通過少量數(shù)據(jù)包估計無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了通過少量數(shù)據(jù)包估計無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的方法。方法包括如下幾步：接收數(shù)據(jù)包的信噪比、鏈路質(zhì)量指數(shù)和數(shù)據(jù)包接收率的統(tǒng)計、回歸參數(shù)計算和模型選擇、鏈路質(zhì)量估計后修改估計鏈路質(zhì)量表達(dá)式幾步，并給出具體的實施方式，該方法可以在鏈路質(zhì)量動態(tài)變化的環(huán)境中根據(jù)少量接收數(shù)據(jù)包的參數(shù)估計將來一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包接收率，并且具有可區(qū)分PRR不同的過渡型鏈路、能更準(zhǔn)確度量鏈路的SNR和LQI、具備自我修復(fù)能力以及易于實施的優(yōu)點。
【專利說明】通過少量數(shù)據(jù)包估計無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)少量數(shù)據(jù)包的信噪比、鏈路質(zhì)量指數(shù)和包接收率估計無線傳 感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的方法，屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 真實環(huán)境下，受自由衰落、多徑衰落和陰影衰落等因素的影響，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù) 據(jù)包接收率會有差異，一般根據(jù)鏈路質(zhì)量分為穩(wěn)定連接型（數(shù)據(jù)包接收率> 90%)、過渡型 (10 % <數(shù)據(jù)包接收率<90 %)和低接收率型（接收率固定較低），大量的節(jié)點的鏈路質(zhì)量 屬于過渡型，其數(shù)據(jù)包接收率（以下簡稱PRR)在10% - 90%之間動態(tài)變化。
[0003] PRR能最直接反應(yīng)鏈路質(zhì)量，獲得PRR需要對大量數(shù)據(jù)包的收發(fā)情況進(jìn)行統(tǒng)計，但 是收發(fā)大量數(shù)據(jù)包會引發(fā)能量消耗和通信延遲等一系列的問題。
[0004] 信噪比（以下簡稱SNR)和鏈路質(zhì)量指數(shù)（以下簡稱LQI)是衡量鏈路質(zhì)量的另外 兩個指標(biāo)，SNR可由無線射頻芯片中獲得的參數(shù)通過一定計算得到，LQI可由無線射頻芯片 直接獲得。以CC2420為例，該芯片有一個內(nèi)置的接收信號強度指示寄存器RSSI_VAL，讀取 該值再減去45dB即可得到接收信號功率，空閑（沒有接收數(shù)據(jù)包）時的接收信號功率就是 噪聲功率，正在接收數(shù)據(jù)包時的接收信號功率減去噪聲功率可得SNR。SNR和PRR之間有 單調(diào)增加的對應(yīng)關(guān)系，鏈路質(zhì)量指數(shù)（LQI)指示接收到的數(shù)據(jù)包的差錯率，CC2420芯片提 供了一個平均相關(guān)值Corr，LQI可由（Corr-a) ?b計算得到（a和b是常數(shù)，在0 - 255之 間），通常，計算得到的LQI在50 - 110之間，LQI的均值和PRR之間的單調(diào)遞增關(guān)系較好。
[0005]目前，已有的采用SNR和LQI估計鏈路質(zhì)量有如下缺點：采用單一的SNR估計鏈路 質(zhì)量，3順在3.4-7.3(18之間變化，即可導(dǎo)致？1^在10%-90%之間劇烈變化，因此，僅采 用信噪比這一參數(shù)估計鏈路質(zhì)量存在鏈路質(zhì)量的"分辨率"過低（SNR很小的變化就會導(dǎo)致 PRR劇烈變化）、難以區(qū)分PRR不同的過渡型鏈路的問題；由于CC2420只記錄接收到的數(shù)據(jù) 包的接收信號強度和LQI，因此，采用SNR、LQI或者兩者的均值估計鏈路質(zhì)量時，記錄的SNR 和LQI比實際鏈路偏高，從而導(dǎo)致SNR-PRR曲線和LQI-PRR曲線有偏差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有的采用PRR、SNR或LQI估計鏈路質(zhì)量存在的不足，本發(fā)明提出一種將 PRR、SNR和PRR融合，僅通過少量數(shù)據(jù)包就可進(jìn)行鏈路質(zhì)量估計的方法。
[0007] -種通過少量數(shù)據(jù)包估計無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的方法，步驟包括：接收數(shù)據(jù)包 SNR、LQI和PRR的統(tǒng)計、回歸參數(shù)計算和模型選擇、鏈路質(zhì)量估計和修改估計鏈路質(zhì)量表達(dá) 式；
[0008] 步驟1):接收數(shù)據(jù)包SNR、LQI和PRR的統(tǒng)計，
[0009]發(fā)射機和接收機的位置固定后，發(fā)射機發(fā)送StartNum個StartTransmitMsg消息， 消息的時間間隔為tpStartNum彡100,StartTransmitMsg消息中包含消息序列號；接著， 發(fā)射機無時間空隙地發(fā)送m*w個長度為Length的數(shù)據(jù)包，m、w分別為10 - 20的自然數(shù)， Length為20 -30bytes,數(shù)據(jù)包的時間間隔為t2，每m個數(shù)據(jù)包記為一批，接收機接收到第一 個StartTransmitMsg消息后，對于第1批數(shù)據(jù)包，根據(jù)接收到的StartTransmitMsg消息的 時間和序列號分別計算發(fā)射機發(fā)送的第一批數(shù)據(jù)包中第1個、第m個數(shù)據(jù)包的時間點，在第 1個時間點之前將SNRt(rtal和LQIt(rtal置為0,在第1個和第2個時間點之間接收發(fā)射機發(fā)送 的數(shù)據(jù)包，計算每個包的信噪比的方法如下：接收機以60ms為周期定時采樣信道空閑時的 接收信號功率，作為一次噪聲基底的樣本值并更新噪聲基底表中的條目，每8次采樣后由8 個條目的平均值計算此時的噪聲基底，接收到的數(shù)據(jù)包的信噪比由該數(shù)據(jù)包的接收信號功 率減去噪聲基底得到；把接收到的數(shù)據(jù)包的SNR和LQI的值累加，統(tǒng)計接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)目 m'，在第2個時間點將SNR和LQI的累加值分別記為SNRt(rtal和LQIt(rtal，按下述公式計算第 一批數(shù)據(jù)包的平均信噪比SNRAvgl、第一批數(shù)據(jù)包的平均鏈路質(zhì)量指數(shù)LQIAvgl和第一批數(shù)據(jù) 包的數(shù)據(jù)包接收率PR&:

【權(quán)利要求】
1. 一種通過少量數(shù)據(jù)包估計無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的方法，其特征在于，步驟包括： 接收數(shù)據(jù)包SNR、LQI和PRR的統(tǒng)計、回歸參數(shù)計算和模型選擇、鏈路質(zhì)量估計和修改估計鏈 路質(zhì)量表達(dá)式； 步驟1):接收數(shù)據(jù)包SNR、LQI和PRR的統(tǒng)計， 發(fā)射機和接收機的位置固定后，發(fā)射機發(fā)送StartNum個StartTransmitMsg消息，消息 的時間間隔為tpStartNum彡100,StartTransmitMsg消息中包含消息序列號；接著，發(fā)射 機無時間空隙地發(fā)送m*w個長度為Length的數(shù)據(jù)包，m、w分別為10 - 20的自然數(shù)，Length 為20 - 30bytes,數(shù)據(jù)包的時間間隔為t2,每m個數(shù)據(jù)包記為一批,接收機接收到第一個 StartTransmitMsg消息后，對于第1批數(shù)據(jù)包，根據(jù)接收到的StartTransmitMsg消息的時 間和序列號分別計算發(fā)射機發(fā)送的第一批數(shù)據(jù)包中第1個、第m個數(shù)據(jù)包的時間點，在第1 個時間點之前將SNRtrtal和LQIttrtal置為0,在第1個和第2個時間點之間接收發(fā)射機發(fā)送 的數(shù)據(jù)包，計算每個包的信噪比的方法如下：接收機以60ms為周期定時采樣信道空閑時的 接收信號功率，作為一次噪聲基底的樣本值并更新噪聲基底表中的條目，每8次采樣后由8 個條目的平均值計算此時的噪聲基底，接收到的數(shù)據(jù)包的信噪比由該數(shù)據(jù)包的接收信號功 率減去噪聲基底得到；把接收到的數(shù)據(jù)包的SNR和LQI的值累加，統(tǒng)計接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)目 m'，在第2個時間點將SNR和LQI的累加值分別記為SNRttrtal和LQIttrtal，按下述公式計算第 一批數(shù)據(jù)包的平均信噪比SNRavs1、第一批數(shù)據(jù)包的平均鏈路質(zhì)量指數(shù)LQIavs1和第一批數(shù)據(jù) 包的數(shù)據(jù)包接收率PRR1:
對于發(fā)射機發(fā)送的第2, 3……w批數(shù)據(jù)包，接收機也進(jìn)行類似的統(tǒng)計和運算，分別得到SNRavs2,LQIavs2,PRR2,……，SNRAvgw，LQIAvgw，PRRw，去除PRR= 1 的數(shù)據(jù)點，假設(shè)去除后只有p組 數(shù)據(jù)點SNRAvgl，LQIAvgl，PRR1,......，SNRAvgp，LQIAvgp，PRRp ; 步驟2):模型參數(shù)計算和模型選擇， 2. 1)使用的模型 鏈路質(zhì)量估計中，步驟1)中每一批PRR〈1的m個數(shù)據(jù)包的接收率和數(shù)據(jù)包的SNRAvgjP LQIAvgi符合下述單調(diào)遞增的模型表達(dá)式之一： 模型一， Pimi^ Ai-SNR1hvj+ Br LQI1lnv⑷， 模型二， PRRi =A2 ·SNRAvgi+B2 ·LQIAvgi+C2 (5)， 其中，i= 1，2,……參數(shù)； 2. 2)模型參數(shù)計算 分別按上述2. 1)中兩種模型的表達(dá)式對p個數(shù)據(jù)點（SNRAvgl，LQIAvgl，PRR1)，…… ，（SNRavsp,LQIAvgp，PRRp)進(jìn)行線性回歸，具體計算方法如下： 第一種模型， 對上述P個數(shù)據(jù)點采用二元線性回歸，得參數(shù)A1和B1的值計算公式如下：
由此得到公式(5)中的參數(shù)ApB1，然后確定模型一的表達(dá)式；再將p個數(shù)據(jù)點對 (SNRAvgl,LQIavs1),……，（SNRavsp,LQIavsp)帶入模型一的表達(dá)式，可得p個計算得到的數(shù)據(jù)包 接收率PRReall,PRReal2,……,PRRealp，記^>士|>撤,氣麗=士！洲氣則皮爾遜相 Pi~! Pi~l 關(guān)系數(shù)R1由以下公式求出
第二種模型， 當(dāng)P個數(shù)據(jù)點符合公式(5)的模型時，采用二元線性回歸的方法，得參數(shù)A2、B2和C2的值 計算公式如下： ^Dl 2=￥ (9)， 2=~D (10)， 1=? 紙 其中D、DpD2、D3的計算方法如下：

由此得到公式(5)中的參數(shù)A2、B2、C2，進(jìn)而確定模型二的表達(dá)式，再將p個數(shù)據(jù)點對 (SNRAvgl,LQIavs1),……，（SNRavsp,LQIavsp)帶入模型二的表達(dá)式，得到p個計算得到的數(shù)據(jù)包 接收率PRReall,PRReal2,……，PRRm1p，記= 士輯氣Z5撤=士玄漬,.，則皮爾遜 相關(guān)系數(shù)R2可由以下公式求出
步驟2.3):模型選擇， 當(dāng)Rl和R2中只有一個大于0. 7時，皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于0. 7的模型計算值能準(zhǔn)確反 應(yīng)實際的PRR變化，用該模型表達(dá)式對鏈路質(zhì)量進(jìn)行估計； 當(dāng)Rl和R2都大于0. 7時，這兩個模型計算值都能準(zhǔn)確反應(yīng)實際的PRR變化，因此這兩 個模型都可對鏈路質(zhì)量進(jìn)行估計； 當(dāng)Rl和R2都小于0. 7時，這兩個模型計算值都能不能準(zhǔn)確反應(yīng)實際的PRR變化，因此 重復(fù)第一步和第二步，直到選出皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于0.7的模型，用該模型表達(dá)式對鏈路 質(zhì)量進(jìn)行估計； 步驟3):鏈路質(zhì)量估計， 發(fā)射機發(fā)送q個長度為Length的數(shù)據(jù)包，q為10 - 20,接收機將收到的數(shù)據(jù)包的SNR和LQI分別累加，得到SNRsum和LQIsum，通過下述公式計算出SNR'Avg和LQI'Avg :
將計算得到的SNR'Avg和LQI'Avg代入步驟2. 3)選擇的模型的表達(dá)式即可估計出這段時 間內(nèi)本條鏈路的包接收率PRRimsmt ; 發(fā)射機在緊接著5秒內(nèi)發(fā)送長度為Length數(shù)據(jù)包時， DDD --pnn ΓIVIVprediction Γ J\J\presenl： j 步驟4):鏈路質(zhì)量估計后修改估計鏈路質(zhì)量表達(dá)式， 在步驟3)中，如果發(fā)射機第1次發(fā)送了q個長度為Length的數(shù)據(jù)包，按表達(dá)式?)計算 出的PRRpralietitm記為PRRpralietitml，緊接著5秒內(nèi)發(fā)送了多個長度為Length的數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計 得到的數(shù)據(jù)包接收率為PRR1，鏈路質(zhì)量估計的相對誤差為
同理可得第2, 3, 4,......，r次發(fā)送了q個長度為Length的數(shù)據(jù)包并實測數(shù)據(jù)包接收率 后，鏈路質(zhì)量估計的相對誤差為S2,δ3,δ4,......，δρ當(dāng)相對誤差的值大于10%的次數(shù) 有3次時，就開始修改估計鏈路質(zhì)量表達(dá)式的過程，即重復(fù)步驟1)、步驟2)、步驟3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟2. 3):當(dāng)Rl和R2都大于0. 7 時，優(yōu)選的，以皮爾遜相關(guān)系數(shù)更大的模型表達(dá)式對鏈路質(zhì)量進(jìn)行估計。
【文檔編號】H04W84/18GK104320805SQ201410584342
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】魯琛 申請人:浙江科技學(xué)院