一种基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法

摘要

本发明涉及一种基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法，属于无线传感器网络技术领域。在该方法中，将影响信道传输质量的接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI因素综合考虑，建立信道质量预测模型并预测下一时隙信道质量，并将预测值和阈值进行比较，将比较结果传送给协调器，协调器通过广播帧的形式更新整个无线传感器网络跳信道序列，使无线传感器网络实现自适应跳信道切换。采用本发明对无线传感器网络进行信道质量预测，可以提前预知下一时隙信道质量情况，减少使用不稳定的信道，提高无线传感器网络的通信可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及无线传感器网络跳信道方法，特别涉及一种基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法。

背景技术

近年来，工业物联网技术得到迅速发展。无线传感器网络以其实时性强、低功耗、灵活性强等特点，在工业领域中具有越来越重要的应用前景。但在无线传感网络中，WIA-PA网络、无线HART、ISA100.11a系统都工作在该频段中2.4G频道，如果这些系统同时运行，无线传感器网络的可靠性将会降低，丢包率也会增加。

无线传感器网络为了提高抗干扰能力，提供了三种跳信道机制：自适应跳频切换(AFS),自适应跳频(AFH)和时隙跳频(TH)，减少了其他设备对无线传感器网络的干扰。虽然跳信道技术增加了数据宽带，也在一定程度上降低了干扰，但他仍然不够“智能化”，只是按照预定的跳信道序列“机械的”更换通信频段。但在实际的无线传感器网络运行中，可能出现下一个时隙信道质量非常差，设备仍会尝试在该信道上通信，网络可靠性将降低，丢包率也会增加，加重网络的干扰程度。

因此，本发明提出了一种基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法，目的在于对跳信道方法进行优化，根据预测模型选择信道质量比较好的信道进行跳信道数据传输，提高数据传输的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法，该方法根据预测模型选择信道质量比较好的信道进行跳信道数据传输，即在无线传感器网络中，增加节点对下一时隙跳信道序列的预测能力，避免使用信道质量不好的信道进行数据传输，从而提高无线传感器网络的通信可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法，在该方法中，将影响信道传输质量的接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI因素综合考虑，建立信道质量预测模型并预测下一时隙信道质量，并将预测值和阈值进行比较，将比较结果传送给协调器，协调器通过广播帧的形式更新整个无线传感器网络跳信道序列，使无线传感器网络实 现自适应跳信道切换。

进一步，该方法的具体步骤如下：

S1：协调器C形成无线传感器网络并选取一个标准规定的默认跳信道序列，以广播帧的形式发送出去；

S2：子网设备入网时在默认信道侦听父设备广播帧，进行时间同步并根据接收到的广播帧进行跳信道同步后，发送入网请求完成入网过程；

S3：协调器C以均衡终端节点的能量消耗为准则选择一个终端节点D_i1，该节点在到达超帧周期时向协调器周期性汇报信道质量状态报告请求和所处的环境随机噪音；

S4：将影响信道质量传输的接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI因素综合考虑，建立信道质量预测模型；

S5：系统管理器评估预测值和阈值，根据评估结果更新跳信道序列；

S6：系统管理器将更新得到的自适应跳信道序列发送给协调器C；

S7：协调器C更新自适应跳信道序列并在广播发送时隙将当前自适应跳信道装入广播帧载荷部分在默认信道发送；

S8：其他节点在默认信道接收到父设备发送的广播帧后，解析广播帧有效载荷并更新调整自身对应跳信道参数，其中，路由节点在构造广播帧时，也将自身当前时隙的跳信道参数装入广播帧载荷部分发送；

S9：所有节点在每个时隙更新跳信道序列，根据当前跳信道参数所规定的信道分配方式切换到新的信道，实现全网同步跳信道；

S10：在下一个超帧周期重复以上步骤，即可实现周期性的跳信道序列。

进一步，步骤S4包括：

S41：建立信道质量预测模型：

$C_q\left(X\right)=\frac{1}{1+e^{-{\mathrm{X\beta }}^T}}$

其中：C_q(X)是下一时隙的预测值，X为引起信道质量变化的因素值，这里指接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI因素，β为这些参数引起的系数矩阵；

S42：建立信道质量预测模型的样本函数：

$C_q\left(X_i\right)=\frac{1}{1+e^{-({\beta }_0+{\beta }_1{x}_{i1}+{\beta }_2{x}_{i2}+{\beta }_3{x}_{i3})}}$

其中：X_i表示第i组元素所对应的历史因素值，x_ij表示第i组历史因素值中第j个因素；

S43：预测下一时隙信道质量计算前m次信道质量估计值C_arg：

$C_{\arg }=\sqrt{\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{[Y_i-\widehat{C_q}\left(X\right)]}^2}$

如果C_arg<阈值，按指标更新无线传感器网络跳信道序列。

本发明的有益效果在于：采用本发明对无线传感器网络进行信道质量预测，可以提前预知下一时隙信道质量情况，减少使用不稳定的信道，提高无线传感器网络的通信可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为信道质量预测方法模型建立流程图；

图3为基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法黑名单流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法的流程示意图。在实际网络运行中，可能出现下一时隙的信道质量非常差，在这种情况下，在按照原来的跳信道模式进行通信，网络可靠性和丢包都会受到加大影响。针对上述问题，提出自适应跳信道方法。该方法将影响信道质量传输的接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI等因素综合考虑，建立信道质量预测模型预测下一时隙信道质量，并将预测值和阈值比较结果传递给协调器，协调器通过广播帧的形式更新整个无线传感器网络跳信道序列，使无线传感器网络实现自适应跳信道切换。

如图所示，本发明提供的方法具体包括以下步骤：

S1：协调器C形成无线传感器网络并选取一个标准规定的默认跳信道序列，以广播帧的形式发送出去；

S2：子网设备入网时在默认信道侦听父设备广播帧，进行时间同步并根据接收到的广播帧进行跳信道同步后，发送入网请求完成入网过程；

S3：协调器C以均衡终端节点的能量消耗为准则选择一个终端节点D_i1，该节点在到达超帧周期时向协调器周期性汇报信道质量状态报告请求和所处的环境随机噪音；

S4：将影响信道质量传输的接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI因素综合考虑，建立信道质量预测模型；

S5：系统管理器评估预测值和阈值，根据评估结果更新跳信道序列；

S6：系统管理器将更新得到的自适应跳信道序列发送给协调器C；

S7：协调器C更新自适应跳信道序列并在广播发送时隙将当前自适应跳信道装入广播帧载荷部分在默认信道发送；

S8：其他节点在默认信道接收到父设备发送的广播帧后，解析广播帧有效载荷并更新调整自身对应跳信道参数，其中，路由节点在构造广播帧时，也将自身当前时隙的跳信道参数装入广播帧载荷部分发送；

S9：所有节点在每个时隙更新跳信道序列，根据当前跳信道参数所规定的信道分配方式切换到新的信道，实现全网同步跳信道；

S10：在下一个超帧周期重复以上步骤，即可实现周期性的跳信道序列。

图2为信道质量预测方法模型建立流程图，将影响信道质量传输的接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI等因素综合考虑，建立信道质量预测模型，具体过程如下：

1)：建立信道质量预测模型：

$C_q\left(X\right)=\frac{1}{1+e^{-{\mathrm{X\beta }}^T}}$

其中：C_q(X)是下一时隙的预测值，X为引起信道质量变化的因素值，这里指接收信号强度RSSI、信噪比SNR和链路质量指示LQI因素，β为这些参数引起的系数矩阵；

2)：建立信道质量预测模型的样本函数：

$C_q\left(X_i\right)=\frac{1}{1+e^{-({\beta }_0+{\beta }_1{x}_{i1}+{\beta }_2{x}_{i2}+{\beta }_3{x}_{i3})}}$

其中：X_i表示第i组元素所对应的历史因素值，x_ij表示第i组历史因素值中第j个因素；

3)：预测下一时隙信道质量计算前m次信道质量估计值C_arg：

$C_{\arg }=\sqrt{\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{[Y_i-\widehat{C_q}\left(X\right)]}^2}$

如果C_arg<阈值，按指标更新无线传感器网络跳信道序列。

图3为基于信道质量预测的无线传感器网络自适应跳信道方法黑名单流程图。系统管理器判断是否收到设备的信道质量状况报告，将接收到的影响因素值按照信道评估预测方法对信道进行评估，比较预测值和阈值，如果预测值低于阈值，则将该信道黑名单信息，并发送广播帧通知网络的设备；设备收到广播帧之后，判断与本设备的黑名单属性信息是否相同，更新跳信道序列。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。