一种基于QoS的WSANs丢包判决器设计方法技术

本发明专利技术为提高无线传感器/执行器网络WSANs的可靠性，提出了一种基于QoS的WSANs丢包判决器设计方法。该方法采用提供服务质量QoS的IEEE802.11e作为WSANs的数据通信协议，推导出该协议下的WSANs丢包概率矩阵，并将基于该丢包概率矩阵的龙伯格状态观测器的输出作为丢包的判决阈值，把网络中的丢包现象作为一种故障信号，从而设计出WSANs的丢包判决器。本发明专利技术所提的丢包判决器不仅能有效判断网络中是否出现了丢包，而且还能通过判决器输出的故障信号波形判断丢包原因：即传感器节点故障，或是由于信道环境不稳定造成的随机丢包。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及IEEE802.lie协议和无线传感器/执行器网络的故障检测，尤其是无 线传感器/执行器网络的丢包判决。
技术介绍
传统的IEEE802. 11标准只能提供"尽力而为"的服务，对服务质量（Qualityof Service，QoS)没有保障，不能很好地支持视频、语音等多媒体实时业务。IEEE802.lie标 准对IEEE802. 11标准的媒体接入控制（MediumAccessControl,MAC)协议进行了增强， 引入了业务等级的概念，增加了新的QoS参数和帧结构，从而提高了无线网络的性能。IEEE 802.lie的增强型分布式信道接入（EnhancedDistributedChannelAccess,EDCA)的MAC 机制是基于竞争的方式访问信道，它定义了四种访问类型（AccessCateg〇ry，AC)，使用 8种用户优先级来接入无线网络，为不同的业务类型提供不同的业务等级，使得实时业务 (如音频、视频业务）能获得较高的接入信道的优先级。 无线传感器 / 执行器网络（WirelessSensorandActuatorNetworks,WSANs)通 过散布在空间各区域的传感器节点监测、感知和采集监测对象的信息。因此，WSANs被广泛 的运用于各个领域，包括国防军事、智能家居、环境监测、医疗卫生和目标跟踪等。WSANs正 朝着低成本、低能耗、安全、智能化、多样化等方向发展。除了传输数据业务的传统的温度、 湿度等传感器外，对实时性要求较高的音视频业务的图像、声音等传感器在WSANs中的使 用也越来越广泛。 在无线网络中，由于无线链路不稳定、传输频段易受干扰等因素，丢包的问题是难 以避免的。而在某些实时性要求较高的系统中，丢包将会带来十分严重的危害。目前在处 理WSANs丢包问题的主要方法是通过网络编码或均衡的方式对丢失数据进行恢复，但并不 能对丢包的原因进行判断分析。 故采用恰当的通信协议来协调各传感器、执行器节点的网络资源，同时使用合理 的手段来检测WSANs中的丢包，并判断分析丢包的原因显得十分重要。
技术实现思路
专利技术目的：为提高WSANs的可靠性，本专利技术提出了一种基于QoS的WSANs丢包判决 器优化设计方法。该方法采用提供服务质量（QualityofService,QoS)的IEEE802.lie 作为WSANs的数据通信协议，推导出该协议下的WSANs丢包概率矩阵，并将基于该丢包概率 矩阵的龙伯格状态观测器的输出作为丢包的判决阈值，把网络中的丢包现象作为一种故障 信号，从而设计出WSANs的丢包判决器。本专利技术所提的丢包判决器不仅能有效判断网络中 是否出现了丢包，而且还能通过判决器输出的故障信号波形判断丢包原因：即传感器节点 故障，或是由于信道环境不稳定造成的的随机丢包。 为实现本专利技术的目的，其特征包括： (1)为了适应传感器、执行器节点传输业务多样化的趋势，本专利技术将支持QoS的 IEEE802.lie协议引入WSANs中，将各个传感器节点按其业务类型和传输数据的实时性要 求划分不同的优先级，从而实现通信资源的合理分配；（2)将分组碰撞作为丢包的主要原 因，分析了差错信道下H)CA的丢包概率，提出了WSANs中的丢包概率矩阵Pdrap;(3)将基于 丢包概率矩阵的龙伯格状态观测器的输出作为丢包的判决阈值，把丢包当作一种故障，设 计出WSANs的丢包判决器，并且能通过判决器输出的故障信号判断丢包原因是传感器节点 故障，或是由于链路不稳定造成的的随机丢包。 本专利技术的技术方案如下。 1 基于IEEE802.lie的WSANs模型 图1是基于IEEE802.lie的WSANs系统框图，主要由四部分构成：⑴控制系统 (包括被控系统、传感器和执行器）；（2)具有随机数据传输延迟的IEEE802.lie无线通信 网络，用于将传感器测得的控制系统输出信号yk反馈给执行器，形成闭环反馈；（3)故障检 测滤波器通过无线网络获取到^和执行器信号1^进行故障检测；（4)丢包判决器通过通过 无线网络获取到yk和执行器信号u,进行丢包判决。 图1所示的WSANs中包含了三类具有不同传输业务的传感器节点（图像、声音和 数据传感器），系统的输出^由各个传感器节点经由IEEE802.lie无线网络传送至丢包检 测器中进行判决，若没有发生丢包，则将原信号yk输出至故障检测滤波器中进行下一步操 作；若检测到丢包，则丢包判决器将产生一个丢包故障信号fk，并将其传送至故障检测滤波 器。在IEEE802. 1le的协议中，定义了四种AC，分别为AC_V0 (对应音频业务），AC_ VI(对应视频业务），AC_BE(对应"尽力而为"的数据业务），AC_BK(对应背景数据业务）， 其优先级顺序为AC_VO>AC_VI>AC_BE>AC_BK。EDCA是一种基于竞争的MAC层接入协议，EDCA与分布式协调控制（Distribution CoordinationFunction,DCF)最大的区别在于使用可变长度的仲裁时隙（Arbitration Inter-FrameSpace,AIFS)代替固定长度的DCF帧间间隔（DCFInter-frameSpace,DIFS)， 即对于不同的AC数据帧采用不同的帧间隔，AIFS值是根据不同的业务类型而变化的，这样 就能保证不同优先级业务的区别接入。于是，高优先级的业务在竞争中将更容易获得信道 的使用权；反之，低优先级的业务在信道竞争激烈时可能会出现"饥饿"现象。 因此在WSANs中，个别传输业务实时性要求高的传感器节点应该被赋予更高的优 先级，而实时性要求低的节点可以赋予较低的优先级，从而保证系统的能够高效有序的运 行。 不同类型的传感器节点应对应不同的AC。其中，声音传感器对应AC_V0,图像传感 器对应AC_VI，实时性较高的数据业务传感器对应AC_BE，实时性较低的数据业务传感器对 应AC_BK〇 2基于IEEE802.lie的WSANs丢包概率分析 2. 1丢包概率 假设系统中共有N个传感器节点，分组碰撞是由于在某一时隙内其余N-1个传感 器中至少有一个节点同时发送分组数据造成的。在分析分组碰撞时，可认为信道是理想信 道。根据二维过程马尔科夫链的建立，得到分组碰撞概率P。为 pc= 1-(1-X)N1 (1) 其中t为任意时隙内发送分组的概率，由式⑵表示 其中，R表示分组重传次数限制，M为最大退避阶数，W表示初始竞争窗，W=W_， W_是指最小竞争窗口。联合式（1)和式（2)，利用数值方法就可以求得理想信道下的p。与 T〇 假设系统采用的是无纠错编码，若发送的分组数据或者分组的确认信息由于信道 衰落或者噪声导致某一比特发生错误，那么该分组将被发送传感器节点重传。 记比特错误概率为Pb，有效负荷长度为L，分组的头长度为H，H=HMAe+HPHY (HMAC表 示MAC帧头的长度，Hphy表示物理层帧头的长度），分组确认信息长度为HAeK，得到分组传输 错误的概率Pp为⑶ 分组丢失的概率应由误码丢包概率和分组碰撞概率两部分组成，令p为分组丢失 的概率，则有(4) 丢包率是分组重传次数超过重传次数限制R的概率，所以pd如式（5)所示(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于QoS的WSANs丢包判决器设计方法，其特征在于，包括：S1，为了适应传感器、执行器节点传输业务多样化的趋势，本专利技术将支持QoS的IEEE 802.11e协议引入WSANs中，将各个传感器节点按其业务类型和传输数据的实时性要求划分不同的优先级，从而实现通信资源的合理分配；S2，将分组碰撞作为丢包的主要原因，分析了差错信道下EDCA的丢包概率，提出了WSANs中的丢包概率矩阵Pdrop；S3，将基于丢包概率矩阵Pdrop的龙伯格状态观测器的输出作为丢包的判决阈值，把丢包当作一种故障，设计出WSANs丢包判决器，并且能通过判决器输出的故障信号判断丢包原因是传感器节点故障，或是由于链路不稳定造成的的随机丢包。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖勇，沈轩帆，赵明，陈玲，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85