基于信噪比閾值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于信噪比閾值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法，用于解決現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法準(zhǔn)確度差的技術(shù)問題。技術(shù)方案是首先根據(jù)異種無線設(shè)備信噪比與鏈路質(zhì)量映射關(guān)系的不同，利用包接收率對閾值進(jìn)行估計(jì)，設(shè)定一個采樣周期，在周期內(nèi)對包接收率進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)包接收率的變化，逐步逼近無線網(wǎng)卡的信噪比閾值，該信噪比閾值即是鏈路質(zhì)量評估中所用的截取值，低于這個閾值即可認(rèn)為鏈路質(zhì)量較差。其次，在鏈路質(zhì)量評估過程中，對信噪比進(jìn)行采樣，采用灰預(yù)測算法，僅需要3個樣本，就可以預(yù)測下一信噪比值，大大降低了算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法準(zhǔn)確度。
【專利說明】
基于信噪比闕值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法，特別設(shè)及一種基于信噪比闊值自適 應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 文南犬"Ef f ective-SNR estimation for wireless sensor network using Kalman filte;r，Ad Hoc 化tworks，2013，Volll(3)，p944-958"公開了一種基于卡爾曼濾波 的信噪比估計(jì)鏈路質(zhì)量的方法。該方法通過大量實(shí)驗(yàn)對信噪比、鏈路質(zhì)量標(biāo)志與鏈路質(zhì)量 之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上給出了一個卡爾曼濾波算法，對物理噪聲和計(jì)算 噪聲進(jìn)行了過濾。該方法指出利用一個高階的卡爾曼濾波算法可W帶來更為準(zhǔn)確的估計(jì)， 但是考慮到實(shí)施的簡便性，最后采取了低階的算法，在兩者之間做了一個平衡。文獻(xiàn)所述方 法存在兩個缺點(diǎn)，一是采用卡爾曼濾波算法，需要預(yù)先知道樣本的統(tǒng)計(jì)特性，而該樣本特性 一般與無線網(wǎng)卡的物理特性有關(guān)，且采用卡爾曼濾波算法后，降低了信噪比感知鏈路質(zhì)量 的靈敏性;其二是該文獻(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中采用了同種無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于異種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對信 噪比和鏈路質(zhì)量之間關(guān)系的物理表現(xiàn)不是統(tǒng)一的，因而該文獻(xiàn)中的方法并不能適用于異種 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共存的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法準(zhǔn)確度差的不足，本發(fā)明提供一種基于 信噪比闊值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法。該方法首先根據(jù)異種無線設(shè)備信噪比與 鏈路質(zhì)量映射關(guān)系的不同，利用包接收率對闊值進(jìn)行估計(jì)，設(shè)定一個采樣周期，在周期內(nèi)對 包接收率進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)包接收率的變化，逐步逼近無線網(wǎng)卡的信噪比闊值，該信噪比闊值 即是鏈路質(zhì)量評估中所用的截取值，低于運(yùn)個闊值即可認(rèn)為鏈路質(zhì)量較差。其次，在鏈路質(zhì) 量評估過程中，對信噪比進(jìn)行采樣，采用灰預(yù)測算法，僅需要3個樣本，就可W預(yù)測下一信噪 比值，大大降低了算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法準(zhǔn)確度。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案:一種基于信噪比闊值自適應(yīng)的無線網(wǎng) 絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法，其特點(diǎn)是包括W下步驟：
[0005] (a)信噪比闊值的自適應(yīng)計(jì)算，通過對信噪比采樣序列W及對應(yīng)的報文接收率統(tǒng) 計(jì)關(guān)系來估計(jì)信噪比闊值。報文接收率采樣序列在單位采樣時間下，通常會表現(xiàn)為兩種狀 態(tài)，平穩(wěn)狀態(tài)和抖動狀態(tài)。其中平穩(wěn)狀態(tài)下的所對應(yīng)的信噪比均值記為snr_steady，報文接 收率處于抖動狀態(tài)的信噪比均值記為snr_jitter，報文接收率的抖動過程是通過對報文接 收率變化幅度來判斷的。根據(jù)報文接收率的抖動情況，對sn;r_steady進(jìn)行慢速減少或者對 snLJ'itter進(jìn)行快速增加。根據(jù)sn;r_steady和snLjitter兩者的動態(tài)變化，實(shí)時計(jì)算該無 線信道信噪比的闊值sn;r_thresho 1 d。
[0006] (b)信噪比的灰預(yù)測過程。
[0007] 令乂(^ = {^"(1)，盧)（2)，...，盧)(〇)}是一個信噪比的采樣序列，盧)化)是信噪 比在k時刻的值。對序列xW執(zhí)行一階累加生成運(yùn)算，得到其一階生成序列:xW= IxW(I)，x [000引其牛
[0009] 依據(jù)灰理論中的灰系統(tǒng)模型GM(1，1)建立等式如下：
[0010] x")(k)+az(i)(k) =b，x")(0) =x")(l) (I)
[00川其中
[0012]
錯）
[0013] 公式(2)中的參數(shù)a和b是通過最小二乘法來估計(jì)的。過程如下所示：
[0014] (3)
[0015]
[0016] (4)
[0017] GM(Ia)灰色模型通過白化方程
解得：
[001 引
（5)
[0019] -階累加生成運(yùn)算的逆運(yùn)算為：
[0020] (名）
[0021]
[0022] 巧）
[0023] 得到信噪比預(yù)測序列后，為降低預(yù)測值的抖動，采用化daraya-Watson加權(quán)平均方 法對序列値進(jìn)行平滑過濾：
[0024]
(8)
[0025] 本發(fā)明的有益效果是:該方法首先根據(jù)異種無線設(shè)備信噪比與鏈路質(zhì)量映射關(guān)系 的不同，利用包接收率對闊值進(jìn)行估計(jì)，設(shè)定一個采樣周期，在周期內(nèi)對包接收率進(jìn)行監(jiān) 測，根據(jù)包接收率的變化，逐步逼近無線網(wǎng)卡的信噪比闊值，該信噪比闊值即是鏈路質(zhì)量評 估中所用的截取值，低于運(yùn)個闊值即可認(rèn)為鏈路質(zhì)量較差。其次，在鏈路質(zhì)量評估過程中， 對信噪比進(jìn)行采樣，采用灰預(yù)測算法，僅需要3個樣本，就可W預(yù)測下一信噪比值，大大降低 了算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法準(zhǔn)確度。
[0026] 本發(fā)明不依賴某種特定無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用信噪比闊值自適應(yīng)算法，因而信噪比 與鏈路質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系，可W在運(yùn)行過程中，由包接收率的統(tǒng)計(jì)特性給出，實(shí)現(xiàn)了算法的普 適性，其次采用灰預(yù)測算法，降低了對樣本質(zhì)量和數(shù)量的要求，加速了算法的快啟動，并且 在工程中易于實(shí)現(xiàn)。該方法在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，準(zhǔn)確度達(dá)到90% W上。
[0027] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明基于信噪比闊值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法的流程圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明基于信噪比闊值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法實(shí)施例的實(shí)現(xiàn) 框架圖。
[0030] 圖3是本發(fā)明方法中同種網(wǎng)卡包接收率與信噪比闊值的對比圖。
[0031] 圖4是本發(fā)明方法中SNR闊值的自適應(yīng)計(jì)算流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 參照圖1-4。本發(fā)明基于信噪比闊值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法具體步 驟如下：
[0033] 1、整體框架。
[0034] 圖1是基于信噪比（SNR)闊值自適應(yīng)的鏈路質(zhì)量評估方法的組成，分為S個部分， 第一個部分是信噪比采樣，第二個部分是灰預(yù)測估計(jì)及平滑處理，第=個部分是產(chǎn)生鏈路 質(zhì)量量化值。信噪比（SNR)闊值的自適應(yīng)計(jì)算，通過對SNR采樣序列W及對應(yīng)的報文接收率 (PRR)統(tǒng)計(jì)關(guān)系來估計(jì)SNR闊值。圖2是在具體工程實(shí)現(xiàn)中，該方法處在內(nèi)核態(tài)的位置，并與 用戶態(tài)和驅(qū)動之間的交互關(guān)系。
[0035] 2、信噪比采樣。
[0036] 本方法是基于802.11無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對跨層設(shè)計(jì)的支持，使用了系統(tǒng)API提供的接 口，修改了控制帖的內(nèi)容來傳輸信噪比信息。一般802.11控制帖主要包含信標(biāo)(BEACON)、握 手化化LO)消息等幾種，諸如信標(biāo)帖通常都是周期進(jìn)行廣播。因而通過周期廣播的控制帖， 實(shí)現(xiàn)了對信噪比的實(shí)時采樣。
[0037] 后續(xù)說明中，將W采用Marvell 88W8686忍片的無線網(wǎng)卡和采用Atheros Ar9271 忍片為例，分別在各自驅(qū)動中植入了相關(guān)代碼用于獲取信噪比。
[0038] 3、信噪比預(yù)測及平滑
[0039] 本方法中對采樣樣本空間設(shè)定為3個，即k = 3。采用灰預(yù)測對信噪比進(jìn)行計(jì)算的公 式如表1所示：
[0040] 表1對信噪比進(jìn)行灰預(yù)測的算法公式
[0041]
[0042] W節(jié)點(diǎn)A上對鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣為例，t時刻，A收到鄰居B的控制帖，從中提取至IjSNR 值為32地，與之前的時刻采樣的SNR值21，35，構(gòu)成一個采樣序列乂(^ = {21，35,32}.
[0043] 其一階累加生成向量為X^ = {21,56,88}
[0044] z(i)(2)=38.5 z(i)(3)=72
[0045]
[0046]
[0047] 因 k取值3,代入公式(8)，并設(shè)定向量（CO 1，《2, CO3) = (1/6,1/3,1/2)。
[004引得到平滑后的預(yù)測值為，
[0049]
[(K)加]4、信噪比自適應(yīng)計(jì)算
[0051] 通過使用信噪比闊值，將可用鏈路與不可用鏈路進(jìn)行區(qū)分之后，可W免去評估不 可用鏈路質(zhì)量的計(jì)算冗余，從而提高鏈路質(zhì)量評估方法的性能。
[0052] W圖3為例，該網(wǎng)卡在不同SNR下包接收率體現(xiàn)出不同的曲線，大約在13dB左右， PRR值在90%左右，但在8化左右，PRR值幾乎為零，因而可認(rèn)為該網(wǎng)卡的SNR闊值在13dB左 右。當(dāng)SNR低于該闊值時，鏈路進(jìn)入灰區(qū)域，丟包率急劇增大，對于運(yùn)樣的鏈路進(jìn)行評估量化 沒有多大的實(shí)際意義，可W直接認(rèn)定為不可用鏈路。
[0053] 同時，由于不同網(wǎng)卡在物理特性上表現(xiàn)不一致，因而在SNR闊值上表現(xiàn)是不同的， W88W8686為例，在實(shí)驗(yàn)測試中，大約小于20dB時，包接收率急劇下降，故該網(wǎng)卡的SNR闊值 應(yīng)在20地之上。
[0054] 本方法為了兼容不同網(wǎng)卡的運(yùn)一特性，從PRR與SNR的統(tǒng)計(jì)特性入手，同時對SNR和 PRR進(jìn)行采樣，根據(jù)PRR的值對SNR進(jìn)行歸類，并分別計(jì)算平穩(wěn)態(tài)和抖動態(tài)下的所對應(yīng)的SNR， 同時由PRR的變化趨勢對SNR進(jìn)行慢減少和快增長，具體流程如圖4所示。
[0055] 初始時將SNR闊值設(shè)為5dB，然后在運(yùn)行過程中統(tǒng)計(jì)PRR值的變化，如果在一個統(tǒng)計(jì) 周期內(nèi)，PRR值呈現(xiàn)明顯上升趨勢，但未達(dá)到0.9之前，將對SNR闊值進(jìn)行指數(shù)級增長;若是 PRR穩(wěn)定在(0.9，1)之間，將對統(tǒng)計(jì)的SNR值取均值，并賦值給snr_steady。若是PRR由（0.9， 1)區(qū)間開始急劇下降，將對SNR進(jìn)行線性減少，若PRR值繼續(xù)下跌，并沒有反轉(zhuǎn)趨勢，則不對 SNR值進(jìn)行修改。若PRR是在(0.8，1)區(qū)間抖動，則對(0.8，0.9)區(qū)間對應(yīng)的SNR取值區(qū)間，求 最小值，并賦值給snLjitter。當(dāng)PRR下降到0.7^下時，3]11'_化'日311〇1(1 = 3]11'_^';[?日1'。其余 情況，snr_threshold = snr_steady。
[0056] 總之，本發(fā)明利用信噪比闊值自適應(yīng)計(jì)算，且采用灰預(yù)測方法對信噪比進(jìn)行預(yù)測 平滑，與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法相比，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線信道不做同一性要求，能 夠兼容不同廠商或不同批次的無線設(shè)備，降低了"設(shè)備不兼容性"對鏈路質(zhì)量評估方法的影 響，同時該方法易于工程實(shí)現(xiàn)，評估準(zhǔn)確率達(dá)到了 90 % W上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于信噪比闊值自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估方法，其特征在于包括W下步 驟： (a) 信噪比闊值的自適應(yīng)計(jì)算，通過對信噪比采樣序列W及對應(yīng)的報文接收率統(tǒng)計(jì)關(guān) 系來估計(jì)信噪比闊值;報文接收率采樣序列在單位采樣時間下，通常會表現(xiàn)為兩種狀態(tài)，平 穩(wěn)狀態(tài)和抖動狀態(tài);其中平穩(wěn)狀態(tài)下的所對應(yīng)的信噪比均值記為snr_steady，報文接收率 處于抖動狀態(tài)的信噪比均值記為snr」itter，報文接收率的抖動過程是通過對報文接收率 變化幅度來判斷的；根據(jù)報文接收率的抖動情況，對snr_steady進(jìn)行慢速減少或者對snr_ j i tter進(jìn)行快速增加;根據(jù)sn;r_steady和sn;r_ j i tter兩者的動態(tài)變化，實(shí)時計(jì)算該無線信 道信噪比的闊值sn;r_threshold; (b) 信噪比的灰預(yù)測過程； 令)(^ = ^^(1)，義^(2)，...，義^(〇)}是一個信噪比的采樣序列，乂^化)是信噪比在1^ 時刻的值;對序列XW執(zhí)行一階累加生成運(yùn)算，得到其一階生成序列： Χ("={χ(ι)α)，χ(ι)(2)，...，χ(ι)(η)} 其中依據(jù)灰理論中的灰系統(tǒng)模型GM( 1，1)建立等式如下：公式(2)中的參數(shù)a和b是通過最小二乘法來估計(jì)的;過程如下所示：得到信噪比預(yù)測序列后，為降低預(yù)測值的抖動，采用化daraya-Watson加權(quán)平均方法對 序列值進(jìn)行平滑過濾：(8)。
【文檔編號】H04L12/26GK105848187SQ201610311814
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】洪亮, 陳旿, 劉項(xiàng), 石磊, 李建濤, 李膽膽, 左穎, 高小杰, 曹奕
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)