CN103701567B - 一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法与系统 - Google Patents
一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法与系统。该自适应调制方法包括：检测当前节点的水含量；接收邻居节点发送的水含量；根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。本发明利用WUSN信道特性与土壤环境的关系，可以简单、低成本地实现WUSN网络节点设备的实时AMC功能，简化了节点的设计，消除了对信道变化的延迟反映。
Description
技术领域
本发明涉及地下无线传感器网络，具体地，涉及一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法与系统。
背景技术
在无线通信系统中，由于无线衰落信道时变的特点，使通信过程存在大量的不确定性。如果采取传输速率较高的高阶调制进行通信，可以提高系统吞吐量，但当信道处于深衰落时则无法保障通信可靠稳定地进行；另一方面，如为保障通信的可靠性，采用传输速率较低的低阶调制进行通信，则会制约系统吞吐量的提高，从而造成资源浪费。在移动通信技术的发展早期，人们对抗无线衰落信道的时变特性，只能采用加大发射机发射功率等简单方法。随着科技水平的进步，出现了可根据信道状态自适应地调节设备发射功率、调制编码方式以及数据的帧长等方法来克服信道的时变特性从而获得最佳通信效果。这些方法被称为链路自适应技术。
自适应调制与编码（AMC）即是一种根据信道情况自适应改变调制及编码方式的技术，其核心思想是：在不牺牲误比特率性能(比如BER)的前提下，根据无线通信环境和QoS要求，动态地改变发送端的发送功率、波特率、星座图的大小、编码方案、码率等，或者是综合改变前面所述的各种参数。在较好的无线信道条件下使用高阶调制方法，获得较大的吞吐量；当无线信道质量下降时，采用低阶调制方法，相应地降低传输速率，以保证通信的可靠性。最终达到提高系统资源的利用率，获得较高的系统吞吐量和容量的目的。
现有的一种AMC实现方法是采用自动传输率后退协议，即对发送结果进行跟踪，根据失败率来调节调制方式。当发送端发送一个数据包之后，接收端需要发送一个ACK包对其进行验证。如果发端在规定时间内未收到ACK数据包，则需进行重传。在规定的重传次数之后如果依然未收到ACK数据包，则将调制方式下调一个等级。如在规定时间内持续一次成功接收ACK数据包，则将调制方式上调一个等级。这种方法的优点是实现简单，设备不需进行信道估计。这种方法的缺点是不能对信道的时变性做出快速反应，转换调制编码方式往往滞后于信道的变化，很难使系统吞吐量有较大的提高。
另外一种主流方法是基于信道估计的AMC方法，其基本原理是：接收端在接收数据的同时，根据所接收信号的幅值变化或误码率等因素来估计或预测下一数据帧传输时的信道状况并将其反馈回发送端，发送端再根据反馈情况决定下一数据帧应采用的调制编码方式，从而更好地适应信道的变化。这种方法的缺点是在接收端要对数据进行采样、量化等处理，设备需要有信道估计的功能模块，实现起来比较复杂。另外，估计误差成为影响系统性能的一个重要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法与系统，以实时地调整无线地下传感器网络中各节点的调制和编码方式。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法，该自适应调制方法包括：检测当前节点的水含量；接收邻居节点发送的水含量；根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。
优选地，水含量为水含量的绝对值或变化值。
优选地，所述当前节点具有邻居列表，所述邻居列表中存储邻居节点发送的水含量；在所述邻居节点不在所述邻居列表的情况下，所述当前节点将所述邻居节点加入所述邻居列表。
优选地，根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式包括：在所述当前节点存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式；或在所述当前节点没有存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。
优选地，水含量划分为多个范围，每个范围与特定的调制与编码方式对应。
本发明提供了一种用于无线地下传感器网络的自适应调制系统，该自适应调制系统包括：检测模块，用于检测当前节点的水含量；通信模块，用于接收邻居节点发送的水含量；自适应调制模块，用于根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。
优选地，水含量为水含量的绝对值或变化值。
优选地，所述当前节点具有邻居列表，所述邻居列表中存储邻居节点发送的水含量；在所述邻居节点不在所述邻居列表的情况下，所述当前节点将所述邻居节点加入所述邻居列表。
优选地，所述自适应调制模块，用于在所述当前节点存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式；或在所述当前节点没有存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。
优选地，水含量划分为多个范围，每个范围与特定的调制与编码方式对应。
本发明利用WUSN信道特性与土壤环境的关系，可以简单、低成本地实现WUSN网络节点设备的实时AMC功能，简化了节点的设计，消除了对信道变化的延迟反映。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的自适应调制系统示意图；
图2是本发明提供的自适应调制方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在无线地下传感器网络（WUSN）中，外界环境变化会对地下信道产生影响，其中起决定性作用的因素是土壤的含水量。在工作频率不变的情况下，土壤含水量百分比的线性增加会引起WUSN系统误码率的指数性增大。因此，对地下信道的变化情况可以用土壤水含量的变化情况来表征。对于近地表WUSN，由于传感器节点埋藏较浅，深度通常在10-20cm左右，因此天气（如下雨）、季节的变化很容易引起土壤水含量的变化，从而改变系统的信道特性。采用一种与土壤含水量相结合的AMC方法，可以使WUSN系统自适应地根据天气、季节等外界变化，调节所使用的调制编码方式，从而既能保持系统的稳定性工作，又能获取最优的系统吞吐量。
本发明提供的用于无线地下传感器网络的自适应调制系统如图1所示，该自适应调制系统包括：检测模块，用于检测当前节点的水含量；通信模块，用于接收邻居节点发送的水含量；自适应调制模块，用于根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。水含量为水含量的绝对值或变化值。
为了存储邻居节点的信息，当前节点具有邻居列表，所述邻居列表中存储邻居节点发送的水含量。在所述邻居节点不在所述邻居列表的情况下，所述当前节点将所述邻居节点加入所述邻居列表。
自适应调制模块，用于周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者周期性地确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。其中，水含量划分为多个范围，每个范围与特定的调制与编码方式对应。
具体而言，检测模块的功能是实时检测土壤中的水含量，将数据传输给自适应调制模块，用以计算下一数据帧所应采取的调制和编码方式。可以是周期性工作模式，即每隔固定时间间隔，向自适应调制算法模块传递土壤含水量绝对值；也可以是基于事件触发的工作模式，即当检测到水含量发生变化，立即向自适应调制模块发送水含量的变化量。
自适应调制模块按照检测模块检测到的该节点周围的土壤含水量绝对值或变化值，以及由通信模块收到的通信邻居节点所发来的通信对端周围的土壤含水量绝对值或变化值，计算出发到该邻居节点的下一数据帧或下一周期的数据帧的调制和编码方式，然后将相应的参数传给通信模块。
通信模块是进行数据收发的模块，可以接收自适应调制算法模块发来的参数，并按照这些参数设置下一数据帧或下一周期数据桢的调制和编码方式。另外，负责接收其它传感器节点发来的数据，从中读出其它节点发来的水含量绝对值或变化值，将其发送给自适应调制模块。
本发明提供的自适应调制方案相较于现有技术中的第一种方案，本发明不需要延迟，可以实时对信道状态的变化做出响应；相较于现有技术中的第二种方案，本发明不需要进行信道估计，因此设备实现相对简单。
图2示出了无线传感器节点自适应调制的工作流程。传感器节点通过两个信息来判断采用哪种调制和编码方式：一是自己周围的土壤含水量或其变化量，二是与其通信的节点发来的该节点周围的土壤含水量或变化量。对两者进行比较，选择含水量大，即信道特性差的一端作为基准，来选择调制和编码方式。调制和编码方式分为几个等级，分别与一定的含水量门限值范围相对应。例如，可按式（1）确定调制方式：
其中shreshold1、shreshold2可按土壤类型及设备功率等具体条件确定，例如可以根据实验来设置shreshold1、shreshold2。
将基准含水量值与各个门限值相比较，落在哪种调制与编码方式的门限值范围内，就将下一数据包的调制和编码方式设为该方式。
图2中显示了两种工作模式，即周期工作模式和事件触发工作模式。在周期工作模式中，当一个周期开始时，节点检测自己周围的土壤水含量，将数据记录在变量VWC_tem中；在事件触发工作模式中，则当土壤水含量产生变化时，记录其变化量为VWC_vary；
在周期模式中比较VWC_own（表示该节点自身周围土壤的含水量）与VWC_tem的大小，如|VWC_own-VWC_tem|大于一个预先设定的门限值，说明土壤含水量等级有所改变，则令VWC_own=VWC_tem；在事件触发模式中如使用触发方式，则比较变化量与预先设定的门限值，如变化量的绝对值大于预先设定的门限值，则令VWC_own=VWC_own+VWC_vary；
当接收到一个数据包时，判断发送这个数据包的节点是否在邻居节点列表中。如在邻居节点列表中，则读取数据包中的VWC值，更新邻居列表里该源节点所对应的VWC_src（表示收到的该源节点周围的土壤含水量）值，也就是说如数据包中VWC值与原值的差的绝对值超过预先设好的门限值，则用数据包中VWC值替代原值，否则不变；如不在邻居节点列表中，则将该节点加入邻居节点列表，并将数据包中的VWC值记入该节点所对应的VWC_src域；邻居节点列表的示意如下：
| 邻居节点地址 | VWC_src | VWC | Modulation&coding |
| 节点1 | |||
| 节点2 | |||
| … |
其中VWC_src表示该邻居节点周围的土壤含水量；VWC表示最终以该值作为调节本节点与该节点之间的收发数据的调制与编码方式的准则；Modulation&coding域存储计算出的发给该节点的下一数据帧的调制与编码方式对应的编号值。
接下来可以比较该节点的VWC_own与该节点邻居列表中该源节点的VWC_src，当VWC_src>VWC_own，则将列表中该源节点对应的VWC值置为VWC_src，否则将列表中该源节点对应的VWC值置为VWC_own；
根据邻居节点列表中该源节点的VWC值对应的的调制与编码方式来确定向该源节点发送数据帧时的调制与编码模式，并存于邻居列表中该源节点所对应的Modulation&coding域中；
当该节点向该源节点发送数据帧时，在邻居列表中查找目的节点所对应的Modulation&coding域，按其指定方式设置调制和编码参数并发送；如邻居节点中不包含该目的节点，则按照VWC_own所指定的方式设置调制和编码参数并发送。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (8)
1.一种用于无线地下传感器网络的自适应调制方法，其特征在于，该自适应调制方法包括：
检测当前节点的水含量；
接收邻居节点发送的水含量；
对于各个邻居节点，根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式；
其中，水含量划分为多个范围，每个范围与特定的调制与编码方式对应；
所述根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式包括：
选择所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者作为基准含水量值，将基准含水量值与各个范围的门限值相比较，将所落入的范围对应的调制与编码方式确定作为向所述邻居节点传输数据帧使用的调制与编码方式。
2.根据权利要求1所述的自适应调制方法，其特征在于，水含量为水含量的绝对值或变化值。
3.根据权利要求2所述的自适应调制方法，其特征在于，所述当前节点具有邻居列表，所述邻居列表中存储邻居节点发送的水含量；在所述邻居节点不在所述邻居列表的情况下，所述当前节点将所述邻居节点加入所述邻居列表。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的自适应调制方法，其特征在于， 根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式包括：
在所述当前节点存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式；或
在所述当前节点没有存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。
5.一种用于无线地下传感器网络的自适应调制系统，其特征在于，该自适应调制系统包括：
检测模块，用于检测当前节点的水含量；
通信模块，用于接收邻居节点发送的水含量；
自适应调制模块，用于对于各个邻居节点，根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式；
其中，水含量划分为多个范围，每个范围与特定的调制与编码方式对应；
所述自适应调制模块用于选择所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者作为基准含水量值，将基准含水量值与各个范围的门限值相比较，将所落入的范围对应的调制与编码方式确定作为向所述邻居节点传输数据帧使用的调制与编码方式。
6.根据权利要求5所述的自适应调制系统，其特征在于，水含量为水 含量的绝对值或变化值。
7.根据权利要求6所述的自适应调制系统，其特征在于，所述当前节点具有邻居列表，所述邻居列表中存储邻居节点发送的水含量；在所述邻居节点不在所述邻居列表的情况下，所述当前节点将所述邻居节点加入所述邻居列表。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的自适应调制系统，其特征在于，所述自适应调制模块，用于在所述当前节点存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量以及所述邻居节点发送的水含量中的较大者确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式；或在所述当前节点没有存储邻居节点的水含量的情况下，周期性地或基于事件触发地根据所述当前节点的水含量确定所述当前节点向所述邻居节点传送下一数据帧使用的调制与编码方式。
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