正在發送的數據包。為了確保數據包能被接收方收到，低功耗監聽技術(LPL)廣泛應用于異步的周期工作技術中。具體來說，發送方在傳輸數據包之前，會發送一個長度足以覆蓋接收方空閑時間間隔的前同步碼（preamble），這樣能確保接收方在醒來時能至少收到一次數據包。

采用低功耗監聽技術的無線傳感器網絡的網絡流量給很多無線傳感器應用帶來幫助，尤其在節能方面。在低功耗監聽技術中，大部分能量消耗在前同步碼上。有研究表明，在常用的環境監測無線傳感器應用中，平均前同步碼的長度是平均實際傳輸數據包長度的六十五倍，這說明大部分能量消耗在前同步碼上。如果已知無線傳感器網絡數據流的模式，接收方能夠預測下個數據包的到來時間，這樣接收方就能在發送方開始發送之前醒來，從而大大減少了前同步碼發送的長度。無線傳感器網絡的數據包到達的過程可以建模成泊松過程(Poisson?Process)。泊松過程要求數據包到達的時間間隔服從指數分布，但低功耗監聽技術中，由于周期性的醒睡，使得數據包到達的時間間隔無法滿足指數分布的特性，從而無法滿足泊松過程的特性。具體來說，服務于周期性數據采集的應用的無線傳感器網絡的數據流主要受低功耗技術中的占空比(dutycycle)和數據采集周期的影響。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種基于統計的無線傳感器網絡流量評估方法，其基于實際統計結果，對線傳感器網絡流量進行評估，判斷其是否滿足泊松過程，不僅更貼合實際，效率高，而且避免了大量采樣的開銷。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于統計的無線傳感器網絡流量評估方法，其包括如下步驟：

A、通過基于窗口切割的安德森-達林（Andson-daring）測試來判斷每個節點發出的數據包的時間間隔是否服從指數分布；

B、通過自相關方法判斷每個節點發送數據包時間間隔序列是否相互獨立；

C、根據步驟A和步驟B的判斷結果，當每個節點發出的數據包的時間間隔滿足指數分布，而且每個節點發送數據包時間間隔序列相互獨立時，對無線傳感器網絡進行泊松分布建模。

特別地，所述步驟A中基于窗口切割的安德森-達林測試具體包括：