第３２卷第４期 ２０１１年４月 通信学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 、ｂｌ３２ Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１１
无感知分组丢失下的无线传感器网络链路质量评估模型
舒坚 ，－，刘琳岚 一，樊佑磊 ，－，李君 ＇
（１．南昌航空大学物联网技术研究所，江西南昌３３００６３；
２．南昌航空大学软件学院，江西南昌３３００６３；３．南昌航空大学信息工程学院，江西南昌３３００６３）
摘要：针对现有链路质量评估方法没有考虑到不完整分组对链路产生的影响，将无线传感器网络的链路分组丢
失分为感知分组丢失和无感知分组丢失，分析了无感知分组丢失产生的原因，在对无感知分组丢失进行度量的基
础上，提出一种无感知分组丢失下的链路质量评估模型。该模型采用卡尔曼滤波对获取的ＣＣＩ进行降噪处理，基
于Ｃｕｂｉｃ模型、最小二乘法拟合出ＣＣＩ与无感知分组丢失率的关系模型。实验结果表明，无感知分组丢失下的链
路质量评估模型是合理的，通过该模型求得的无感知分组丢失率与实测值接近。
关键词：无线传感器网络；链路质量评估；无感知分组丢失：ＣＣＩ；卡尔曼滤波器
中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—４３６Ｘ（２０１１）ｏ４—０１０３—０９
Ｌｉｎｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ
ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＵｎＩｃＩｅｒ ｎｏｎ－ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａＣｋｅｔ１ ｌ０ＳＳ ’ ・ ＇ ＿ ●
ＳＨＵ Ｊｉａｎ 一，ＬＩＵ Ｌｉｎ—ｌａｎ 一，ＦＡＮ Ｙｏｕ—ｌｅｉ 一，ＬＩ Ｊｕｎ ，
（１．Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆＴｈｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｈａｎｇｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００６３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｈａｎｇｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００６３，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｈａｎｇｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００６３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｌｉｎｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｎｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ ｐａｃｋｅｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｌｉｎｋ ｑｕａｌｉｔｙ
ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｔｈｅ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ
ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ．Ａ ｌｉｎｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙ－
ｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ
ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ｂｕｉｌｔ，Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｄｅｎｏｉｓｅ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ＣＣＩ（ｃｈｉｐ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）．Ｔｈｅ ｃｕｂｉｃ
ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ＣＣＩ ａｎｄ ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ
ｒａｔｉｏ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｉｎｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄ ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａ－
ｔｉｏ ｃｏｍｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｌｉｎｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｎｏｎ—ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ；ＣＣＩ；Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ
收稿日期：２０１０—０６—１７；修回日期：２０１０ １１－２２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０７７３０５５）；江西省自然科学基金资助项目（２００９ＧＺＳ００８９）；江西省科技支撑计划 重点基金资助项目（２０Ｏ９ＢＧＡＯｌ０００） Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｉｔｅｍｓ：Ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（６０７７３０５５）；Ｔｈｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（２００９ＧＺＳ００８９）；Ｊｉａｎｇｘｉ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒ＆Ｄ Ｐｒｏｇｒａｍ（２００９ＢＧＡ０１０００）
通信学报 第３２卷
１ 引言
无线传感器网络（ＷＳＮ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔ—
ｗｏｒｋｓ）中，大量资源受限的传感器节点被随机部署
于监控区域，节点间以无线白组织方式构成网络，节
点间通信使用的是低功率的无线射频信号——无线
电波。无线电波的各种特性，如波的反射、衍射、
由反射所引起的多径效应等，加上节点所处环境复
杂多变和干扰信号的存在，使得节点间通信质量受
到严重的影响，从而导致节点间通信具有随机性和
不稳定性。
节点间通信的随机性和不稳定造成网络不能
正常稳定工作，如采集到的数据不能及时、顺利地
传输给Ｓｉｎｋ节点，从而导致用户不能及时获得相关 信息。此外，在具有重传机制的网络中，较差的链
路质量将增大网络开销，尤其是能量丌销，从而缩 短了网络寿命。
为及时了解网络的链路状况，并依此采取相关 策略保证网络高效、稳定地运行，需要对链路质量
进行评估。
２相关工作
国内外在ＷＳＮ链路质量评估方面进行了大量
研究，评估方法主要包括：基于链路特性的评估方
法、基于物理层参数的评估方法、基于数据链路层
参数的评估方法、结合多因素的综合评估方法等。
２．１基于链路特性的评估方法
基于链路特性的评估方法主要有：与链路方向
性相关的研究、与距离相关的研究、与时间波动性
相关的研究、与链路非对称性相关的研究及与干扰
相关的研究。
文献［１】指出ＷＳＮ中的链路具有方向性，导致
节点通信区域的不规则性，即节点的通信范围为一个
不规则的球体。为对不规则度进行度量，文中引入无
线电不规则模型（ＲＩＭ，ｒａｄｉｏ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｍｏｄｅ１），该
模型采用不规则度（ＤＯＩ，ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ）
表示。
文献［２】就不同距离下两节点间的收分组率进
行时长约３００ｍｉｎ的实验。实验的前２０ｍｉｎ，发送节
点和接收节点相距１５英尺，随后逐渐缩短至８英
尺，发现节点问距离由１５英尺缩短至８英尺的过
程中，链路质量发生了剧烈变化，但是，当节点间
距离固定时，收分组率波动较小。文中还统计了不 同距离下的链路收分组率，并将节点通信区域划分
成３个区域：高效区、过渡区和空白区。当节点处
于高效区时，其链路状况较好，收分组率在９０％以
上；处于过渡区的链路不稳定，某些相距较远节点
的链路好于距离较近的节点；处于空白区时，其链
路状况较差，收分组率几乎为０。
文献［３】在自由空间与对数正态阴影相结合的
路径损耗模型的基础上，结合误比特率（ＢＥＲ，ｂｉｔ
ｅｒｒｏｒ ｒａｔｉｏ）得到收分组率与通信距离的关系模型。
实际应用中，该模型可以通过距离估算出当前的链
路质量。然而无线信道中不仅存在通信不稳定性， 还存在方向差异性…，因此只使用距离对链路质量
进行评估是不可靠的。
文献【４，５】就链路随时间的变化特性进行了详细
的研究，研究表明ＷＳＮ中节点间的链路质量发生
很大变化，从而导致节点间的数据传输不稳定；文
献［６】对不同收分组率下的链路波动性进行对比研
究，研究表明质量较好链路的波动范围要小于质量
较差的链路；文献［７】对不同距离下链路质量随时间
变化关系进行了研究，通过６０个节点的实验发现
随着节点间距离的增大，链路质量的波动范围也随
之增大。链路剧烈变化的特性使得一些路由协议
（如以最短路径为依据的路由协议）的整体性能表 现的不是那么尽如人意，从而影响了整个网络的稳
定性和运行效率 Ｊ。 此外，实验表明链路还存在非对称性【Ｊ’卜 ，即
节点间正反方向的链路质量状况不一样，甚至会出
现单向链路，链路的方向性、空间地理位置的差异
都会导致链路的非对称性。
文献【１０】手旨出无线链路中的信号常常受到多径
效应、阴影效应和噪声等的干扰，给链路评估带来
困难，因此考虑噪声、阴影效应和多径效应对链路
误码率的影响，建立了链路质量评估模型，该模型
在一定范围内具有很好的扩展性，可通过调整参数
适用于不同的环境。
２．２基于物理层参数的评估方法
链路评估的物理层参数主要有：接收信号强度 （ＲＳＳＩ．ｒｅｃｅｉｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、码片相关
度（ＣＣＩ，ｃｈｉｐ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、信噪比（ＳＮＲ，
ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）。
文献［８】采用ＲＳＳＩ对链路进行评估，实验表明
ＲＳＳＩ受环境影响较大，实际应用中很难形成统一标
准。Ｃｈｉ
ｐｃｏｎ公司在推出ＣＣ２４２０芯片的同时，提