[发明专利]一种基于QoS的WSANs丢包判决器设计方法

摘要

本发明为提高无线传感器/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。

主权项

1.一种基于QoS的WSANs丢包判决器设计方法，其特征在于，包括：S1，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；在IEEE 802.11e的协议中，定义了四种接入类别AC，分别为AC_VO，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；S2，将分组碰撞作为丢包的主要原因，分析了差错信道下增强型分布式信道接入(EDCA)的丢包概率，提出了WSANs中的丢包概率矩阵P_drop；通过分析得出在WSANs中单个传感器链路的丢包概率p_d如下式所示，由上式可知，在给定重传次数限制R的条件下，丢包概率与分组发送概率τ、节点数目N、误比特率P_b和分组长度L参数有关，分组确认信息长度为H_ACK，p为分组丢包概率，分组的头长度为H，从而得出每个传感器节点对应的丢包概率p_d是相对固定的，而不同节点之间的丢包概率又是不同的；丢包概率矩阵P_drop是一个数量矩阵，如下式所示，其中，对角线上的各元素是将前式中的各个参数设为定值之后，计算得到的各路传感器节点所对应的丢包概率，p_di∈[0,1]，其余元素为0；而P_drop的阶数等于传感器节点的数量N；S3，将基于丢包概率矩阵P_drop的龙伯格状态观测器的输出作为丢包的判决阈值，通过WSANs丢包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随机丢包；以y_k、u_k为输入首先经过基于丢包概率矩阵的龙伯格状态观测器得到判决阈值y_th，将y_th与输入y_k经过比较器比较，判断是否发生丢包，将判决结果作为二选一选择器的驱动信号，未丢包时输出输入信号y_k，丢包时输出由故障信号发生器发生的故障信号f_k，y_k中的每一个元素y_ki，将状态观测器作为一种系统输出的估计手段，利用状态观测器重构的系统的状态变量进一步求解系统的输出向量并将与丢包概率矩阵P_drop相乘，从而逼近判决阈值P_dropy_k+d_k；基于丢包概率矩阵的龙伯格状态观测器描述如下，其中，u_k∈R^P为系统的输入向量，y_k∈R^N为系统的输出向量，x_k∈R^M为系统的状态向量，y_th∈R^M为该状态观测器的输出信号，L∈R^N×M是该状态观测器的增益矩阵；通过使用状态观测器来重构系统的输出变量用来还原传感器中的噪声分量，当增益矩阵L能够较好的抑制接收到的信号中的噪声时，就能够不断逼近y_k，从而使得y_th逼近P_dropy_k+d_k，使得丢包的判断趋于准确；即该状态观测器使得y_th满足下式，将y_k和u_k作为输入得到了y_th之后，将y_th与此时的输入y_k作比较，当y_ki>y_th,i时，判定为没有丢包，反之判定为丢包；由判定的结果作为二选一选路器的驱动信号，当没有发生丢包时，二选一选路器将把输出信号y_k交给故障检测滤波器做下一步处理；当发生丢包时，二选一选路器将选择由故障信号发生器发出的故障信号作为输出，当故障检测滤波器收到该故障信号后，再进一步根据故障信号波形判断丢包原因是节点故障或是链路上的随机丢包，并做出相应的处理，其中噪声分量为d_k。