基于潮间带无线传感器网络的压缩感知链路质量估计方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及一种基于压缩感知的链路质量估计方法。

背景技术

无线传感器网络通常由一个具有无限能源和较强计算能力的基站和大量普通传感器节点组成。根据部署环境范围大小，节点间可通过单挑或多跳无线通信技术进行数据交换。目前，无线传感器网络已广泛应用于环境监测、智慧城市、智能家居等领域，如利用无线传感器网络进行森林火灾监控等。

本发明针对部署在潮间带这一特殊环境下的无线传感器网络。潮间带是指海水低潮线和高潮线中间的区域，是贻贝类生物等的栖息地。潮间带的物理环境复杂多变，潮水的涨落使得潮间带的温度、湿度、含氧度等物理参数变化剧烈。因此，在潮间带部署无线传感器网络对研究海洋生物生存环境以及环境监测有着重要意义。

在潮间带部署无线传感器网络面临诸多挑战。通常，建立一条可靠的传输路径需要对全局网络中节点间的通信质量有实时准确的估计。传统链路质量估计算法，包括RSSI，4-bits，LQE等，均要求在链路质量发生变化时，以较高采样率测量链路质量。由于潮间带环境变化剧烈，这些传统的链路质量估计方法也因链路的强动态性，表现出了较高的能耗和较低的可靠性，因此不能很好的适用于潮间带无线传感器网络中。

发明内容

本发明提出一种基于潮间带无线传感器网络的压缩感知链路质量估计方法，这种方法通过利用链路质量矩阵的稀疏性，利用少量的链路质量采样，最终恢复出完整的链路质量矩阵。根据恢复出的链路质量矩阵，该方法为节点提供了可靠通信路径，减少了链路质量估计上的能量消耗。

本发明的技术方案具体如下：一种基于潮间带无线传感器网络的压缩感知链路质量估计方法，包括如下步骤：

步骤(1)根据潮间带周期设定采样率。根据无线传感器网络部署的潮间带环境特性，选取合适的采样率。采样率越低，则能够节省更多的能量，默认一般设置采样率不低于0.6，采样率可以后续通过广播或单播的方式调整。

步骤(2)基站节点广播调度策略。根据步骤一选择的采样率，用户结合潮间带网络部署环境特点，选择相应的采样方法，并有基站节点生成节点调度策略。为适应不同潮间带网络部署环境，设计了两种采样方法。第一种采样方法是适用于网络在空间具有较强相关性的情况；第二种调度策略适用于网络在时间上具有较强相关性的情况。针对不同环境，用户选择相应采样方法，并与采样率一起广播给各节点。

步骤(3)普通节点根据调度策略测量链路质量并回传给基站。普通节点接收到基站广播的调度策略后，根据调度策略在规定的时间测量链路质量，并将测得结果回传给基站。该过程中所使用的链路测量技术和数据回传技术使用现有通用方法。

步骤(4)链路质量矩阵重建。基站收到普通节点回传的数据包，解析出链路质量部分的数据。利用压缩感知算法，在解析出的链路质量数据的基础上，恢复出当前时刻完整的链路质量矩阵。如果恢复出的链路质量矩阵的精度不足，基站会广播采样率更新指令，提高采样率以此提升恢复精度。

步骤(5)路由更新。根据恢复的链路质量矩阵，使用最短路径算法，计算每一个普通节点的最优路径。将计算出的最优路径与当前节点路径比较，如需更新，则发送路径更新包，指导节点更新数据传输路径。

本发明的有益效果如下：这种方法通过利用链路质量矩阵的稀疏性，使用压缩感知技术，采样少量的链路质量，最终恢复出完整的链路质量矩阵。该方法中压缩感知技术大大减少了链路质量估计的能量开销，有效延长了系统寿命。

附图说明

图1为本发明实施执行流程示意图。

图2为采样算法1示意图。

图3为采样算法2示意图。

图4为路由更新示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。图1展示了本发明的执行流程。基于潮间带无线传感器网络的压缩感知链路质量估计方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际部署环境，选取采样率。采样率是指测量节点测量链路质量的频率。对于一般网络中，节点每次唤醒都会多网络中链路质量进行测量，在这种情况下，采样率为1。采样率的大小决定了节省能量的多少以及恢复的链路质量矩阵的精确度。采样率越低，能够节省的能量越多，但恢复的链路质量矩阵精度也会降低。因此，采样率(s)设置不可低于0.6。

步骤二：基站节点广播调度策略。调度策略包括采样率和采样方法。其中，采样率由步骤一确定。采样方法包括：

(1)根据节点的物理分布稀疏度为不同的节点设计不同为采样率，即对于节点密集分布区域设置较低的采样率(s₁)，对于节点稀疏分布的区域采用较高的采样率(s₂)，其中，s，,s₁和s₂需满足一下关系：

s*N＝s₁*N₁+s₂*N₂

N是网络中节点的数量，N₁是分布在密集区域的节点数量，N₂是分布在稀疏区域的节点数量，其具体采样算法如图2所示。

(2)基于潮水周期时间，在不同时间为节点选择不同的采样率，即在网络处于较稳定时期选取较低的采样率(s₃)，对于网络动态性较强的时间选取较高的采样率(s₄)，其中，s，,s₃和s₄需满足一下关系：

s*T＝s₃*T₁+s₄*T₂

T是总的时间，T₁是网络稳定的时间，T₂是网络动态性较强的时间，其具体采样算法如图3所示。

采样方法1适用于节点在部署过程中有地理位置特征的情况；采样方法2适用于节点部署环境潮水周期性较强的情况。

基站将步骤一中选择的采样率和本步骤中选择的采样方法，通过广播的方式，通知全局网络。

步骤三：各普通节点根据广播的采样策略，在相应的时间节点对网络链路质量进行采样。通过统计信标的接收率，节点得到该时间节点下，网络的链路质量。这种链路质量的测量方法已经广泛适用在传感器网络中。测得链路质量后，节点将两路质量信息跟数据包一起封装，回传给基站。

步骤四：基站解析各节点上传的数据包，提取链路质量信息，汇总局部链路质量矩阵。由于局部链路质量矩阵具有很强的稀疏性，利用压缩感知算法，我们可以恢复出缺失的矩阵部分。此步骤的实施在基站完成。通常基站会连接一台高性能的计算设备，可完成相对复杂的恢复算法。当恢复出的链路质量矩阵精度不够时，基站广播全网提高采样率。

步骤五：使用完整的链路质量矩阵，结合最短路径算法，计算出各节点到基站的最优路径。将计算出的新的路径与节点当前的路径对比。针对有路径变动的节点，发送路由更新包。由更新过程如图4所示，即基站发送一个包含完整路径的路由更新包，中继节点根据路由更新包的内容，将路由更新包转发给下一跳，直至有路径变化的节点收到路由更新包。每一次转发时，中继节点会将自己从路由更新包中删除，以缩短路由更新包的长度，减少能量的消耗。