本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法及裝置。

背景技術(shù)：

無線通信是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，農(nóng)田環(huán)境由于作物密集生長，表現(xiàn)為典型的多徑信道環(huán)境，無線信號在傳播過程中，受不同種類障礙物的影響會發(fā)生不同程度的反射、散射和衍射等現(xiàn)象，造成信號能量的衰減，以及時延、相位、頻率等的變化。農(nóng)田中作物每年都經(jīng)歷不同生長階段，這些階段的枝葉密度差異很大，對信號傳播產(chǎn)生不同程度的影響，其中，由于多徑效應(yīng)的作用，接收端信號主要表現(xiàn)為信號的不規(guī)則跳變，對農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號的正確穩(wěn)定通信造成了影響。為此，研究建立農(nóng)田環(huán)境下的信號傳播特性模型顯得尤為必要。

在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)信道衰減建模研究中，郭秀明等對蘋果園中2.4GHz無線信道在不同高度的傳播特性進行了分析，通過實驗數(shù)據(jù)得出了無線信號強度衰減與天線高度與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系；李震等在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)田間射頻信號路徑損耗，研究了橘園中WSN射頻信號與影響因素間的關(guān)系。但上述研究的重點均是信號強度與環(huán)境因素之間的相互關(guān)系，并未考慮小尺度衰落對信號強度與信號質(zhì)量的影響，且對環(huán)境特征參數(shù)的選取不夠準確。發(fā)明專利“一種高精度無線信道參數(shù)化模型的聯(lián)合估計方法”(公告號：CN 101588328)提供了一種高精度無線信道參數(shù)化模型聯(lián)合估計方法，主要包括：反射徑分量參數(shù)估計、漫散射徑分量參數(shù)估計、反射徑信號分量重建、漫散射信號分量重建，并通過負反饋的方式對無線信道進行分析建模預(yù)測。發(fā)明專利“一種多徑信道估計方法”(公告號：CN 101471904)提供一種多徑信道延時估計方法，包括：對多徑信道進行粗估計，得到多徑信道延時的初始估計值；由多徑信道采用多徑時延對信道進行初估，然后通過測量多徑信道的沖激響應(yīng)h(n)得到多徑信道模型。上述兩方法的關(guān)鍵在于需要有效區(qū)分各反射、散射分量，并對每一條路徑進行參數(shù)重建，但在實際應(yīng)用中，尤其是在農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境中，由于遮擋物密集，信道條件復(fù)雜，多徑路徑數(shù)量趨于無窮，因此無法采用上述方法中的有限數(shù)量反射、散射路徑對信道進行描述重建；其次，在采取單純基于實測的建模方法時，沒有與環(huán)境變量參數(shù)關(guān)聯(lián)，建模結(jié)果僅針對當前測量結(jié)果，普適性差，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中局限性明顯。發(fā)明專利“玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法(公告號：CN103888204A)提供一種玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法，根據(jù)采樣區(qū)域內(nèi)影響無線信號傳播的環(huán)境因子，在不同環(huán)境因子及關(guān)鍵因子條件下，采集采樣區(qū)域內(nèi)的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)，并進行擬合建模。雖然解決了無窮不可分辨多徑下的多尺度建模問題，但該方法將農(nóng)田信道環(huán)境視為各向均勻的傳播環(huán)境。實際上由于作物生長態(tài)勢并不完全一致，且作物對無線信號的遮擋和天線與作物間的相對位置關(guān)系緊密，農(nóng)田多徑信道表現(xiàn)為方向的不均勻。此外由于現(xiàn)有經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒７椒ǖ膶崟r性不高，已建立模型無法對當前作物生長變化中的無線傳感器應(yīng)用場景進行準確描述。

現(xiàn)有實用場景建模方法中一般僅研究信號大尺度建模，劃分參數(shù)主要考慮節(jié)點之間通信距離與天線高度，并未將農(nóng)田生長高度變化、作物密度、植株空間結(jié)構(gòu)等復(fù)雜漸變環(huán)境因子對信道傳播模型的影響進行深入研究討論。雖可以在大尺度上描述信道環(huán)境，但因沒有與現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行關(guān)聯(lián)，也就無法依據(jù)可測量的環(huán)境參數(shù)對類似場景中的衰減因子進行預(yù)測分析，實用價值低。部分農(nóng)田信道建模研究采用了概率分布模型用以達到對小尺度效應(yīng)的準確描述，但依據(jù)概率分布模型難以對節(jié)點部署和拓撲控制過程實現(xiàn)直接的精確估計與指導(dǎo)。不僅如此，現(xiàn)有經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯⒛骋浑A段的農(nóng)田地塊視為各向均勻且同性介質(zhì)，采用同一化模型進行描述，但實際中，由于作物生長并不完全一致，而節(jié)點天線與作物間的相對位置關(guān)系也對信號傳播特性有著較大影響，所以農(nóng)田信道并不是各向同性且均勻的。

此外，現(xiàn)有農(nóng)田環(huán)境建模方法均采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，而對于農(nóng)田而言，作物生長狀況與環(huán)境參數(shù)在不同地塊、同一地塊不同年份均有所不同，根據(jù)某次實驗數(shù)據(jù)擬合得出的信道特征參數(shù)對當年當期作物下的信號傳播描述準確，但對于其他地塊或同一地塊不同年份的描述仍存在較大偏差。而經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵话銓⒆魑锷L期分為多個階段進行分別描述。雖然這樣簡化了經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕７椒ǎ浑A段內(nèi)作物生長也存在差異，傳統(tǒng)經(jīng)驗建模方法忽略了同一階段內(nèi)作物生長帶來的信道模型區(qū)別，而用某次實驗時的數(shù)據(jù)代表了整個生長階段的信道特性。

因此，如何提出一種方法，實現(xiàn)對農(nóng)田復(fù)雜漸變多徑信道快衰落環(huán)境下節(jié)點間實時信道特性的準確實時描述，具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明實施例提供一種農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法及裝置。

一方面，本發(fā)明提出一種農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法，包括：

采集節(jié)點間的測距樣本，并根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別；

采用節(jié)點間連通向量的方式對信道進行描述以形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，并采用矩陣向量的方式對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行保存維護。

本發(fā)明提供的農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法，由于可通過概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別，因此可實現(xiàn)對農(nóng)田復(fù)雜漸變多信道快衰落環(huán)境下節(jié)點間實時信道特性的準確實時描述。

另一方面，本發(fā)明還提出一種農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置，包括采集單元以及連通圖單元；

所述采集單元用于采集節(jié)點間的測距樣本，并根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別；

所述連通圖單元用于采用節(jié)點間連通向量的方式對信道進行描述以形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，并采用矩陣向量的方式對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行保存維護。

本發(fā)明提供的農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置，由于可通過概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別，因此可實現(xiàn)對農(nóng)田復(fù)雜漸變多信道快衰落環(huán)境下節(jié)點間實時信道特性的準確實時描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法實施例的流程示意圖；

圖2為節(jié)點間定位測距分布示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中的網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖；

圖4為本發(fā)明實施例對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新的流程示意圖；

圖5本發(fā)明農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法實施例的流程示意圖，參看圖1，本實施例公開一種農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法，包括：

S1、采集節(jié)點間的測距樣本，并根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別；

S2、采用節(jié)點間連通向量的方式對信道進行描述以形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，并采用矩陣向量的方式對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行保存維護。

本發(fā)明提供的農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法，由于可通過概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別，因此可實現(xiàn)對農(nóng)田復(fù)雜漸變多信道快衰落環(huán)境下節(jié)點間實時信道特性的準確實時描述。

其中，在S1中，所述采集節(jié)點間測距樣本，并根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別包括：

獲取所述節(jié)點在其通信半徑內(nèi)存在的可達鄰居節(jié)點；

根據(jù)預(yù)設(shè)次數(shù)重復(fù)獲取所述節(jié)點與其所有所述鄰居節(jié)點的節(jié)點間測距樣本；

根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本對節(jié)點間的實際連通距離進行分布估計，以獲取節(jié)點間的有向信道路徑的實際連通距離概率密度；

根據(jù)所述節(jié)點間的有向信道路徑的實際連通距離概率密度采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別。

具體地，圖2為節(jié)點間定位測距分布示意圖，參看圖2，假設(shè)對于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點S_i，其通信半徑內(nèi)存在可達鄰居節(jié)點S_l、S_m、S_n…，根據(jù)預(yù)設(shè)次數(shù)例如20次，重復(fù)地獲取其與所有鄰居節(jié)點的連通距離，分別記為測距樣本向量D_il，D_im，D_in…，其中D_il＝{D_il(1)，D_il(2)，…，D_il(20)}。之后，計算節(jié)點S_i與其所有鄰居節(jié)點的連測距樣本平均值

根據(jù)信道模型，路徑損耗與距離的關(guān)系可表示為：

PL＝10n lg d+A+X

其中，n為環(huán)境遮擋相關(guān)的衰減系數(shù)，A為特定環(huán)境下的一常數(shù)，X為表征小尺度效應(yīng)的路徑損耗隨機變量，其也是造成農(nóng)田多徑信道不規(guī)則的原因所在。在本發(fā)明方法中，由于將實際傳輸距離視為隨機變量，因此，將路徑損耗模型改寫為：

PL＝10n lg D+A^*

其中D為表征節(jié)點間實際連通距離的隨機變量，PL為表征節(jié)點間實際路徑損耗的隨機變量，A*為特定環(huán)境下的一常數(shù)。

對于節(jié)點S_i到S_j間的有向路徑而言，因多徑信道快衰落而造成定位測距值隨機變化，所以采用隨機變量D_ij表征路徑的實際連通距離。

根據(jù)定位測距樣本值對實際距離分布進行估計，D_ij的概率密度可按如下方法對其進行估計：

其中，N為定位測距樣本總數(shù)，D_ij(c)為路徑定位測距的第c個樣本值，h_N為概率窗寬度，可視為邊長為h_N的超立方體的體積，a為數(shù)據(jù)維度。

對于概率窗函數(shù)其條件為且

特殊地，對于本實施例而言，選擇正態(tài)分布函數(shù)作為本實施例的窗函數(shù)，則有D_ij概率密度函數(shù)估計式為：

特殊地，本實施例中h_N取值為0.05。

因為隨機變量PL是隨機變量D的單調(diào)連續(xù)可微函數(shù)，所以可得出路徑上對應(yīng)的信號路徑損耗隨機變量PL的概率密度函數(shù)為

由于農(nóng)田無線信道的非均勻性，，所以節(jié)點S_i到其鄰居節(jié)點S_j、S_l、S_m、S_n…等間的信道均不一致，不僅如此，由于收發(fā)天線與遮擋作物的相對關(guān)系不盡相同，節(jié)點S_i到S_j的信道與節(jié)點S_j到S_i的信道也存在一定差異，即農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間信道具有不規(guī)則性與有向性的特點。所以有

PL_ij、PL_il、PL_im、PL_ji等均不相同。

在完成對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別后，則采用節(jié)點間連通向量的方式對信道進行描述以形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，并采用矩陣向量的方式對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行保存維護。

具體地，節(jié)點S_i按照上述方法求得與所有鄰居節(jié)點的傳輸信道路損后，建立節(jié)點間加權(quán)有向連通圖，采用向量形式表示如下：

CP_i代表S_i的鄰居節(jié)點到節(jié)點S_i的多徑信道不規(guī)則情況，節(jié)點S_i對自身加權(quán)有向連通向量進行維護。所有節(jié)點的加權(quán)有向連通向量共同組成網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)有向連通矩陣，由sink節(jié)點收集并更新維護，網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通矩陣表示如下：

對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖如圖3所示。

在分布式路由算法中節(jié)點根據(jù)自身維護的加權(quán)有向連通向量進行路徑或簇頭選擇，在集中式路由算法中sink節(jié)點或是區(qū)域關(guān)鍵節(jié)點，可以收集形成并維護區(qū)域內(nèi)節(jié)點的加權(quán)有向連通矩陣，并用以進行路由選擇優(yōu)化。

進一步地，所述方法還包括：

根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖獲取節(jié)點間通信發(fā)射功率；

根據(jù)所述節(jié)點間通信發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，以對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新。

其中，所述根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖獲取節(jié)點間通信發(fā)射功率包括：

節(jié)點按照預(yù)設(shè)最大感知通信半徑尋找鄰居節(jié)點；

節(jié)點根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖獲取其與所述鄰居節(jié)點的節(jié)點間通信發(fā)射功率。

所述根據(jù)所述節(jié)點間通信發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，以對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新包括：

節(jié)點按照所述節(jié)點間通信發(fā)射功率對目標節(jié)點發(fā)送試組網(wǎng)消息，若接收到所述目標節(jié)點發(fā)送的確認消息，則不對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖中對應(yīng)的雙向邊進行更新；

若節(jié)點未收到所述目標節(jié)點發(fā)送的試組網(wǎng)消息或確認消息，則對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖中對應(yīng)的雙向邊進行更新。

具體地，圖4為本發(fā)明實施例對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新的流程示意圖，參看圖4，對于農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，低能耗是所有優(yōu)化方法中需要考慮的重要問題。有效的預(yù)知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的連通關(guān)系，可以為網(wǎng)絡(luò)低能耗穩(wěn)定通信提供保障。為此，本發(fā)明提出的方法還包括一種網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖的更新機制，通過網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖得出節(jié)點通信發(fā)射功率預(yù)設(shè)值，并在滿足預(yù)設(shè)條件時對網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新，以適應(yīng)農(nóng)田漸變多徑信道條件。

所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖更新機制具體包括如下步驟：

步驟一、在網(wǎng)絡(luò)建立初期，所有節(jié)點按照預(yù)設(shè)最大感知通信半徑尋找鄰居節(jié)點，并將所有的可達鄰居節(jié)點加入其可達鄰居節(jié)點集N_i＝{S_j|u(D_ij)+σ(D_ij)<d_crossover}中；

其中u(D_ij)為隨機變量D_ij的均值，σ(D_ij)為隨機變量D_ij的均方差。因為農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般從作物播種開始監(jiān)測，所以可認為在網(wǎng)絡(luò)建立初期任意節(jié)點S_i可達鄰居節(jié)點集為其最大可達鄰居節(jié)點集。

步驟二、按照上述節(jié)點間測距定位方法以及概率窗不規(guī)則識別法建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間加權(quán)有向連通圖，將置向圖更新標志置0，并轉(zhuǎn)至步驟三；

步驟三、從節(jié)點S_i的加權(quán)有向連通圖向量中選擇對應(yīng)的節(jié)點項，以確定節(jié)點S_i對特定鄰居節(jié)點的發(fā)射功率。以節(jié)點S_i到S_j的通路為例：

Pt_ij＝u(PL_ij)+σ(PL_ij)+P_sensitivity+A₀

其中Pt_ij為節(jié)點S_i對S_j的發(fā)射功率，P_sensitivity為節(jié)點的接收靈敏度，A₀為一預(yù)設(shè)的較小附加量。

若節(jié)點Si需同時與多個鄰居節(jié)點進行連接通信，則取

Pt_i＝max{Pt_ij,Pt_im,…,Pt_in}

若處于路由建立或更新階段，則選取能保證網(wǎng)絡(luò)連通的最小連通鄰居節(jié)點數(shù)量，一般地最小連通鄰居節(jié)點數(shù)為5。則從節(jié)點S_i的加權(quán)有向連通圖向量中所需發(fā)射功率最小的5個鄰居節(jié)點作為連通對象。若可達鄰居節(jié)點集的節(jié)點數(shù)量小于5，則選擇全部。并按上述方法確定節(jié)點間的發(fā)射功率。

步驟四、若進行了連通圖更新，則以步驟三中確定的節(jié)點發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，若未進行連通圖更新，則按上一次的發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，節(jié)點按各自的預(yù)設(shè)發(fā)射功率對目標節(jié)點發(fā)送試組網(wǎng)消息，若收到確認消息，則認為該對節(jié)點間雙向信道均未發(fā)生變化或變化較小，無需對加權(quán)有向圖中的該雙向邊進行更新。若某節(jié)點在加權(quán)有向連通圖中的所有連接均未發(fā)生變化，則直接轉(zhuǎn)入休眠，在預(yù)設(shè)時間喚醒，轉(zhuǎn)入步驟五。

若節(jié)點未收到某連通對象的試組網(wǎng)消息，或未收到確認消息，則認為該節(jié)點間信道發(fā)生明顯變化，需要對該連接邊進行更新。則相關(guān)節(jié)點跳轉(zhuǎn)至步驟二，對發(fā)生變化的連接邊進行更新，并采用步驟三重新確定發(fā)射功率后，休眠并與無需建模節(jié)點在同一預(yù)設(shè)喚醒時間，轉(zhuǎn)入步驟五。

步驟五、喚醒后，所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點按最新的發(fā)射功率進行組網(wǎng)與數(shù)據(jù)上傳。

本發(fā)明提供的農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別方法，從農(nóng)田復(fù)雜漸變環(huán)境對無線信號傳輸影響的角度出發(fā)，考慮農(nóng)田無線信道的各向差異性，從農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位測距與信道條件的關(guān)系出發(fā)，采集定位測距樣本以表征信道快衰落環(huán)境。采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別的方法，基于測距樣本對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別。并采用節(jié)點間連通向量的方式對信道特定進行描述，并形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，實現(xiàn)了對農(nóng)田各向異性環(huán)境中不規(guī)則信道的準確描述。采用矩陣向量的方式對連通圖進行保存與維護，降低了節(jié)點資源要求，也可現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)信道的任意區(qū)域分割，方便與不同路由算法進行適配對接。針對作物生長變化造成農(nóng)田信道環(huán)境變化特點，提出加權(quán)有向連通圖更新機制，在農(nóng)田環(huán)境無變化或變化較小的情況下延用原有信道模型，避免不必要的算法開銷。在環(huán)境總體或局部發(fā)生明顯變化時，針對變化區(qū)域進行針對性更新，在實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信道實時建模的同時也保證了較低的算法開銷。為農(nóng)田復(fù)雜環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測應(yīng)用中后續(xù)通信質(zhì)量預(yù)測、節(jié)點位置部署、網(wǎng)絡(luò)拓撲控制、覆蓋度量、路由選擇優(yōu)化等提供基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)與依據(jù)。

圖5本發(fā)明農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，參看圖5，本發(fā)明還提供一種農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置，所述裝置包括采集單元1以及連通圖單元2；所述采集單元1用于采集節(jié)點間的測距樣本，并根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別；所述連通圖單元2用于采用節(jié)點間連通向量的方式對信道進行描述以形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，并采用矩陣向量的方式對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行保存維護。

本發(fā)明提供的農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置，由于可通過概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別，因此可實現(xiàn)對農(nóng)田復(fù)雜漸變多信道快衰落環(huán)境下節(jié)點間實時信道特性的準確實時描述。

其中，所述采集單元1具體用于：

獲取所述節(jié)點在其通信半徑內(nèi)存在的可達鄰居節(jié)點；

根據(jù)預(yù)設(shè)次數(shù)重復(fù)獲取所述節(jié)點與其所有所述鄰居節(jié)點的節(jié)點間測距樣本；

根據(jù)所述節(jié)點間測距樣本對節(jié)點間的實際連通距離進行分布估計，以獲取節(jié)點間的有向信道路徑的實際連通距離概率密度；

根據(jù)所述節(jié)點間的有向信道路徑的實際連通距離概率密度采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別法對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別。

具體地，假設(shè)對于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點S_i，其通信半徑內(nèi)存在可達鄰居節(jié)點S_l、S_m、S_n…，根據(jù)預(yù)設(shè)次數(shù)例如20次，重復(fù)地獲取其與所有鄰居節(jié)點的連通距離，分別記為測距樣本向量D_il，D_im，D_in…，其中D_il＝{D_il(1)，D_il(2)，…，D_il(20)}。之后，計算節(jié)點S_i與其所有鄰居節(jié)點的連測距樣本平均值

根據(jù)信道模型，路徑損耗與距離的關(guān)系可表示為：

PL＝10n lg d+A+X

其中，n為環(huán)境遮擋相關(guān)的衰減系數(shù)，A為特定環(huán)境下的一常數(shù)，X為表征小尺度效應(yīng)的路徑損耗隨機變量，其也是造成農(nóng)田多徑信道不規(guī)則的原因所在。在本發(fā)明方法中，由于將實際傳輸距離視為隨機變量，因此，將路徑損耗模型改寫為：

PL＝10n lg D+A^*

其中D為表征節(jié)點間實際連通距離的隨機變量，PL為表征節(jié)點間實際路徑損耗的隨機變量，A*為特定環(huán)境下的一常數(shù)。

對于節(jié)點S_i到S_j間的有向路徑而言，因多徑信道快衰落而造成定位測距值隨機變化，所以采用隨機變量D_ij表征路徑的實際連通距離。

根據(jù)定位測距樣本值對實際距離分布進行估計，D_ij的概率密度可按如下方法對其進行估計：

其中，N為定位測距樣本總數(shù)，D_ij(c)為路徑定位測距的第c個樣本值，h_N為概率窗寬度，可視為邊長為h_N的超立方體的體積，a為數(shù)據(jù)維度。

對于概率窗函數(shù)其條件為且

特殊地，對于本實施例而言，選擇正態(tài)分布函數(shù)作為本實施例的窗函數(shù)，則有D_ij概率密度函數(shù)估計式為：

特殊地，本實施例中h_N取值為0.05。

因為隨機變量PL是隨機變量D的單調(diào)連續(xù)可微函數(shù)，所以可得出路徑上對應(yīng)的信號路徑損耗隨機變量PL的概率密度函數(shù)為

由于農(nóng)田無線信道的非均勻性，，所以節(jié)點S_i到其鄰居節(jié)點S_j、S_l、S_m、S_n…等間的信道均不一致，不僅如此，由于收發(fā)天線與遮擋作物的相對關(guān)系不盡相同，節(jié)點S_i到S_j的信道與節(jié)點S_j到S_i的信道也存在一定差異，即農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間信道具有不規(guī)則性與有向性的特點。所以有

PL_ij、PL_il、PL_im、PL_ji等均不相同。

在所述采集單元1完成對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別后，則采用節(jié)點間連通向量的方式對信道進行描述以形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，并采用矩陣向量的方式對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行保存維護。

具體地，節(jié)點S_i按照上述方法求得與所有鄰居節(jié)點的傳輸信道路損后，建立節(jié)點間加權(quán)有向連通圖，采用向量形式表示如下：

CP_i代表S_i的鄰居節(jié)點到節(jié)點S_i的多徑信道不規(guī)則情況，節(jié)點S_i對自身加權(quán)有向連通向量進行維護。所有節(jié)點的加權(quán)有向連通向量共同組成網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)有向連通矩陣，由sink節(jié)點收集并更新維護，網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通矩陣表示如下：

對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖如圖3所示。

在分布式路由算法中節(jié)點根據(jù)自身維護的加權(quán)有向連通向量進行路徑或簇頭選擇，在集中式路由算法中sink節(jié)點或是區(qū)域關(guān)鍵節(jié)點，可以收集形成并維護區(qū)域內(nèi)節(jié)點的加權(quán)有向連通矩陣，并用以進行路由選擇優(yōu)化。

進一步地，所述裝置還包括連通圖更新單元；所述連通圖更新單元用于：

根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖獲取節(jié)點間通信發(fā)射功率；

根據(jù)所述節(jié)點間通信發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，以對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新。

其中，所述連通圖更新單元根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖獲取節(jié)點間通信發(fā)射功率包括：

使節(jié)點按照預(yù)設(shè)最大感知通信半徑尋找鄰居節(jié)點；

使節(jié)點根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖獲取其與所述鄰居節(jié)點的節(jié)點間通信發(fā)射功率。

所述連通圖更新單元根據(jù)所述節(jié)點間通信發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，以對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新包括：

使節(jié)點按照所述節(jié)點間通信發(fā)射功率對目標節(jié)點發(fā)送試組網(wǎng)消息，若接收到所述目標節(jié)點發(fā)送的確認消息，則不對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖中對應(yīng)的雙向邊進行更新；

若節(jié)點未收到所述目標節(jié)點發(fā)送的試組網(wǎng)消息或確認消息，則對所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖中對應(yīng)的雙向邊進行更新。

具體地，對于農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，低能耗是所有優(yōu)化方法中需要考慮的重要問題。有效的預(yù)知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的連通關(guān)系，可以為網(wǎng)絡(luò)低能耗穩(wěn)定通信提供保障。為此，本發(fā)明提出的方法還包括一種網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖的更新機制，通過網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖得出節(jié)點通信發(fā)射功率預(yù)設(shè)值，并在滿足預(yù)設(shè)條件時對網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖進行更新，以適應(yīng)農(nóng)田漸變多徑信道條件。

所述網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖更新機制具體包括如下步驟：

步驟一、在網(wǎng)絡(luò)建立初期，所有節(jié)點按照預(yù)設(shè)最大感知通信半徑尋找鄰居節(jié)點，并將所有的可達鄰居節(jié)點加入其可達鄰居節(jié)點集N_i＝{S_j|u(D_ij)+σ(D_ij)<d_crossover}中；

其中u(D_ij)為隨機變量D_ij的均值，σ(D_ij)為隨機變量D_ij的均方差。因為農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般從作物播種開始監(jiān)測，所以可認為在網(wǎng)絡(luò)建立初期任意節(jié)點S_i可達鄰居節(jié)點集為其最大可達鄰居節(jié)點集。

步驟二、按照上述節(jié)點間測距定位方法以及概率窗不規(guī)則識別法建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間加權(quán)有向連通圖，將置向圖更新標志置0，并轉(zhuǎn)至步驟三；

步驟三、從節(jié)點S_i的加權(quán)有向連通圖向量中選擇對應(yīng)的節(jié)點項，以確定節(jié)點S_i對特定鄰居節(jié)點的發(fā)射功率。以節(jié)點S_i到S_j的通路為例：

Pt_ij＝u(PL_ij)+σ(PL_ij)+P_sensitivity+A₀

其中Pt_ij為節(jié)點S_i對S_j的發(fā)射功率，P_sensitivity為節(jié)點的接收靈敏度，A₀為一預(yù)設(shè)的較小附加量。

若節(jié)點Si需同時與多個鄰居節(jié)點進行連接通信，則取

Pt_i＝max{Pt_ij,Pt_im,…,Pt_in}

若處于路由建立或更新階段，則選取能保證網(wǎng)絡(luò)連通的最小連通鄰居節(jié)點數(shù)量，一般地最小連通鄰居節(jié)點數(shù)為5。則從節(jié)點S_i的加權(quán)有向連通圖向量中所需發(fā)射功率最小的5個鄰居節(jié)點作為連通對象。若可達鄰居節(jié)點集的節(jié)點數(shù)量小于5，則選擇全部。并按上述方法確定節(jié)點間的發(fā)射功率。

步驟四、若進行了連通圖更新，則以步驟三中確定的節(jié)點發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，若未進行連通圖更新，則按上一次的發(fā)射功率進行試組網(wǎng)，節(jié)點按各自的預(yù)設(shè)發(fā)射功率對目標節(jié)點發(fā)送試組網(wǎng)消息，若收到確認消息，則認為該對節(jié)點間雙向信道均未發(fā)生變化或變化較小，無需對加權(quán)有向圖中的該雙向邊進行更新。若某節(jié)點在加權(quán)有向連通圖中的所有連接均未發(fā)生變化，則直接轉(zhuǎn)入休眠，在預(yù)設(shè)時間喚醒，轉(zhuǎn)入步驟五。

若節(jié)點未收到某連通對象的試組網(wǎng)消息，或未收到確認消息，則認為該節(jié)點間信道發(fā)生明顯變化，需要對該連接邊進行更新。則相關(guān)節(jié)點跳轉(zhuǎn)至步驟二，對發(fā)生變化的連接邊進行更新，并采用步驟三重新確定發(fā)射功率后，休眠并與無需建模節(jié)點在同一預(yù)設(shè)喚醒時間，轉(zhuǎn)入步驟五。

步驟五、喚醒后，所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點按最新的發(fā)射功率進行組網(wǎng)與數(shù)據(jù)上傳。

本發(fā)明提供的農(nóng)田多徑信道快衰落環(huán)境的概率窗不規(guī)則識別裝置，從農(nóng)田復(fù)雜漸變環(huán)境對無線信號傳輸影響的角度出發(fā)，考慮農(nóng)田無線信道的各向差異性，從農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位測距與信道條件的關(guān)系出發(fā)，采集定位測距樣本以表征信道快衰落環(huán)境。采用正態(tài)分布概率窗不規(guī)則識別的方法，基于測距樣本對節(jié)點間有向信道路徑損耗值進行估計與不規(guī)則識別。并采用節(jié)點間連通向量的方式對信道特定進行描述，并形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)有向連通圖，實現(xiàn)了對農(nóng)田各向異性環(huán)境中不規(guī)則信道的準確描述。采用矩陣向量的方式對連通圖進行保存與維護，降低了節(jié)點資源要求，也可現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)信道的任意區(qū)域分割，方便與不同路由算法進行適配對接。針對作物生長變化造成農(nóng)田信道環(huán)境變化特點，提出加權(quán)有向連通圖更新機制，在農(nóng)田環(huán)境無變化或變化較小的情況下延用原有信道模型，避免不必要的算法開銷。在環(huán)境總體或局部發(fā)生明顯變化時，針對變化區(qū)域進行針對性更新，在實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信道實時建模的同時也保證了較低的算法開銷。為農(nóng)田復(fù)雜環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測應(yīng)用中后續(xù)通信質(zhì)量預(yù)測、節(jié)點位置部署、網(wǎng)絡(luò)拓撲控制、覆蓋度量、路由選擇優(yōu)化等提供基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)與依據(jù)。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。