一种基于信道状态信息的网络节点移动控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于信道状态信息的网络节点移动控制方法，首先利用OFDM技术对CSI的子信道进行划分，对采集到的数据进行有效信噪比的计算，并对网络节点间最大通信速率进行估计，对估计得到的通信速率的异常值进行剔除；然后对一个步长内估计得到的所有通信速率进行线性拟合，判断在一个步长内网络节点间通信速率的变化趋势；根据这个变化趋势，对网络节点进行移动控制，最终得到整个区域网络节点通信速率的最佳位置。本发明专利技术能够在复杂环境中对网络节点的移动进行有效控制，有效改善通信性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信道状态信息的网络节点移动控制方法
本专利技术涉及一种网络节点移动控制方法，用于无线自组织网络(adhocnetworks)、智能家居等系统中。
技术介绍
无线通信作为信息传输的重要手段，已渗透到各行各业中，成为现代化人类生活不可或缺的交流方式之一。然而，在实际通信中，网络节点间的通信速率往往受到距离、环境、天气等多方面因素的影响，不同位置网络节点之间的通信速率差别巨大。针对这一难题，设计合理的网络节点移动控制方法，找到网络节点之间通信的最佳位置来提升通信速率具有重要现实意义。网络节点移动控制，是利用接收到的wifi信号的信息，对网络节点进行有目的、有规则的移动，以使网络节点的通信速率达到期望值。以往的网络节点移动控制方法，很多采用接收信号强度(RSSI)作为衡量指标，由于RSSI的强弱在一定程度上反映了链路质量的好坏，众多无线通信技术如RFID、FM、WiFi、ZigBee等均可在终端设备上获取RSSI信息。但是制约RSSI稳定性和可靠性的根本因素是：RSSI是信号多径传播的叠加效果，并不能逐一的区分多条信号传播路径。最近研究中提出的信道状态信息(CSI)在一定程度上刻画了多径传播，因此可以将CSI作为信息更丰富的指标(包括多个子载波上的信号幅度和相位两个方面的信息)。与只反映多径叠加总幅度的RSSI相比，CSI在一定程度上刻画了无线信号的多径传播，CSI将单值的RSSI扩张至频域，并且附加了相位信息，从频域上为无线信号的处理提供了更为丰富和细粒度的信道状态信息。从RSSI到CSI，带来的不仅仅是信道信息容量的扩充，通过利用恰当的信号处理技术，CSI对于不同的传播环境可呈现不同的子载波幅度和相位特征；而对于相同的环境，CSI的整体结构特征则保持相对稳定。与传统的RSSI中简单的子载波幅值相加的处理方式不同，综合应用信号处理与机器学习的技术可以从CSI中提取更为精细且鲁棒性更好的信号特征，从而在时域和频域上感知更加细微或更大范围内的环境信息。表1总结了RSSI和CSI的基本特点。表1RSSI与CSI的特性比较类别RSSICSI网络层次MAC层物理层时间分辨率数据包尺度多径信号簇尺度频率分辨率无子载波尺度稳定性低高普适性几乎所有WiFi设备部分WiFi设备通过以上的对比可以发现，在复杂环境如室内或者建筑物群之间，无线信号环境复杂，难以利用不稳定的RSSI来进行网络节点移动控制，此时CSI成为了一个很好的升级版本的指标，通过对CSI的精确测量能够更好地对网络节点进行移动控制。文献“Gowda,Mahanth,N.Roy,andR.R.Choudhury."InfrastructureMobility:AWhat-ifAnalysis."ACMWorkshoponHotTopicsinNetworksACM,2014:19.”中介绍的iMob算法设计的移动步长很小，网络节点每接收一个数据包都要处理一次，不仅会增加数据处理的时间，而且也有可能会得到局部最优位置。而文献“Gowda,Mahanth,A.Dhekne,andR.R.Choudhury."TheCaseforRoboticWirelessNetworks."InternationalConferenceonWorldWideWebInternationalWorldWideWebConferencesSteeringCommittee,2016:1317-1327.”中介绍的天线阵列的方法受环境因素影响比较多。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于CSI的网络节点移动控制方法，利用CSI的信息对网络节点进行移动控制，在外界因素改变时，快速有效的将网络节点移动到性能最佳位置的方法，能够在复杂环境中对网络节点的移动进行有效控制，有效改善通信性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤1，采集CSI数据；步骤2，利用采集的CSI数据，计算每个子信道H(i)＝|H(i)|ejsin∠H(i)上的SNRi，其中，H(i)和∠H(i)分别为第i个子信道的幅值和相位；最终得到信道的有效信噪比BERk表示在第k种调制方式下信噪比到误码率的映射函数；对于每种调制编码方式MCS计算信道的SNReff，选择SNReff大于设定阈值的MCS工作，在所有工作的MCS中选择SNReff最大的MCS，计算其对应的通信速率；步骤3，计算移动节点的移动步长其中f为网络工作频率，c为无线信号传播速度；步骤4，在一个步长内估计得到的最大通信速率为Vmax，最小通信速率为Vmin，设置上限限通信速率Vup＝(1-θ)Vmax和下限通信速率Vlow＝(1+θ)Vmin，式中，θ为异常值剔除系数，θ的取值范围为0.2～0.3；在一个步长内，若估计到的通信速率大于Vup或者小于Vlow，即把该通信速率作为异常值进行剔除；步骤5，在移动的一个步长内，对剔除异常值后的n个通信速率进行一元线性拟合，得到Vts＝a+bts，式中，s＝1,2,3...n，ts表示移动节点收到第s个数据包的时间，表示时间ts时通信速率的大小，参数为一个步长内接收数据包的时间平均值，为一个步长内估计到的通信速率的平均值；步骤6，设定移动节点的移动控制策略：假设移动节点同时与M个终端通信，位于平面上任一点d时接收到来自周围终端K的通信速率为VK(d)，定义移动节点的通信性能指标节点采用移动试探的方法，在移动过程中始终保持与周围终端的通信，每移动一个步长就对该步长内通信速率的趋势变化进行判断，确保移动节点始终沿着通信性能增加的方向移动；节点重复执行移动、检测的过程，直到通信性能不再增加为止。所述的步骤6中，控制策略如下：①设w为移动方向标志变量，初始设w＝1，移动节点从初始位置x0处沿任意方向pw移动距离l，到达x1＝x0+lpw；②对该移动步长内的通信性能的变化进行趋势判断，如果b＞0，即当前移动方向通信性能增大的方向，将x1作为下一次探索的起点；否则，移动节点沿当前方向的反方向-pw移动到x2＝x1-lpw，并将x2作为下一步移动的起点；③移动节点从所处位置沿着当前搜索方向进行移动，当b＜0时，说明节点通信性能在该方向上不再增大，将节点反向移动一个步长，得到的区域即为该方向上的最佳区域；④令w值增加l，移动节点从③得到的位置处沿着pw(pw⊥pw-1)方向执行步骤②、③后方法结束，最终得到的区域即为移动节点移动后通信速率最佳的区域。本专利技术的有益效果是：首先利用OFDM技术对CSI的子信道进行划分，对采集到的数据进行有效信噪比的计算，并对网络节点间最大通信速率进行估计，对估计得到的通信速率的异常值进行剔除；然后对一个步长内估计得到的所有通信速率进行线性拟合，判断在一个步长内网络节点间通信速率的变化趋势；根据这个变化趋势，对网络节点进行移动控制，最终得到整个区域网络节点通信速率的最佳位置。实验表明，本方法对网络节点的移动控制有很好的效果。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是本专利技术的实验场景图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术提出了一种基于信道状态信息(CSI)的网络节点移动控制方法。其基本思想是：利用无线网卡固件和驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信道状态信息的网络节点移动控制方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1，采集CSI数据；步骤2，利用采集的CSI数据，计算每个子信道H(i)＝|H(i)|e

【技术特征摘要】
1.一种基于信道状态信息的网络节点移动控制方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1，采集CSI数据；步骤2，利用采集的CSI数据，计算每个子信道H(i)＝|H(i)|ejsin∠H(i)上的SNRi，其中，H(i)和∠H(i)分别为第i个子信道的幅值和相位；最终得到信道的有效信噪比BERk表示在第k种调制方式下信噪比到误码率的映射函数；对于每种调制编码方式MCS计算信道的SNReff，选择SNReff大于设定阈值的MCS工作，在所有工作的MCS中选择SNReff最大的MCS，计算其对应的通信速率；步骤3，计算移动节点的移动步长其中f为网络工作频率，c为无线信号传播速度；步骤4，在一个步长内估计得到的最大通信速率为Vmax，最小通信速率为Vmin，设置上限限通信速率Vup＝(1-θ)Vmax和下限通信速率Vlow＝(1+θ)Vmin，式中，θ为异常值剔除系数，θ的取值范围为0.2～0.3；在一个步长内，若估计到的通信速率大于Vup或者小于Vlow，即把该通信速率作为异常值进行剔除；步骤5，在移动的一个步长内，对剔除异常值后的n个通信速率进行一元线性拟合，得到式中，s＝1,2,3...n，ts表示移动节点收到第s个数据包的时间，表示时间ts时通信速率的大小，参数为一个步长内接收数据包的时间平均值，为一个步长内估计到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘航，娄雨，夏宁，赵亮，郭达伟，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61