專利名稱：基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式計算技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，具有通信、傳感和計算能力的微型傳感器節(jié)點開始出現(xiàn)，并且被逐漸的應(yīng)用到生產(chǎn)和生活之中。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)調(diào)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象信息，并發(fā)布給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式，可廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)控制、生物醫(yī)療、國防軍事等諸多領(lǐng)域。通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由電池驅(qū)動，并且往往部署在人跡罕至的地方，使得電池替換變得異常麻煩。為了解決有限的電池容量和長時間部署需求 之間的矛盾，周期工作(Duty-cycling)的工作模式已經(jīng)成為業(yè)界的廣泛應(yīng)用的方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點主要完成兩類工作數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集包括周期性的數(shù)據(jù)采集，如環(huán)境中的溫濕度，二氧化碳濃度；以及突發(fā)事件的數(shù)據(jù)采集，如森林火災(zāi)，車輛檢測。數(shù)據(jù)傳輸工作由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特點決定,大量傳感器節(jié)點以自組織(ad-hoc)的方式組成無線網(wǎng)絡(luò)，并且以多跳的方式幫助其他節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)回基站。大量研究表明，在環(huán)境監(jiān)測等周期性采集數(shù)據(jù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，能量開銷基本由無線收發(fā)器(radio)開啟的時間決定。因此，如何減少無線收發(fā)器開啟時間成了延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵所在。周期工作技術(shù)已經(jīng)成為廣為采用的節(jié)點節(jié)能方案。在周期工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線收發(fā)器周期性的開啟，從而在大部分時間中，無線收發(fā)器都處于關(guān)閉狀態(tài)，從而節(jié)約了大量的能量。無線收發(fā)器分為兩種工作狀態(tài)開啟狀態(tài)和空閑狀態(tài)。當無線收發(fā)器處于開啟狀態(tài)時，傳感器節(jié)點發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)包。當處于空閑狀態(tài)，無線收發(fā)器關(guān)閉，從而節(jié)約了大量能量?；谥芷诠ぷ骷夹g(shù)，已經(jīng)創(chuàng)建了大量媒體接入方法。這些方法主要分為兩類同步接入方法和異步接入方法。同步接入方法需要傳感器節(jié)點的無線收發(fā)器同步醒睡，但這樣會導(dǎo)致大量的能量消耗在同步的維護上。在異步接入方法中，傳感器節(jié)點不需要同步它們之間的醒睡計劃，但這樣帶來的問題是，發(fā)送方醒來時，接收方可能處于空閑狀態(tài)，將會錯過正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包。為了確保數(shù)據(jù)包能被接收方收到，低功耗監(jiān)聽技術(shù)(LPL)廣泛應(yīng)用于異步的周期工作技術(shù)中。具體來說，發(fā)送方在傳輸數(shù)據(jù)包之前，會發(fā)送一個長度足以覆蓋接收方空閑時間間隔的前同步碼(preamble),這樣能確保接收方在醒來時能至少收到一次數(shù)據(jù)包。采用低功耗監(jiān)聽技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流量給很多無線傳感器應(yīng)用帶來幫助，尤其在節(jié)能方面。在低功耗監(jiān)聽技術(shù)中，大部分能量消耗在前同步碼上。有研究表明，在常用的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器應(yīng)用中，平均前同步碼的長度是平均實際傳輸數(shù)據(jù)包長度的六十五倍，這說明大部分能量消耗在前同步碼上。如果已知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的模式，接收方能夠預(yù)測下個數(shù)據(jù)包的到來時間，這樣接收方就能在發(fā)送方開始發(fā)送之前醒來，從而大大減少了前同步碼發(fā)送的長度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包到達的過程可以建模成泊松過程(Poisson Process)。泊松過程要求數(shù)據(jù)包到達的時間間隔服從指數(shù)分布，但低功耗監(jiān)聽技術(shù)中，由于周期性的醒睡，使得數(shù)據(jù)包到達的時間間隔無法滿足指數(shù)分布的特性，從而無法滿足泊松過程的特性。具體來說，服務(wù)于周期性數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流主要受低功耗技術(shù)中的占空比(dutycycle)和數(shù)據(jù)采集周期的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其基于實際統(tǒng)計結(jié)果，對線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量進行評估，判斷其是否滿足泊松過程，不僅更貼合實際，效率高，而且避免了大量采樣的開銷。為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其包括如下步驟A、通過基于窗口切割的安德森-達林(Andson-daring)測試來判斷每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔是否服從指數(shù)分布；B、通過自相關(guān)方法判斷每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列是否相互獨立；C、根據(jù)步驟A和步驟B的判斷結(jié)果，當每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔滿足指數(shù)分布，而且每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立時，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行泊松分布建模。特別地，所述步驟A中基于窗口切割的安德森-達林測試具體包括每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，并將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K ；將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段；設(shè)置顯著性水平SI，若S1*K段實際發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列通過安德森-達林測試，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列符合指數(shù)分布；設(shè)置顯著性水平S2，若S1*N個節(jié)點通過安德森-達林測試，則判定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔服從指數(shù)分布，其中，N為所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的個數(shù)。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其特征在于，所述步驟A具體包括Al、計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)N ;觀測每個節(jié)點在T時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程并記錄；A2、每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，并將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段；A3、計算每個節(jié)點和實際發(fā)送數(shù)據(jù)包序列具有相同幾何平均的指數(shù)分布；A4、對實際發(fā)送數(shù)據(jù)包序列和步驟A3生成的序列進行安德森-達林測試，設(shè)置顯著性水平SI，若S1*K段實際發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列通過安德森-達林測試，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列符合指數(shù)分布；A5、設(shè)置顯著性水平S2，若S1*N個節(jié)點通過安德森-達林測試，則判定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔服從指數(shù)分布。
特別地，所述步驟B具體包括計算每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔序列的距離為I的自相關(guān)系數(shù)，若95%的切割窗口均通過了獨立性測試，則判定節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立。特別地，所述步驟B具體包括B1、計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)N ;觀測每個節(jié)點在T時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程并記錄；B2、每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，并將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段；B3、對每段發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔序列求距離為I的自相關(guān)系數(shù)；B4、比較每段距離為I的自相關(guān)系數(shù)的結(jié)果和1.96/i，獲取通過獨立性測試的切 割段數(shù)目R，其中，η為時間間隔序列樣本個數(shù)；Β5、若R/N大于95%，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立。本發(fā)明挖掘周期性數(shù)據(jù)采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的特性，基于實際統(tǒng)計結(jié)果，對線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量進行評估，判斷其是否滿足泊松過程。本發(fā)明根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實際的數(shù)據(jù)流量進行判斷，比傳統(tǒng)方法更加精確，更貼合實際；只需要對節(jié)點進行采樣，并且判斷過程均為時間復(fù)雜度的處理，時間復(fù)雜度低；只需要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)隨機抽樣，避免了大量采樣的開銷。


圖1為本發(fā)明實施例提供的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。請參照圖1所示，圖1為本發(fā)明實施例提供的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法的流程圖。本實施例中基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其包括如下步驟步驟SlOl、通過基于窗口切割的安德森-達林(Andson-daring)測試來判斷每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔是否服從指數(shù)分布。判斷節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔是否服從指數(shù)分布的具體過程如下步驟S1011、計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)N ;觀測每個節(jié)點在T時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程并記錄。步驟S1012、每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，并將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段。由于考慮到信道的動態(tài)性，每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，當信道動態(tài)性越大，K越小，動態(tài)性越小，K越大。具體來說，K =ceiling (1/variance (RSSi)),其中RSSi是節(jié)點i的信道強度RSS的時間序列。步驟S1013、計算每個節(jié)點和實際發(fā)送數(shù)據(jù)包序列具有相同幾何平均的指數(shù)分布。步驟S1014、對實際發(fā)送數(shù)據(jù)包序列和步驟S1013生成的序列進行安德森-達林測試，設(shè)置顯著性水平SI，若S1*K段實際發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列通過安德森-達林測試，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列符合指數(shù)分布；步驟S1015、設(shè)置顯著性水平S2，若S1*N個節(jié)點通過安德森-達林測試，則判定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔服從指數(shù)分布。步驟S102、通過自相關(guān)方法判斷每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列是否相互獨立。判斷每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列是否相互獨立的具體過程如下步驟S1021、計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)N ;觀測每個節(jié)點在T時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程并記錄。
步驟S1022、每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，并將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段；步驟S1023、對每段發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔序列求距離為I的自相關(guān)系數(shù)；步驟S1024、比較每段距離為I的自相關(guān)系數(shù)的結(jié)果和1.96/士，茯取通過獨立性測試的切割段數(shù)目R，其中，η為時間間隔序列樣本個數(shù)；步驟S1025、若R/N大于95%，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立。步驟S103、根據(jù)步驟SlOl和步驟S102的判斷結(jié)果，當每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔滿足指數(shù)分布，而且每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立時，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行泊松分布建模，否則對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用其它方式進行建模，例如基于學(xué)習(xí)的統(tǒng)計模型(線性回歸，支持向量機等)。本發(fā)明已成功應(yīng)用于位于浙江農(nóng)林大學(xué)的GreenOrbs (綠野千傳)傳感網(wǎng)系統(tǒng)。該傳感網(wǎng)系統(tǒng)五百個節(jié)點，該系統(tǒng)可以采集溫度、濕度、光亮、等信息，為科學(xué)監(jiān)測森林環(huán)境提供了重要信息。本發(fā)明的技術(shù)方案基于實際統(tǒng)計結(jié)果，對線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量進行評估，判斷其是否滿足泊松過程，不僅貼合實際，效率高，而且避免了大量采樣的開銷。上述僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術(shù)原理，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其特征在于，包括如下步驟 A、通過基于窗口切割的安德森-達林(Andson-daring)測試來判斷每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔是否服從指數(shù)分布； B、通過自相關(guān)方法判斷每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列是否相互獨立； C、根據(jù)步驟A和步驟B的判斷結(jié)果，當每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔滿足指數(shù)分布，而且每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立時，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行泊松分布建模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其特征在于，所述步驟A中基于窗口切割的安德森-達林測試具體包括 每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，并將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K ;將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段；設(shè)置顯著性水平SI，若S1*K段實際發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列通過安德森-達林測試，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列符合指數(shù)分布；設(shè)置顯著性水平S2，若S1*N個節(jié)點通過安德森-達林測試，則判定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔服從指數(shù)分布，其中，N為所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的個數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其特征在于，所述步驟A具體包括 Al、計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)N ;觀測每個節(jié)點在T時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程并記錄； A2、每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，并將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段； A3、計算每個節(jié)點和實際發(fā)送數(shù)據(jù)包序列具有相同幾何平均的指數(shù)分布； A4、對實際發(fā)送數(shù)據(jù)包序列和步驟A3生成的序列進行安德森-達林測試，設(shè)置顯著性水平SI，若S1*K段實際發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列通過安德森-達林測試，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列符合指數(shù)分布； A5、設(shè)置顯著性水平S2，若S1*N個節(jié)點通過安德森-達林測試，則判定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔服從指數(shù)分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其特征在于，所述步驟B具體包括 計算每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔序列的距離為I的自相關(guān)系數(shù)，若95%的切割窗口均通過了獨立性測試，則判定節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其特征在于，所述步驟B具體包括 B1、計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)N ;觀測每個節(jié)點在T時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程并記錄； B2、每個節(jié)點計算每個時間點的信道強度RSS的方差，將其作為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性參數(shù)K，并將每個節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程切割成K段； B3、對每段發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔序列求距離為I的自相關(guān)系數(shù)； B4、比較每段距離為I的自相關(guān)系數(shù)的結(jié)果和1.96/士，獲取通過獨立性測試的切割段數(shù)目R，其中，n為時間間隔序列樣本個數(shù)； B5、若R/N大于95%，則判定該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于統(tǒng)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量評估方法，其包括如下步驟A、通過基于窗口切割的安德森-達林測試來判斷每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔是否服從指數(shù)分布。B、通過自相關(guān)方法判斷每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列是否相互獨立。C、根據(jù)步驟A和步驟B的判斷結(jié)果，當每個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包的時間間隔滿足指數(shù)分布，而且每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間間隔序列相互獨立時，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行泊松分布建模。本發(fā)明基于實際統(tǒng)計結(jié)果，對線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量進行評估，判斷其是否滿足泊松過程，不僅更貼合實際，效率高，而且避免了大量采樣的開銷。
文檔編號H04W84/18GK103024797SQ201210504980
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者朱彤, 劉峻良, 何源, 劉云浩 申請人:無錫清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中心