[发明专利]一种高自由度水下传感器网络中无线链路质量预测方法

说明书

本发明公开了一种高自由度水下传感器网络中无线链路质量预测方法。该方法步骤为：以由海面Sink、水下锚节点、水下普通传感器节点构成的等级型、高自由度的水下传感器网络为研究对象，建立其网络加权图序列模型以及相应的链路质量邻接矩阵；基于对链路质量序列的相关函数以及偏相关函数的特点分析，对链路质量序列进行时间序列模型识别；通过近似极大似然估计方法以及SBC准则进一步估计模型参数并完成模型定阶，进而实现锚节点与传感器节点间的链路质量预测；最后，利用预设的预测精度门限值分析链路质量预测结果，从而进行差错控制与模型优化。本发明预测精度高、可行性强，可以广泛适用于多种水下场景中的传感器网络链路质量预测。

技术领域

本发明涉及无线通信网络领域，特别是一种高自由度水下传感器网络中无线链路质量预测方法。

背景技术

水下传感器网络可以以高时空分辨率实现对各种水下目标进行监测，是一种很有应用前景的技术。近年来，随着水声通信技术的不断提高、MAC协议的优化和自主水下航行器的发展，使该技术具有更广泛的应用领域，如地震数据收集、污染监测、辅助导航、海上勘探和战术监视等。

然而相比于常规陆地传感器网络，水下传感器网络的运行仍然面临很多限制。这些限制主要源于恶劣的水下环境。一方面，由于无线电波和光波在水中衰减严重，因此水声通信成为水下无线通信的主要方法。水声信道具有时变、空变的传输特性，是一种典型的频率选择性衰落信道，具有低带宽、低传播速度、高误码率(BER)、非对称和间歇链路等特点，大大降低了水声通信系统的可靠性和有效性。另一方面，由于海洋运动在不同时间和空间尺度上的影响，节点的分布具有临时性，这使得维护网络拓扑变得困难，受此影响节点间的链路质量可能不断变化，这个问题在无缆绳、绞盘等装置束缚的高自由度水下传感器网络中显得尤为突出。

由于准确的链路质量获取是网络拓扑控制和路由设计等上层协议的基础，因此要求节点需要掌握与自身关联的链路的质量以应对时变的网络拓扑。现有的链路质量研究多聚焦于链路质量的评估，而鲜少涉及链路质量预测问题，这显然不能满足具有时变性和空变性的高自由度水下传感器网络的应用需要，甚至导致网络上层协议失效、数据无法传输。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高自由度的水下传感器网络中无线链路质量预测方法，能够利用水下物体的运动时空相关性，在短时间尺度内有效预测水声链路的动态变化情况。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高自由度水下传感器网络中无线链路质量预测方法，包括以下步骤：

步骤1、建立水下传感器网络的加权图序列模型，并设置链路质量、路径质量的衡量指标；

步骤2、通过时间序列模型拟合方法，实现传感器节点与锚节点间链路质量预测；

步骤3、分析链路质量预测结果，进行差错控制与模型优化。

进一步地，步骤1中所述的建立水下传感器网络的加权图序列模型，具体为：

设定水下传感器网络的加权图序列模型为与其对应的不同时隙的链路质量邻接矩阵为(M₁,…,M_T)；

其中，加权图表示该网络在时隙t的拓扑快照，SN,AN和o分别表示传感器节点集合、锚节点集合以及海面上的Sink，边集E为包含所有有向链路的集合，权重集W为包含在该时隙内所有链路的链路质量集合。

进一步地，步骤1中所述链路质量，定义为：

给定网络中一对通信邻居节点源节点s和目的节点d，源节点s和目的节点d在时隙t间的链路质量l(s,d)，用该链路在该时隙的分组接收率PRR来衡量。

进一步地，步骤1中所述路径质量，定义为：