[發(fā)明專利]一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310719071.2
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103716808A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫偉;王建平;穆道明;朱程輝;徐曉冰;戴雷;李奇越;秦劍;鄧凡李
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H04W24/00
• 分類號: H04W24/00;H04W84/18
• 代理公司: 合肥和瑞知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 任崗生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的預(yù)測方法。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是有許多安裝在固定設(shè)施上并具有無線收、發(fā)能力的節(jié)點(diǎn)組成的一種無線通信網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點(diǎn)采集不同的物理數(shù)據(jù)(如：電網(wǎng)中輸電線電壓、電流、電表讀數(shù)等)。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信距離有限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)無法直接通信時，通過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，多跳路由方式，提高通信距離。通常在較為密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，兩個節(jié)點(diǎn)間可能有多條傳輸路徑可供選擇時，應(yīng)該選擇鏈路質(zhì)量較優(yōu)的路徑傳輸數(shù)據(jù)，能保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。作為鏈路質(zhì)量評價指標(biāo)，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包接收率P_rr是成功接收到數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)量之比。因此，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包接收率P_rr的是通信完成后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不能在數(shù)據(jù)發(fā)送前得出，無法用于傳輸路徑的選擇。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述鏈路質(zhì)量預(yù)測的問題，本發(fā)明提供一種基于背景噪音擬合和接收信號強(qiáng)度模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量預(yù)測方法。即在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，增加節(jié)點(diǎn)對每跳鏈路質(zhì)量的預(yù)測能力，避免節(jié)點(diǎn)使用不可靠鏈路傳輸數(shù)據(jù)，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信可靠性能。

本發(fā)明的思路是，將鏈路質(zhì)量的影響因素分為隨機(jī)性的背景噪音擾動（如電磁干擾噪音、設(shè)備噪音）和平穩(wěn)性的信號強(qiáng)度衰減擾動（如地形地貌、天氣、環(huán)境變化）兩類。根據(jù)背景噪音擾動變化快、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，使用節(jié)點(diǎn)在線實(shí)時監(jiān)聽的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)空閑時背景噪音時間序列信息，采用alpha-stable分布擬合環(huán)境背景噪音的方法，建立背景噪音數(shù)學(xué)模型；根據(jù)信號強(qiáng)度衰減擾動變化緩慢且平穩(wěn)的特點(diǎn)，通過對數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型，以通信時節(jié)點(diǎn)獲取的接收信號強(qiáng)度時間序列和固定的節(jié)點(diǎn)間距信息，采用最小二乘法估計(jì)影響信號強(qiáng)度的環(huán)境參數(shù)，建立接收信號強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型；根據(jù)背景噪音數(shù)學(xué)模型和接收信號強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型，計(jì)算數(shù)據(jù)包接收率P_rr，作為表征鏈路質(zhì)量預(yù)測值。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量預(yù)測方法。該方法根據(jù)接收信號強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型和背景噪音數(shù)學(xué)模型，預(yù)測拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定且已知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包接收率P_rr，并將節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包接收率P_rr作為鏈路質(zhì)量評價指標(biāo)，包括如下步驟：

1）數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)對背景噪音的監(jiān)聽和擬合建模，具體步驟如下：

a）在網(wǎng)絡(luò)空閑時，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽所處環(huán)境的背景噪音，記錄監(jiān)聽到的背景噪音強(qiáng)度值的時間序列數(shù)據(jù)；

b）保存最后監(jiān)聽到的w_n個背景噪音強(qiáng)度值的時間序列數(shù)據(jù)，同時將過期數(shù)據(jù)刪除；

優(yōu)選的，w_n的數(shù)量控制在150000-200000個之間；

c）采用alpha穩(wěn)定分布對保存的背景噪音強(qiáng)度值的時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合的alpha穩(wěn)定分布參數(shù)α、β、c和μ；

d）采用擬合的參數(shù)α、β、c和μ，得到alpha穩(wěn)定分布表征背景噪音數(shù)學(xué)模型P_n；

2）數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)建立接收信號強(qiáng)度模型，具體步驟如下：

a）數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在每次成功接收來自數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，記錄數(shù)據(jù)接收信號強(qiáng)度的時間序列數(shù)據(jù)；

b）根據(jù)已知的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)記錄與每個接收信號強(qiáng)度相對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸距離數(shù)據(jù)；

c）數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)保存最后得到的w_r個接收信號強(qiáng)度的時間序列數(shù)據(jù)和相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)，同時將過期數(shù)據(jù)刪除；

優(yōu)選的，w_r的數(shù)量控制在1000-10000個之間；

d）采用w_r組接收信號強(qiáng)度的時間序列數(shù)據(jù)和相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)，使用最小二乘法，對對數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型中的未知參數(shù)L_c、n和X_σ的方差σ進(jìn)行計(jì)算；其中：

d是間距，P_r(d)是在間距為d時接收信號強(qiáng)度，P_t是數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)無線發(fā)射功率，L_c是電路及天線的實(shí)際增益或損耗，n是環(huán)境的路徑損耗指數(shù)，X_σ是無線信號傳輸陰影衰落項(xiàng)，且X_σ服從均值為0、方差為σ的正態(tài)分布即X_σ～N(0,σ)，d₀是參考距離，PL(d₀)是參考距離d₀下無線信號的理想空間傳輸路徑損耗；