CN110519788B - 一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法 - Google Patents

Abstract

一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法，首先读取当前物理环境传感器读数，在映射表中搜索并返回对应的链路质量记录；然后判断当前物理环境是否变化，如否则输出基于网络监听的链路估计器的返回结果，并根据该结果持续学习该物理环境下的链路质量，反之则判断上一次返回的链路质量记录是否为空，如是则利用当前学习结果更新对应的链路质量记录；并进一步判断当前返回的链路质量记录是否为空，如是则重设学习参数重新开始学习，并将基于网络监听的链路估计器的返回结果输出；反之则将映射表返回的链路质量记录作为输出。本发明可有效提高不稳定物理环境下链路质量估计的准确性。

Description

一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信链路质量估计方法，特别是物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法。

背景技术

对无线通信链路进行质量估计是在无线网络中实现路由的关键技术之一，包括硬件和软件方法。目前的无线通信芯片均能提供硬件级的通信质量指标，如RSSI(ReceivedSignal Strength Indicator)和LQI(Link Quality Indicator)等。然而，由于硬件方法不考虑丢包的情况，因此往往容易高估链路质量。研究者提出了大量的软件方法来解决此问题。软件方法大多通过观察网络中数据包传输情况(即网络监听)，提供软件级的通信质量指标，如ETX(Expected Transmission Count)。软件方法大多依赖于网络的时间相关性，即近期的历史数据包发送情况代表了当前链路质量，主要可分为两类。一类被称为主动监听，即通过主动发送信标帧的方法对网络进行探测，如文献[1]C.E.Koksal andH.Balakrishnan,“Quality-aware routing metrics for time-varying wireless meshnetworks,”IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,vol.24,no.11,pp.1984–1994,2006，即“时变无线网状网络中的质量感知路由指标”，和文献[2]X.Zhou,X.Ji,Y.C.Chen,X.Li,and W.Xu,“Less:Link estimation with sparse sampling inintertidal wsns,”Sensors,vol.18,no.3,p.747,2018，即“Less：潮汐无线传感器网络中基于稀疏采样的链路质量估计”。另一类则被称为被动监听，即通过已有的数据流量对网络进行观察，如文献[3]T.Liu and A.E.Cerpa,“Talent:Temporal adaptive linkestimator with no training,”in Proceedings of the 10th ACM Conference onEmbedded Networked Sensor Systems(SenSys’12).2012,pp.253–266，即“Talent：无需训练的时域自适应链路质量估计器”，和文献[4]T.Liu and A.E.Cerpa,“Data-driven linkquality prediction using link features,”ACM Transactions on Sensor Networks,vol.10,no.2,p.37,2014，即“基于链路特征的数据驱动链路质量预测”。某些方法，如文献[5]O.Gnawali,R.Fonseca,K.Jamieson,M.Kazandjieva,D.Moss,and P.Levis,“Ctp:Anefficient,robust,and reliable collection tree protocol for wireless sensornetworks,”ACM Transactions on Sensor Networks,vol.10,no.1,p.16,2013，即“Ctp：一种高效、鲁棒和可靠的无线传感器网络采集树协议”，则融合使用了主动和被动监听进行链路质量估计。然而，由于无线通信链路质量变化快，这类方法在低发包频率的网络中，性能会急剧下降。某些方法，如文献[6]S.M.Kim,S.Wang,and T.He,“Exploitingspatiotemporal correlation for wireless networks under interference,”IEEE/ACMTransactions on Networking,vol.25,no.5,pp.3132–3145,2017，即“在受干扰无线网络中利用时空相关性”，和文献[7]C.Caol,W.Gong,W.Dong,J.Yu,C.Chen,and J.Liu,“Network measurement in multihop wireless networks with lossy and correlatedlinks,”in Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on ComputerCommunications(InfoCom’18).2018,pp.1340–1348，即“多跳无线网络中不可靠和相关链路的网络测量”，则考虑了链路的空间相关性，即临近链路的通信质量在同一时刻应该相近。然而，某些干扰，如障碍物，对于临近的链路会产生不同的影响，从而导致空间相关性失效，无法用于提升链路质量估计的准确性。

总体而言，目前的无线通信链路质量估算方法主要利用观察到的结果预测将来的结果，在网络遇到突发性干扰时往往无法准确预测链路质量大幅度波动。文献[8]张海洋，“WSN中障碍物感知的链路质量估算方法研究”，浙江工业大学硕士论文，2015.提出了一种利用物理环境传感器数据进行链路质量估计的方法。然而，受传感器类型限制，单纯依赖传感器往往无法全面感知物理环境对链路质量的影响，导致无法准确实时追踪链路质量变化。

发明内容

为了克服现有技术在不稳定物理环境中难以实现准确链路质量估计的问题，本发明提出一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法。该方法利用物理环境传感器获取的数据辅助现有基于网络监听的链路估计器，融合来自于传感器的环境感知信息和来自于通信芯片的数据包历史发送记录计算链路质量，提高不稳定物理环境下链路质量估计的准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法，保存一张物理-链路映射表，该表中每条记录表示为：(s,e)，其中s作为索引，表示物理环境传感器读数，e表示对应的链路质量数据，同时，采用以下步骤维护该映射表并进行链路质量估计：

1)读取当前环境传感器读数x_i，并在物理-链路映射表中进行检索，如某条数据索引满足|s-x_i|≤Δ，则命中并返回该条记录，否则返回(NULL,NULL)，当前返回的记录记为(s_i,e_i)，如e_i＝NULL，则判断出现了未记录的新物理环境，令(s_i,e_i)＝(x_i,NULL)并将其加入物理-链路映射表；

2)判断当前物理环境是否发生变化，即是否s_i≠s_i-1，s_i-1表示上一次物理环境传感器读数，过程如下：

2.1)如否，则不断累积基于网络监听的链路质量估计器的返回结果用于学习，即q＝q+n_i，c＝c+1，其中n_i表示当前网络监听的链路质量估计器的返回结果，并以n_i作为链路质量估计结果输出；

2.2)如是，处理如下：

2.2.1)判断是否e_i-1＝NULL，s_i-1和e_i-1分别表示上一次搜索物理-链路映射表返回的记录中物理环境传感器读数和链路质量数据，如是，则更新物理-链路映射数据表中(s_i-1,NULL)为：(s_i-1,q/c)；

2.2.2)判断是否e_i＝NULL，如否，则以e_i作为链路质量估计结果输出，如是，则以n_i作为链路质量估计结果输出，并设置q＝n_i，c＝1；

2.2.3)如采用的基于网络监听的链路质量估计器是4B，则进一步以e_i作为输入反向对4B进行优化。

所述步骤2.2.3)中，基于e_i对4B的优化方法步骤如下：

2.2.3.1)设置历史结果权重α＝0；

2.2.3.2)进一步判断：

2.2.3.2.1)如e_i＝NULL，则将通信速率由k临时提高至k’，并将4B链路质量计算窗口大小由p临时提高至p’；

2.2.3.2.2)否则，设置n_i为e_i。

本发明中，利用物理环境传感器数据辅助现有基于网络监听的链路估计器计算链路质量；保存一个物理-链路映射表，根据当前物理环境条件维护该数据表并预测链路质量。首先，读取当前物理环境传感器读数，在映射表中搜索并返回对应的链路质量记录。然后，判断当前物理环境是否变化，如否则输出基于网络监听的链路估计器的返回结果，并根据该结果持续学习该物理环境下的链路质量。反之则判断上一次返回的链路质量记录是否为空，如是则利用当前学习结果更新对应的链路质量记录；并进一步判断当前返回的链路质量记录是否为空，如是则重设学习参数重新开始学习，并将基于网络监听的链路估计器的返回结果输出；反之则将映射表返回的链路质量记录作为输出。更进一步，根据当前返回的链路质量记录，对现有基于网络监听的链路估计器运行进行优化。

本发明的有益效果为：利用物理环境传感器获取的数据辅助现有基于网络监听的链路估计器，融合来自于传感器的环境感知信息和来自于通信芯片的数据包历史发送记录计算链路质量，提高不稳定物理环境下链路质量估计的准确性。

附图说明

图1为本发明所述的一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法，保存一张物理-链路映射表，该表中每条记录表示为：(s,e)，其中s作为索引，表示物理环境传感器读数，e表示对应的链路质量数据，同时，采用以下步骤维护该映射表并进行链路质量估计：

1)读取当前环境传感器读数x_i，并在物理-链路映射表中进行检索，如某条数据索引满足|s-x_i|≤Δ，则命中并返回该条记录，否则返回(NULL,NULL)，当前返回的记录记为(s_i,e_i)，如e_i＝NULL，则判断出现了未记录的新物理环境，令(s_i,e_i)＝(x_i,NULL)并将其加入物理-链路映射表；

2)判断当前物理环境是否发生变化，即是否s_i≠s_i-1，s_i-1表示上一次物理环境传感器读数，过程如下：

2.1)如否，则不断累积基于网络监听的链路质量估计器的返回结果用于学习，即q＝q+n_i，c＝c+1，其中n_i表示当前网络监听的链路质量估计器的返回结果，并以n_i作为链路质量估计结果输出；

2.2)如是，处理如下：

2.2.1)判断是否e_i-1＝NULL，s_i-1和e_i-1分别表示上一次搜索物理-链路映射表返回的记录中物理环境传感器读数和链路质量数据，如是，则更新物理-链路映射数据表中(s_i-1,NULL)为：(s_i-1,q/c)；

2.2.2)判断是否e_i＝NULL，如否，则以e_i作为链路质量估计结果输出，如是，则以n_i作为链路质量估计结果输出，并设置q＝n_i，c＝1；

2.2.3)如采用的基于网络监听的链路质量估计器是4B，则进一步以e_i作为输入反向对4B进行优化。

所述步骤2.2.3)中，基于e_i对4B的优化方法步骤如下：

2.2.3.1)设置历史结果权重α＝0；

2.2.3.2)进一步判断：

2.2.3.2.1)如e_i＝NULL，则将通信速率由k临时提高至k’，并将4B链路质量计算窗口大小由p临时提高至p’；

2.2.3.2.2)否则，设置n_i为e_i。

Claims (1)

1.一种物理环境传感器辅助的无线通信链路质量估计方法，其特点在于，保存一张物理-链路映射表，该表中每条记录表示为：(s,e)，其中s作为索引，表示物理环境传感器读数，e表示对应的链路质量数据，同时，采用以下步骤维护该映射表并进行链路质量估计：

1)读取当前环境传感器读数x_i，并在物理-链路映射表中进行检索，如某条数据索引满足|s-x_i|≤Δ，则命中并返回该条记录，否则返回(NULL,NULL)，当前返回的记录记为(s_i,e_i)，如e_i＝NULL，则判断出现了未记录的新物理环境，令(s_i,e_i)＝(x_i,NULL)并将其加入物理-链路映射表；

2)判断当前物理环境是否发生变化，即是否s_i≠s_i-1，s_i-1表示上一次物理环境传感器读数，过程如下：

2.1)如否，则不断累积基于网络监听的链路质量估计器的返回结果用于学习，即q＝q+n_i，c＝c+1，其中n_i表示当前网络监听的链路质量估计器的返回结果，并以n_i作为链路质量估计结果输出；

2.2)如是，处理如下：

2.2.1)判断是否e_i-1＝NULL，s_i-1和e_i-1分别表示上一次搜索物理-链路映射表返回的记录中物理环境传感器读数和链路质量数据，如是，则更新物理-链路映射数据表中(s_i-1,NULL)为：(s_i-1,q/c)；

2.2.2)判断是否e_i＝NULL，如否，则以e_i作为链路质量估计结果输出，如是，则以n_i作为链路质量估计结果输出，并设置q＝n_i，c＝1；

2.2.3)如采用的基于网络监听的链路质量估计器是4B，则进一步以e_i作为输入反向对4B进行优化；

所述步骤2.2.3)中，基于e_i对4B的优化方法步骤如下：

2.2.3.1)设置历史结果权重α＝0；

2.2.3.2)进一步判断：

2.2.3.2.1)如e_i＝NULL，则将通信速率由k临时提高至k’，并将4B链路质量计算窗口大小由p临时提高至p’；

2.2.3.2.2)否则，设置n_i为e_i。

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