一種基于QoS的WSANs丟包判決器設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及IEEE802.lie協(xié)議和無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡的故障檢測，尤其是無 線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡的丟包判決。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的IEEE802. 11標準只能提供"盡力而為"的服務，對服務質(zhì)量（Qualityof Service，QoS)沒有保障，不能很好地支持視頻、語音等多媒體實時業(yè)務。IEEE802.lie標 準對IEEE802. 11標準的媒體接入控制（MediumAccessControl,MAC)協(xié)議進行了增強， 引入了業(yè)務等級的概念，增加了新的QoS參數(shù)和幀結構，從而提高了無線網(wǎng)絡的性能。IEEE 802.lie的增強型分布式信道接入（EnhancedDistributedChannelAccess,EDCA)的MAC 機制是基于競爭的方式訪問信道，它定義了四種訪問類型（AccessCateg〇ry，AC)，使用 8種用戶優(yōu)先級來接入無線網(wǎng)絡，為不同的業(yè)務類型提供不同的業(yè)務等級，使得實時業(yè)務 (如音頻、視頻業(yè)務）能獲得較高的接入信道的優(yōu)先級。
[0003] 無線傳感器 / 執(zhí)行器網(wǎng)絡（WirelessSensorandActuatorNetworks,WSANs)通 過散布在空間各區(qū)域的傳感器節(jié)點監(jiān)測、感知和采集監(jiān)測對象的信息。因此，WSANs被廣泛 的運用于各個領域，包括國防軍事、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和目標跟蹤等。WSANs正 朝著低成本、低能耗、安全、智能化、多樣化等方向發(fā)展。除了傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務的傳統(tǒng)的溫度、 濕度等傳感器外，對實時性要求較高的音視頻業(yè)務的圖像、聲音等傳感器在WSANs中的使 用也越來越廣泛。
[0004] 在無線網(wǎng)絡中，由于無線鏈路不穩(wěn)定、傳輸頻段易受干擾等因素，丟包的問題是難 以避免的。而在某些實時性要求較高的系統(tǒng)中，丟包將會帶來十分嚴重的危害。目前在處 理WSANs丟包問題的主要方法是通過網(wǎng)絡編碼或均衡的方式對丟失數(shù)據(jù)進行恢復，但并不 能對丟包的原因進行判斷分析。
[0005] 故采用恰當?shù)耐ㄐ艆f(xié)議來協(xié)調(diào)各傳感器、執(zhí)行器節(jié)點的網(wǎng)絡資源，同時使用合理 的手段來檢測WSANs中的丟包，并判斷分析丟包的原因顯得十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為提高WSANs的可靠性，本發(fā)明提出了一種基于QoS的WSANs丟包判決 器優(yōu)化設計方法。該方法采用提供服務質(zhì)量（QualityofService,QoS)的IEEE802.lie 作為WSANs的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，推導出該協(xié)議下的WSANs丟包概率矩陣，并將基于該丟包概率 矩陣的龍伯格狀態(tài)觀測器的輸出作為丟包的判決閾值，把網(wǎng)絡中的丟包現(xiàn)象作為一種故障 信號，從而設計出WSANs的丟包判決器。本發(fā)明所提的丟包判決器不僅能有效判斷網(wǎng)絡中 是否出現(xiàn)了丟包，而且還能通過判決器輸出的故障信號波形判斷丟包原因：即傳感器節(jié)點 故障，或是由于信道環(huán)境不穩(wěn)定造成的的隨機丟包。
[0007] 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其特征包括：
[0008] (1)為了適應傳感器、執(zhí)行器節(jié)點傳輸業(yè)務多樣化的趨勢，本發(fā)明將支持QoS的 IEEE802.lie協(xié)議引入WSANs中，將各個傳感器節(jié)點按其業(yè)務類型和傳輸數(shù)據(jù)的實時性要 求劃分不同的優(yōu)先級，從而實現(xiàn)通信資源的合理分配；（2)將分組碰撞作為丟包的主要原 因，分析了差錯信道下H)CA的丟包概率，提出了WSANs中的丟包概率矩陣Pdrap;(3)將基于 丟包概率矩陣的龍伯格狀態(tài)觀測器的輸出作為丟包的判決閾值，把丟包當作一種故障，設 計出WSANs的丟包判決器，并且能通過判決器輸出的故障信號判斷丟包原因是傳感器節(jié)點 故障，或是由于鏈路不穩(wěn)定造成的的隨機丟包。
[0009] 本發(fā)明的技術方案如下。
[0010] 1 基于IEEE802.lie的WSANs模型
[0011] 圖1是基于IEEE802.lie的WSANs系統(tǒng)框圖，主要由四部分構成：⑴控制系統(tǒng) (包括被控系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行器）；（2)具有隨機數(shù)據(jù)傳輸延遲的IEEE802.lie無線通信 網(wǎng)絡，用于將傳感器測得的控制系統(tǒng)輸出信號yk反饋給執(zhí)行器，形成閉環(huán)反饋；（3)故障檢 測濾波器通過無線網(wǎng)絡獲取到^和執(zhí)行器信號1^進行故障檢測；（4)丟包判決器通過通過 無線網(wǎng)絡獲取到y(tǒng)k和執(zhí)行器信號u,進行丟包判決。
[0012] 圖1所示的WSANs中包含了三類具有不同傳輸業(yè)務的傳感器節(jié)點（圖像、聲音和 數(shù)據(jù)傳感器），系統(tǒng)的輸出^由各個傳感器節(jié)點經(jīng)由IEEE802.lie無線網(wǎng)絡傳送至丟包檢 測器中進行判決，若沒有發(fā)生丟包，則將原信號yk輸出至故障檢測濾波器中進行下一步操 作；若檢測到丟包，則丟包判決器將產(chǎn)生一個丟包故障信號fk，并將其傳送至故障檢測濾波 器。
[0013]在IEEE802. 1le的協(xié)議中，定義了四種AC，分別為AC_V0 (對應音頻業(yè)務），AC_ VI(對應視頻業(yè)務），AC_BE(對應"盡力而為"的數(shù)據(jù)業(yè)務），AC_BK(對應背景數(shù)據(jù)業(yè)務）， 其優(yōu)先級順序為AC_VO>AC_VI>AC_BE>AC_BK。
[0014]EDCA是一種基于競爭的MAC層接入?yún)f(xié)議，EDCA與分布式協(xié)調(diào)控制（Distribution CoordinationFunction,DCF)最大的區(qū)別在于使用可變長度的仲裁時隙（Arbitration Inter-FrameSpace,AIFS)代替固定長度的DCF幀間間隔（DCFInter-frameSpace,DIFS)， 即對于不同的AC數(shù)據(jù)幀采用不同的幀間隔，AIFS值是根據(jù)不同的業(yè)務類型而變化的，這樣 就能保證不同優(yōu)先級業(yè)務的區(qū)別接入。于是，高優(yōu)先級的業(yè)務在競爭中將更容易獲得信道 的使用權；反之，低優(yōu)先級的業(yè)務在信道競爭激烈時可能會出現(xiàn)"饑餓"現(xiàn)象。
[0015] 因此在WSANs中，個別傳輸業(yè)務實時性要求高的傳感器節(jié)點應該被賦予更高的優(yōu) 先級，而實時性要求低的節(jié)點可以賦予較低的優(yōu)先級，從而保證系統(tǒng)的能夠高效有序的運 行。
[0016] 不同類型的傳感器節(jié)點應對應不同的AC。其中，聲音傳感器對應AC_V0,圖像傳感 器對應AC_VI，實時性較高的數(shù)據(jù)業(yè)務傳感器對應AC_BE，實時性較低的數(shù)據(jù)業(yè)務傳感器對 應AC_BK〇
[0017] 2基于IEEE802.lie的WSANs丟包概率分析
[0018] 2. 1丟包概率
[0019] 假設系統(tǒng)中共有N個傳感器節(jié)點，分組碰撞是由于在某一時隙內(nèi)其余N-1個傳感 器中至少有一個節(jié)點同時發(fā)送分組數(shù)據(jù)造成的。在分析分組碰撞時，可認為信道是理想信 道。根據(jù)二維過程馬爾科夫鏈的建立，得到分組碰撞概率P。為
[0020] pc= 1-(1-X)N1 (1)
[0021] 其中t為任意時隙內(nèi)發(fā)送分組的概率，由式⑵表示
[0022]
[0023] 其中，R表示分組重傳次數(shù)限制，M為最大退避階數(shù)，W表示初始競爭窗，W=W_， W_是指最小競爭窗口。聯(lián)合式（1)和式（2)，利用數(shù)值方法就可以求得理想信道下的p。與 T〇
[0024] 假設系統(tǒng)采用的是無糾錯編碼，若發(fā)送的分組數(shù)據(jù)或者分組的確認信息由于信道 衰落或者噪聲導致某一比特發(fā)生錯誤，那么該分組將被發(fā)送傳感器節(jié)點重傳。
[0025] 記比特錯誤概率為Pb，有效負荷長度為L，分組的頭長度為H，H=HMAe+HPHY (HMAC表 示MAC幀頭的長度，Hphy表示物理層幀頭的長度），分組確認信息長度為HAeK，得到分組傳輸 錯誤的概率Pp為
[0026]
⑶
[0027] 分組丟失的概率應由誤碼丟包概率和分組碰撞概率兩部分組成，令p為分組丟失 的概率，則有
[0028]
(4)
[0029] 丟包率是分組重傳次數(shù)超過重傳次數(shù)限制R的概率，所以pd如式（5)所示
[0030]
(5)
[0031] 由以上分析可知，在給定重傳次數(shù)限制R的條件下，丟包率與分組發(fā)送概率t，節(jié) 點數(shù)目n，誤比特率Pb和分組長度L等參數(shù)有關。
[0032] 2. 2WSANs的丟