专利名称：信息物理系统链路质量估计系统和方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种信息物理系统链路质量估计系统和方法。
背景技术：
信息物理系统(Cyber Physical System, CPS)是一种集成计算、通信和控制三种功能的融合系统，由传感器、计算部件、通信网络和控制器/执行器四个部分组成。CPS以信息处理任务为核心，计算部件完成计算功能，高性能通信网络完成数据通信，通过开放的大规模循环控制实现对物理实体的监测与控制。CPS包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。CPS节点能够感知周边环境信息，并以多跳转发的方式将数据传递到目的节点，链路质量的可靠性对CPS有至关重要的作用。然而，无线通信环境下CPS链路的质量会受到多种特征因素的影响，包括无线信道质量、节点物理间距、信号衰减程度、网络传输模式等， 不可能单纯依据一种就判定链路质量的好坏，即使同一特征因素，在不同时间和空间上对链路质量的影响程度也不同，这使链路质量估计更加复杂。现有相关的链路质量估计方法存在许多问题，具体表现在以下两点1.只参考一种特征因素对链路质量进行估计，忽略了链路质量是由多种特征因素共同决定，造成片面分析，引起估计误差；2. 一些估计方法虽然考虑了使用几种特征因素进行链路质量估计，但没有统计量化每种特征因素与链路质量的相关程度，使其只局限于在特定时间或空间范围内使用，并且存在一定估计精度偏差。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种公开的CPS链路质量估计系统和方法，用于估计在多种特征因素影响下的链路质量，本发明可以智能规避估计误差，保障在不同时间、不同空间下链路质量估计的准确性，更好的满足CPS对可靠性的要求。鉴于本发明的目的，提供一种CPS的链路质量估计系统，应用在CPS节点设备中， 所述系统包括特征因素收集模块，用于在数据转发前，收集所有可能影响链路质量变化的特征因素值；存储模块，用于存储前m次数据转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值，以及对应的受其影响的m个历史数据转发结果值和m个历史链路质量估计值，m为大于 0的正整数；链路质量计算模块，用于通过存储模块中的前m次数据转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值、以及对应的受其影响的m个历史转发结果值和m个历史链路质量估计值，采用多元逻辑回归分析方法，建立链路质量估计模型；并用于在输入当前收集的特征因素值后，计算下一阶段的链路质量估计值。进一步的，所述引起链路质量变化的特征因素值分为外部特征因素值和内部特征因素值，所述外部特征因素包括信号强度、下跳空间距离、信噪比、通信带宽；所述内部特征因素包括传输模式、前向转发成功率、后向转发成功率和节点缓存大小。所述特征因素的范围不限于以上内容，可根据实际情况进行添加或取舍。本发明提供的是一种估计系统，本估计系统的核心在于如何运用诸如上如特征因素进行分析，而如何选择特征因素范围，不应当理解为对本发明范围的限定。上述罗列的特征因素是目前最常见的几项，因为实际中受条件影响，导致可能搜集的特征因素范围不同；进一步的，所述存储模块，包括历史转发结果存储队列，历史特征因素存储队列和历史链路质量估计值存储队列；所述历史特征因素存储队列，具有固定大小为m的队列长度，用于存储前m次转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值，所述历史转发结果存储队列，具有固定大小为m的队列长度，用于存储前m个历史数据转发结果值，所述转发结果值是指转发成功或转发失败的状态；所述历史链路质量估计值存储队列，具有固定大小为m的队列长度，用于存储前m 次数据转发前的链路质量估计值，所述链路质量估计值以概率值表示，代表预测的数据转发成功率；所述历史转发结果存储队列，历史特征因素存储队列和历史链路质量估计值存储队列分别采用先进先出的规则。进一步的，所述链路质量计算模块还用于通过计算前m次链路质量估计值的残差均方根来判定链路质量估计误差，决定是否更新链路质量估计模型。根据本发明的另一方面，提供一种信息物理系统的链路质量估计方法，应用在信息物理系统的节点设备中，包括如下步骤A.节点设备在转发数据前，特征因素收集模块收集当前所有影响链路质量变化的特征因素值；B.节点设备将收集的影响链路质量变化的特征因素值输入到预先建立的链路质量估计模型中，链路质量计算模块进行链路质量的估计；C.依据本阶段链路质量的估计，节点设备在完成数据转发后，存储模块分别保存本次收集的特征因素值到历史特征因素存储队列，保存当前链路质量估计值到历史链路质量估计存储队列；D.节点设备检查本次转发是否成功，保存本次转发结果到历史转发结果队列。进一步的，所述步骤A中当前特征因素值，是指在节点设备在预备转发数据时，利用特征因素收集模块收集的当前环境下的特征因素值，包括信号强度、传输模式、下跳节点空间距离、通信带宽、信噪比、前向/后向转发成功率、节点缓存大小。本发明中，旨在提供种综合多种特征因素，评估链路质量的方法，上述的特征因素只是进行罗列，不能理解为对本发明范围的限制。进一步的，所述方法还包括如下步骤E.节点设备计算前m次的链路质量估计值的估计残差均方根；
F.依据判决门限，节点设备更新或保持现有链路质量估计模型。具体的，所述步骤b中预先建立的链路质量估计模型，由链路质量计算模块通过使用多元逻辑回归分析方法建立。具体的，所述判决门限，是所允许的最大链路质量估计误差值，是被预先设定的固定值，作为决定链路质量估计模型更新或保持的临界点；特别的，所述数据是指一次转发动作中的一组数据包序列。本发明的有益效果包括提供了一种信息物理系统的链路质量估计方法，通过量化分析多种特征因素对链路质量的影响程度，显著提高链路质量的估计准确度和精确性， 解决因使用单个特征因素而造成链路质量估计值误差偏高的问题；同时，在这套方法下所建立的链路质量估计模型具备智能更新功能，可实时检测估计误差，并有效规避估计误差， 提高估计精度；并且，链路质量估计模型的智能更新功能具备自启动/自关闭特征，对降低节点能耗有一定帮助。
图1是本发明信息物理系统中链路质量估计系统实施例结构框图；图2是本发明信息物理系统中链路质量估计系统另一实施例结构框图；图3是本发明信息物理系统中链路质量估计系统中滑动窗模型示意图；图4是本发明信息物理系统中链路质量估计方法实施例的流程图；图5是本发明信息物理系统中链路质量估计方法另一实施例的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。参见图1，为本发明CPS链路质量估计系统实施例的结构框图，所述系统主要包括 3个模块，即存储模块、特征因素收集模块和链路质量计算模块，3个模块都位于CPS节点设备内部。特征因素收集模块，用于在数据转发前，收集所有可能影响链路质量变化的特征因素值。存储模块，用于存储前m次数据转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值， 以及对应的受其影响的m个历史数据转发结果值和m个历史链路质量估计值，m为大于0的正整数。链路质量计算模块，用于通过存储模块中的前m次数据转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值、以及对应的受其影响的m个历史转发结果值和m个历史链路质量估计值，采用多元逻辑回归分析方法，建立链路质量估计模型；并用于在输入当前收集的特征因素值后，计算下一阶段的链路质量估计值。参见图2，为本发明CPS链路质量估计系统另一实施例的结构框图。本实施例中存储模块包括历史转发结果存储队列，历史特征因素存储队列，历史链路质量估计值存储队列，三个队列均采用先进先出的原则。由于队列具有先进先出的特征，将三个队列中的m组元素分别一一对应起来，建立了一种包含m组元素的滑动窗模型，随着三个队列中的新元素持续入队和旧元素持续出队，滑动窗内的元素也随之持续更新，因此，整个窗体随时间呈现出一种看似“滑动”的动作，即滑动窗模型由历史转发结果存储队列、历史特征因素存储队列和历史链路质量估计值存储队列三者之间对应关系建立，并随着这三个队列的更新而滑动更新。其中，特征因素收集模块如表1所述，用于收集所有引起或可能引起链路质量变化的特征因素值，包括信号强度、信噪比、下跳空间距离、通信带宽这些外部特征因素，以及缓存大小、传输模式、前向/后向转发成功率等这些内部特征因素。在具体的实施过程中， 收集的特征因素不限于表中罗列的范围，可根据实际情况进行添加或取舍。表1特征因素示例与参数符号
权利要求
1.信息物理系统中链路质量估计系统，应用在信息物理系统节点设备中，其特征在于， 所述系统包括特征因素收集模块，用于在数据转发前，收集所有可能影响链路质量变化的特征因素值；存储模块，用于存储前m次数据转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值， 以及对应的受其影响的m个历史数据转发结果值和m个历史链路质量估计值，m为大于0的正整数；链路质量计算模块，用于通过存储模块中的前m次数据转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值、以及对应的受其影响的m个历史转发结果值和m个历史链路质量估计值，采用多元逻辑回归分析方法，建立链路质量估计模型；并用于在输入当前收集的特征因素值后，计算下一阶段的链路质量估计值。
2.根据权利要求1所述信息物理系统中链路质量估计系统，其特征在于，所述引起链路质量变化的特征因素值分为外部特征因素值和内部特征因素值，所述外部特征因素包括信号强度、下跳空间距离、信噪比、通信带宽；所述内部特征因素包括传输模式、前向转发成功率、后向转发成功率和节点缓存大小。
3.根据权利要求1或2所述信息物理系统中链路质量估计系统，其特征在于，所述存储模块，包括历史特征因素存储队列，历史转发结果存储队列和历史链路质量估计值存储队列；所述历史特征因素存储队列，具有固定大小为m的队列长度，用于存储前m次转发前收集的影响链路质量变化的历史特征因素值，所述历史转发结果存储队列，具有固定大小为m的队列长度，用于存储前m个历史数据转发结果值，所述转发结果值是指转发成功或转发失败的状态；所述历史链路质量估计值存储队列，具有固定大小为m的队列长度，用于存储前m次数据转发前的链路质量估计值，所述链路质量估计值以概率值表示，代表预测的数据转发成功率；所述历史特征因素存储队列、历史转发结果存储队列和历史链路质量估计值存储队列分别采用先进先出的规则。
4.根据权利要求3所述信息物理系统中链路质量估计系统，其特征在于，所述链路质量计算模块还用于通过计算前m次链路质量估计值的残差均方根来判定链路质量估计误差，决定是否更新链路质量估计模型。
5.根据权利要求3所述信息物理系统中链路质量估计系统，其特征在于，所述链路质量计算模块，建立链路质量估计模型，所采用的多元逻辑回归分析方法的函数表达式为L· / = ^ =_\_β V 7 _ 1 + ^-Χβτ _ 1 + e~(P0 +βΛ +β2χ2 +-+βρχρ)其中，X为包含P个元素的特征因素矩阵，X= [1,Χι, X2, L Xp]； β为包含Ρ+1个元素的逻辑回归系数矩阵，β = [β0' i^i'L βρ]，详细的计算过程如下(1)建立对数似然函数如下
6.信息物理系统中链路质量估计方法，应用在信息物理系统的节点设备中，其特征在于，包括如下步骤A.节点设备在转发数据前，特征因素收集模块收集当前所有影响链路质量变化的特征因素值；B.节点设备将收集的影响链路质量变化的特征因素值输入到预先建立的链路质量估计模型中，链路质量计算模块进行链路质量的估计；C.依据本阶段链路质量的估计，节点设备在完成数据转发后，存储模块分别保存本次收集的特征因素值到历史特征因素存储队列，保存当前链路质量估计值到历史链路质量估计存储队列；D.节点设备检查本次转发是否成功，保存本次转发结果到历史转发结果队列。
7.如权利要求6所述信息物理系统中链路质量估计方法，其特征在于，所述步骤A中当前特征因素值，是指在节点设备在预备转发数据时，利用特征因素收集模块收集的当前环境下的特征因素值，包括信号强度、传输模式、下跳节点空间距离、通信带宽、信噪比、前向/ 后向转发成功率、节点缓存大小。
8.如权利要求6或7所述信息物理系统中链路质量估计方法，其特征在于，所述步骤b 中预先建立的链路质量估计模型，由链路质量计算模块通过使用多元逻辑回归分析方法建立。
9.如权利要求8所述信息物理系统中链路质量估计方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤E.节点设备计算前m次的链路质量估计值的估计残差均方根；F.依据判决门限，节点设备更新或保持现有链路质量估计模型。
10.如权利要求8所述信息物理系统中链路质量估计方法，其特征在于，所述步骤F中的判决门限，是指所允许的最大链路质量估计误差值，是被预先设定的固定值，作为决定链路质量估计模型更新或保持的临界点。
全文摘要
本发明涉及一种信息物理系统中链路质量估计方法，应用在信息物理系统的节点设备中，包括如下步骤401，节点设备在转发数据前，特征因素收集模块收集当前所有影响链路质量变化的特征因素值；402，节点设备将收集的影响链路质量变化的特征因素值输入到预先建立的链路质量估计模型中，链路质量计算模块进行链路质量的估计；403，依据本阶段链路质量的估计，节点设备在完成数据转发后，存储模块分别保存本次收集的特征因素值到历史特征因素存储队列，保存当前链路质量估计值到历史链路质量估计存储队列；404，节点设备检查本次转发是否成功，保存本次转发结果到历史转发结果队列。本发明通过量化分析，显著提高链路质量的估计准确度和精确性。
文档编号H04W24/00GK102271348SQ201110191198
公开日2011年12月7日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者仲昌平, 罗俊海 申请人:电子科技大学