事件驱动型无线传感网链路质量监控研究

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1、事件驱动型无线传感网链路质量监控研究文／徐艳玲摘要：无线传感网部署在监测区域内的大量传感器节点能够协作地监测、感应其网络覆盖区域内的多种环境信息，事件驱动型无线传感器网络仅在定义的事件发生时才向监控基站返回报警信息；本文重点研究了如何在资源受限的条件下，以对网络正常运行干扰少的方式，动态获取无线链路的状态，并对状态结果进行分析，以便及时通知上层协议做出相应调整。.jyqkica2节点进行编程，获取链路质量相关数据，对已获取的数据进行分析，提出了具体链路质量监控的算法，并在仿真环境下验证算法有效性。对每个路由维护周期进行一定量的包测试获取该周期

2、内的链路质量；对连续的多个周期进行移动平均，得出统计意义上相对准确的链路质量估计；对所取得的估计结果进行量化处理以便于网络传输；根据链路质量变化幅度决定是否需要通知上层协议。具体的方案如下：（1）利用网络正常流量进行丢包率统计：事件驱动型传感器网络在事件发生时，报警消息密集且数据流量较大，可直接统计单位时间报警消息的收发情况作为周期性链路质量。但网络大部分时间是无事件发生的，此时可进行周期性状态汇报，汇报内容包括节点的剩余能量、链路质量、路由及拓扑关系等，内容较多，考虑到网络在这个阶段的低能耗性，往往汇报间隔较大。而周期性链路丢包率的准确获取

3、需要在一定的量的包收发过程，不可避免的需要消耗一定量的能量。如发送专门的探测包来对链路质量进行估算，能量开销过大，故拟采用将周期性汇报消息进行切割，分成多个短消息来进行传输，以增加采样数，这样可以达到链路质量精度要求同时能量开销增幅不是很大。（2）确定周期性采样窗口内的发包数：发包数不足难以形成对链路较准确的估计，发包数过多会导致不必要的能耗增加。所以需要确定周期性采样窗口内的发包数，该数应是一个经验值，这个经验值应能完成对链路的较准确的粗估计，且不会造成过大的能量消耗。经验值获取只能通过实验获得。实验方法是使用固定位置的一对节点进行链路实验

4、。实验重复1000次，每次过程持续时间相同，测试包定长且携带序列号，发送者以恒定速率发送，每次实验结束，接收节点通过串口向终端返回未接收到数据包的序列号和丢包率。求取1000次测得的链路丢包率的算术平均值L，并认为该值是非常接近真实链路丢包率的。然后对已收到的数据进行分析，采用二分逼近法的求取能够满足85%以上的丢包率都落在L的±10％之内的最小经验值，然后改变两点间的距离重复实验，看该经验值是否具有通用性。（3）指数移动平均的链路估计算法：一个周期内统计出来的链路丢包率，仅是对链路质量的粗略估计，不能反映出真实的链路质量以及链路的变化趋势，

5、所以应在取得周期内链路质量的前提下，以指数加权平均算法得出对下一时刻链路丢包率的最优估计。指数移动平均法通过公式Li=α×Li-1+(1-α)×xi来获得对链路丢包率的估计，移动过程意味着历史数据对统计量的贡献，是随着时间推移呈指数形式递减的，递减速度由权重因子决定，其中Li-1为上一周期的估计值，xi代表第i个周期内的链路丢包率，α∈（0，1）为权重因子，代表过去量对于现在的估计的参考程度大还是小，α越接近1，过去量的参考程度越大，而L0通常设为历史测量的平均值（即网络构建初期计算出的第一个链路收包率）。而α直接决定了估计算法的稳定性和灵敏

6、性。（4）不同阶段链路质量估计的策略：由于事件驱动型传感器网络事件发生时，网络流量较大且对链路丢包率的波动十分敏感，要求估计算法灵敏性高，应将α值减少；无事件发生时，要求估计算法能够抵抗链路丢包率的短时波动，稳定性要好，应将α值增大。而α在不同时期具体数值则需要通过实验获取。（5）事件驱动型无线传感网的上层协议需要掌握区域内节点的链路质量才能准确地做出相应的调整，希望能找到稳定的低丢包率的链路同时又能在这些链路中做出优化选择。链路丢包率大于15%的链路的稳定性是非常不好的，但丢包率位于0~15%之间的链路基本是稳定的。基于这个结果，我拟将链路

7、质量用0~3四个数字划分为4个等级。0代表丢包率在15%以上的链路认为是不可用链路；1代表丢包率在10~15%的链路，链路质量良；2代表丢包率在5~10%的链路，链路质量好；3代表丢包率在0~5%的链路，链路质量较好。采用等级划分的方法将链路质量量化，即满足了上层协议对链路质量精度的需求，又降低了网络消息的负荷（仅占用2比特的空间）。（6）由于是采用接收者根据发送者发包接收情况的方式对链路丢包率进行统计，所以接收者需要将其统计出的丢包率反馈给发送者，而后由发送者再将该结果向上层协议反馈。但如果在经过一个周期后，链路质量并未发生太大的变化，但节

8、点仍继续交换彼此的链路质量信息则会造成不必要的负载开销。为了解决这个问题，拟在周期性汇报的包头加入1比特的标示位，节点在接收来自邻居的消息时，首先检索该位，0表示链