[发明专利]一种无线传感器网络链路质量预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络链路质量的预测方法。

背景技术

无线传感器网络是有许多安装在固定设施上并具有无线收、发能力的节点组成的一种无线通信网络。这些节点采集不同的物理数据(如：电网中输电线电压、电流、电表读数等)。

由于无线传感器网络的通信距离有限，当网络中两个节点无法直接通信时，通过中间节点转发，多跳路由方式，提高通信距离。通常在较为密集的无线传感器网络中，两个节点间可能有多条传输路径可供选择时，应该选择链路质量较优的路径传输数据，能保证数据通信的可靠性。作为链路质量评价指标，节点间数据包接收率P_rr是成功接收到数据包数量与发送的数据包总数量之比。因此，节点间数据包接收率P_rr的是通信完成后的统计结果，不能在数据发送前得出，无法用于传输路径的选择。

发明内容

为解决上述链路质量预测的问题，本发明提供一种基于背景噪音拟合和接收信号强度模型的无线传感器网络链路质量预测方法。即在无线传感器网络中，增加节点对每跳链路质量的预测能力，避免节点使用不可靠链路传输数据，提高无线传感器网络通信可靠性能。

本发明的思路是，将链路质量的影响因素分为随机性的背景噪音扰动（如电磁干扰噪音、设备噪音）和平稳性的信号强度衰减扰动（如地形地貌、天气、环境变化）两类。根据背景噪音扰动变化快、随机性强的特点，使用节点在线实时监听的无线传感器网络空闲时背景噪音时间序列信息，采用alpha-stable分布拟合环境背景噪音的方法，建立背景噪音数学模型；根据信号强度衰减扰动变化缓慢且平稳的特点，通过对数正态阴影路径损耗模型，以通信时节点获取的接收信号强度时间序列和固定的节点间距信息，采用最小二乘法估计影响信号强度的环境参数，建立接收信号强度数学模型；根据背景噪音数学模型和接收信号强度数学模型，计算数据包接收率P_rr，作为表征链路质量预测值。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种无线传感器网络链路质量预测方法。该方法根据接收信号强度数学模型和背景噪音数学模型，预测拓扑结构固定且已知的无线传感器网络中的节点间数据包接收率P_rr，并将节点间数据包接收率P_rr作为链路质量评价指标，包括如下步骤：

1）数据接收节点对背景噪音的监听和拟合建模，具体步骤如下：

a）在网络空闲时，数据接收节点监听所处环境的背景噪音，记录监听到的背景噪音强度值的时间序列数据；

b）保存最后监听到的w_n个背景噪音强度值的时间序列数据，同时将过期数据删除；

优选的，w_n的数量控制在150000-200000个之间；

c）采用alpha稳定分布对保存的背景噪音强度值的时间序列数据进行拟合，得到拟合的alpha稳定分布参数α、β、c和μ；

d）采用拟合的参数α、β、c和μ，得到alpha稳定分布表征背景噪音数学模型P_n；

2）数据接收节点建立接收信号强度模型，具体步骤如下：

a）数据接收节点在每次成功接收来自数据发送节点的数据后，记录数据接收信号强度的时间序列数据；

b）根据已知的网络拓扑结构，数据接收节点记录与每个接收信号强度相对应的数据传输距离数据；

c）数据接收节点保存最后得到的w_r个接收信号强度的时间序列数据和相应的距离数据，同时将过期数据删除；

优选的，w_r的数量控制在1000-10000个之间；

d）采用w_r组接收信号强度的时间序列数据和相应的距离数据，使用最小二乘法，对对数正态阴影路径损耗模型中的未知参数L_c、n和X_σ的方差σ进行计算；其中：

d是间距，P_r(d)是在间距为d时接收信号强度，P_t是数据发送节点无线发射功率，L_c是电路及天线的实际增益或损耗，n是环境的路径损耗指数，X_σ是无线信号传输阴影衰落项，且X_σ服从均值为0、方差为σ的正态分布即X_σ～N(0,σ)，d₀是参考距离，PL(d₀)是参考距离d₀下无线信号的理想空间传输路径损耗；