一種同構(gòu)無線干擾的主被動測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種同構(gòu)無線干擾的主被動測量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，節(jié)點(diǎn)的部署更加密集，已在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生 了重要影響。負(fù)責(zé)不同應(yīng)用業(yè)務(wù)的多個WSN或獨(dú)立子網(wǎng)絡(luò)可能會部署在同一環(huán)境中，彼此 交錯存在。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在同一區(qū)域內(nèi)形成密集共存的生態(tài)時，距離相近且工 作于相同或相鄰信道的不同節(jié)點(diǎn)間會形成同頻交叉干擾。這種干擾是動態(tài)的，非持久的，取 決于應(yīng)用產(chǎn)生的時間以及流量的多少。這種干擾會對網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性與實時性產(chǎn)生影 響，表現(xiàn)為通信吞吐量降低、重傳時延增加、節(jié)點(diǎn)能耗增加、系統(tǒng)可靠性變差，甚至發(fā)生路由 中斷以至于系統(tǒng)癱瘓，如圖1所示。因而，如何在這種情況下正確測量這種干擾，并在此基 礎(chǔ)上保證通信的可靠性是無法回避的一個重要問題。然而無線鏈路干擾固有的動態(tài)變化性 和不可預(yù)測性使得實時、準(zhǔn)確的干擾測量仍然面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其是在復(fù)雜的多路徑路由 和多網(wǎng)絡(luò)共存環(huán)境下。如何實時感知無線鏈路的狀態(tài)變化，準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量鏈路干擾情 況，合理的控制計算開銷，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要。
[0003] 合理的權(quán)衡準(zhǔn)確度和復(fù)雜度一直是干擾測量技術(shù)上的難點(diǎn)。對同構(gòu)干擾問題的認(rèn) 識是從能耗、擁塞等側(cè)面認(rèn)知的角度開始的，但是人們逐漸發(fā)現(xiàn)這種將能耗或擁塞等同于 干擾的做法并不準(zhǔn)確和全面。于是，學(xué)術(shù)界開始了對干擾模型的研究，其中比較有代表性的 就是PRR - SINR模型，但是這些基于干擾模型的測量方法，大多依賴于人為加入的大量測 量控制包，對于能量和帶寬受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣的測量開銷是非常嚴(yán)重的。
[0004] 目前，對于同構(gòu)干擾測量方法的研究，主要分為基于硬件和基于軟件兩大類。由于 WSN的低功耗設(shè)計，基于硬件的干擾測量技術(shù)很難通過信號強(qiáng)度的區(qū)分來準(zhǔn)確判斷同構(gòu)干 擾的存在，也就難以從信號、信道和功率的角度對其強(qiáng)度進(jìn)行計算，然而這種技術(shù)對干擾測 量的準(zhǔn)確度較高，是未來一種可能的研究方向，但在目前階段，其技術(shù)和成本復(fù)雜度讓人難 以承受。基于軟件的干擾測量技術(shù)需要引入探測控制包，面臨著合理控制開銷的問題。此 夕卜，大多數(shù)該類方法采用固定長度的窗口進(jìn)行干擾測量，時間資源分配不夠合理。如果統(tǒng)計 周期太短，會大大增加估計開銷，同時頻繁的鏈路狀態(tài)更新會導(dǎo)致其它網(wǎng)絡(luò)問題，如頻繁的 路由更新，路由震蕩或路由環(huán)等。如果統(tǒng)計周期太長，又不能實時反應(yīng)鏈路的當(dāng)前狀態(tài)，不 能有效感知短時間內(nèi)干擾情況的持續(xù)變化。然而這種技術(shù)靈活性與適應(yīng)性較強(qiáng)，技術(shù)成本 也較低。
[0005] 進(jìn)一步地，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和拓展，節(jié)點(diǎn)部署更加密集，應(yīng)用需求 更為廣泛。甚至在同一環(huán)境中，負(fù)責(zé)不同應(yīng)用業(yè)務(wù)的多個WSN或獨(dú)立子網(wǎng)絡(luò)也會彼此交錯 存在。當(dāng)這些WSN節(jié)點(diǎn)距離相近，且工作于相同或相鄰信道時，就會形成節(jié)點(diǎn)間的交叉干 擾。由于目前大多數(shù)WSN系統(tǒng)都支持IEEE802. 15. 4協(xié)議，使得該協(xié)議已經(jīng)成為這一領(lǐng)域 事實上的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，WSN節(jié)點(diǎn)間的交叉干擾基本上都屬于同構(gòu)干擾的范疇。如何對 同構(gòu)干擾進(jìn)行測量，以及在此基礎(chǔ)上保證WSN的通信可靠性是無法回避的重要問題。在同 構(gòu)干擾測量的研究中，合理的權(quán)衡準(zhǔn)確度和復(fù)雜度一直是技術(shù)上的難點(diǎn)，無論是早期的側(cè) 面認(rèn)知和簡單模型，還是當(dāng)前的基于軟硬件的干擾測量技術(shù)都沒有能夠很好的解決。本 發(fā)明將被動感知與主動測量技術(shù)相結(jié)合，采用長周期被動偵聽鏈路LQI均值，當(dāng)?shù)陀谀骋?閾值時，觸發(fā)短周期主動測量過程，周期性的發(fā)送控制分組，最后使用基于誤差的濾波器 (Error-Based Filter，EF)估計鏈路在未來一段時間內(nèi)的質(zhì)量，并可以用來進(jìn)一步設(shè)計同 構(gòu)干擾規(guī)避策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同構(gòu)無線 干擾測量機(jī)制，從而有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在同構(gòu)無線干擾下的生存能力。
[0007] 為此目的，本發(fā)明提出了一種同構(gòu)無線干擾的主被動測量方法，包括具體以下步 驟：
[0008] Sl :初始化設(shè)定參數(shù)，啟動多個定時器，執(zhí)行步驟S2 ;
[0009] S2 :干擾被動感知定時器開始計時，執(zhí)行步驟S3,若計時周期大于評估周期，執(zhí)行 步驟S4,否則返回步驟S2 ;
[0010] S3 :實時測量LQI瞬時值和采樣數(shù)目；
[0011] S4 :計算鏈路LQI均值，若低于干擾閾值，執(zhí)行步驟S5,否則返回步驟S2 ;
[0012] S5 :干擾主動測量定時器開始計時，執(zhí)行步驟S6,若計時周期大于評估周期，執(zhí)行 步驟S8,否則返回步驟S5 ;
[0013] S6 :發(fā)送控制分組，探測節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)度，執(zhí)行步驟S7 ;
[0014] S7 :接收鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的回應(yīng)分組；
[0015] S8 :計算并記錄當(dāng)前的實時干擾接收比率IRR,執(zhí)行步驟S9 ;
[0016] S9 :根據(jù)通信收發(fā)情況從干擾節(jié)點(diǎn)列表中剔除正常會話節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行步驟SlO ;
[0017] SlO :通過EF濾波器對IRR值進(jìn)行平滑預(yù)測，估計鏈路在預(yù)設(shè)時間內(nèi)的質(zhì)量。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟Sl進(jìn)一步包括：
[0019] 初始化被動感知周期和主動測量周期，設(shè)置LQI的采樣頻率、LQI閾值；
[0020] 初始化探測數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)量、發(fā)送間隔；
[0021] 初始化EF濾波器的各項參數(shù)。
[0022] 進(jìn)一步地，所述步驟S4中計算鏈路LQI均值進(jìn)一步包括：
[0023] 設(shè)Tpassive是采樣間隔，Vlq^TpassiveR采集到的一組LQI瞬時值，|V 1(li|是這組LQI 瞬時值的數(shù)目，是Tpassive內(nèi)的LQI均值，則
[0024]
【主權(quán)項】
1. 一種同構(gòu)無線干擾的主被動測量方法，其特征在于，包括具體以下步驟： 51 :初始化設(shè)定參數(shù)，啟動多個定時器，執(zhí)行步驟S2 ; 52 :干擾被動感知定時器開始計時，執(zhí)行步驟S3,若計時周期大于評估周期，執(zhí)行步驟 S4,否則返回步驟S2; 53 :實時測量LQI瞬時值和采樣數(shù)目； 54 :計算鏈路LQI均值，若低于干擾閾值，執(zhí)行步驟S5,否則返回步驟S2 ; 55 :干擾主動測量定時器開始計時，執(zhí)行步驟S6,若計時周期大于評估周期，執(zhí)行步驟 S8,否則返回步驟S5; 56 :發(fā)送控制分組，探測節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)度，執(zhí)行步驟S7 ; 57 :接收鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的回應(yīng)分組； 58 :計算并記錄當(dāng)前的實時干擾接收比率IRR，執(zhí)行步驟S9 ; 59 :根據(jù)通信收發(fā)情況從干擾節(jié)點(diǎn)列表中剔除正常會話節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行步驟S10 ; S10:通過EF濾波器對IRR值進(jìn)行平滑預(yù)測，估計鏈路在預(yù)設(shè)時間內(nèi)的質(zhì)量。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1進(jìn)一步包括： 初始化被動感知周期和主動測量周期，設(shè)置LQI的采樣頻率、LQI閾值； 初始化探測數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)量、發(fā)送間隔； 初始化EF濾波器的各項參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S4中計算鏈路LQI均值進(jìn)一步包 括： 設(shè)Tpassive是采樣間隔，Vlqi是Tpassiveft采集到的一組LQI瞬時值，|Vlqi |是這組LQI瞬 時值的數(shù)目，是Tpassive內(nèi)的LQI均值，則
設(shè)IteslTOld是同構(gòu)無線干擾閾值，默認(rèn)值為85 ;則判決條件為：
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S6及步驟S7進(jìn)一步包括：當(dāng)主 動探測模塊被觸發(fā)后，節(jié)點(diǎn)廣播M個帶有節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的Beacon消息，其它鄰居節(jié)點(diǎn)在收到 Beacon消息后，廣播Beacon消息回應(yīng)。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S8中計算當(dāng)前的實時干擾接收比 率IRR進(jìn)一步包括： 主動測量過程采用接收端為中心的干擾模型，若節(jié)點(diǎn)u被鄰居v干擾，D是以節(jié)點(diǎn)v為 中心，以Rv為半徑的圓盤，Rv為通信半徑，假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn)v發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在Rv范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn) 均被干擾，為判斷u是否在v的干擾范圍內(nèi)，v節(jié)點(diǎn)發(fā)送常量M個信標(biāo)幀，當(dāng)IRR滿足以下 條件時，該區(qū)域被視為干擾區(qū)域：
其中，Mth是常量，只要u節(jié)點(diǎn)收到v節(jié)點(diǎn)發(fā)送的任意個信標(biāo)幀，（M-彡彡M)，則判 定節(jié)點(diǎn)u被節(jié)點(diǎn)v干擾，IRR能夠通過下式計算：
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S10中通過EF濾波器對IRR值進(jìn) 行平滑預(yù)測進(jìn)一步包括： 指數(shù)加權(quán)移動平均濾波器使用的序列數(shù)據(jù)處理方法的表達(dá)式如下： Et=aEt-!+(l-a)Mcurrent 其中，Et_pEt分別表示前一個周期的估計值和當(dāng)前的估計值，表示當(dāng)前的測量 值，a是一個平滑因子； EF濾波器對指數(shù)加權(quán)移動平均濾波器進(jìn)行改進(jìn)，使得a不為固定值； 若EF濾波器的估計值與實際測量值匹配，則將第一權(quán)重值賦值給過去估計值；若EF濾 波器的估計值與實際測量值不匹配，則將第二權(quán)重值賦值給過去估計值； 其中，在EF濾波器中a記為at，計算公式如下：
其中，八_是當(dāng)前觀測到的m個At中的最大值。At表示估計誤差，單個觀察值的誤 差是當(dāng)前測量值凡_^與上一個周期的估計值Eh的差值的絕對值； 通過二次指數(shù)加權(quán)移動平均對絕對誤差值進(jìn)行平滑過濾。At的計算公式如下： At= Y A ^^(l-y) | 其中，Y是一個經(jīng)驗值，由不同的應(yīng)用需求和應(yīng)用環(huán)境確定； EF濾波器通過迭代的方式進(jìn)行計算，其中，時刻t的預(yù)測值與時刻t-1的值以及當(dāng)前時 刻的統(tǒng)計值相關(guān)； 將權(quán)重因子at和IRR值代入公式，公式如下所示： E(IRR)t=a^(IR^^+d-at)IRRcurrent
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同構(gòu)無線干擾的主被動測量方法，包括：S1.初始化設(shè)定參數(shù)，啟動各定時器；S2.干擾被動感知定時器開始計時，執(zhí)行S3，若計時周期大于評估周期，執(zhí)行S4；S3.實時測量LQI瞬時值和采樣數(shù)目；S4.計算鏈路LQI均值，若低于干擾閾值；S5.干擾主動測量定時器開始計時，執(zhí)行S6，若計時周期大于評估周期，執(zhí)行S8，否則返回S5；S6.發(fā)送控制分組，探測節(jié)點(diǎn)間干擾強(qiáng)度；S7.接收鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的回應(yīng)分組；S8.計算并記錄當(dāng)前的實時干擾接收比率IRR；S9.根據(jù)通信收發(fā)情況從干擾節(jié)點(diǎn)列表中剔除正常會話節(jié)點(diǎn)；S10.通過EF濾波器對IRR值進(jìn)行平滑預(yù)測，估計鏈路在預(yù)設(shè)時間內(nèi)的質(zhì)量。本發(fā)明的方法適應(yīng)各種應(yīng)用，準(zhǔn)確測量同構(gòu)無線干擾，具有良好的穩(wěn)定性以及合理開銷。
【IPC分類】H04W24-00
【公開號】CN104581769
【申請?zhí)枴緾N201510031533
【發(fā)明人】任豐原, 侯蒙
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月22日