一种提高无线传感器网络通信质量的方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201110430640.2	申请日：	2011.12.20
公开号：	CN102497641A	公开日：	2012.06.13
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H04W 16/18申请公布日:20120613\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H04W 16/18申请日:20111220\|\|\|公开
IPC分类号：	H04W16/18(2009.01)I; H04W24/02(2009.01)I; H04W84/18(2009.01)I	主分类号：	H04W16/18
申请人：	山东大学
发明人：	陈涤; 辛玲; 李耀伟
地址：	250100 山东省济南市历城区山大南路27号
优先权：
专利代理机构：	济南金迪知识产权代理有限公司 37219	代理人：	王绪银
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内容摘要

一种提高无线传感器网络通信质量的方法，属于无线传感器网络技术领域。方法包括采用单跳通信方式变为多跳可靠通信方式，单跳通信方式变为单跳可靠通信方式，多跳通信方式变为多跳可靠通信方式，并给出了该方法的具体实施方式。该方法可根据具体的应用环境选择相应的方式，并且简单可行，通信质量高。

权利要求书

1：一种提高无线传感器网络通信质量的方法，方法包括采用单跳通信方式变为多跳可靠通信方式或单跳通信方式变为单跳可靠通信方式或多跳通信方式变为多跳可靠通信方式，其特征在于，实现单跳通信方式变为多跳可靠通信方式的步骤如下：第一步：在网络部署前事先做统计实验，绘制 PRR 与 LQI 均值的关系曲线，得出在给定的应用环境下某一发射功率时满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 均值 LQIthreshold， PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的， PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值， PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定；第二步：网络初始化时，在给定发射功率下，节点通常利用 802： 15.4 协议定期发送广播 “Hello” 消息，并计算该节点与邻居节点之间的正向及反向帧的 LQI 均值，评估链路质量； LQI 均值 LQIi-j 的计算如下式： LQIi-j 表示节点 i 到节点 j 链路的 LQI 均值， LQIi-j ≠ LQIj-i，不具有对称性；第三步：发送数据的节点选择满足 LQIi-j ≥ LQIthreshold 的节点为下一跳节点；如果有多条路径，选择跳数最少的路径，如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗；实现单跳通信方式变为单跳可靠通信方式的步骤如下：第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同的功率量级下的 PRR 与 LQI 均值的关系曲线， LQI 均值与两节点的距离 d 的关系曲线，获得不同的功率量级满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 值 LQIthreshold ； PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的， PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值， PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定；第二步：根据两节点单跳通信时的距离将发射功率调整为相应的功率量级；实现多跳通信方式变为多跳可靠通信方式的步骤如下：第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同功率量级下的 PRR 与 LQI 均值的关系曲线， LQI 均值与两节点的距离 d 的关系曲线，获得不同的功率量级时对应满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 值 LQIthreshold， PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的； PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值， PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定；第二步：根据每一跳两节点的距离将发射功率调整为相应的功率量级。

说明书

一种提高无线传感器网络通信质量的方法
    【技术领域】
     本发明涉及一种提高无线传感器网络通信质量的方法，属于无线传感器网络技术领域。背景技术短距离低功耗的无线传感器网络的链路往往采用理想的通断模型，即简单的假设当节点间的距离小于通信半径时，数据包接收率 (PRR) ＝ 100％ ( 以下简称 PRR)，大于通信半径时， PRR ＝ 0。未考虑实际的链路质量问题。PRR(packet reception rate) 为单位时间内接收器成功收到的数据包个数占发送器已发送包个数的比例。这种假设在实际应用中会对算法的性能造成很大的影响，无线信道的自由衰落、阴影衰落等造成通信过程中发生丢包，造成链路不可靠。真实的无线传输区域中存在连接区，过渡区和非连接区，图1给出了在定义链路位于连接区内 PRR ＞ 90％；过渡区内 10％≤ PRR ≤ 90％；非连接区内 PRR ＜ 10％时发射功率为 0dbm 时连接区、过渡区的范围和在过渡区 PRR 的变化情况。由图 1 可知，过渡区存在非常高的不可靠链路。
     PRR 是最能明确、直观反映链路质量的指标，但获得 PRR 需要发送足够大数量的探测包，会引发能量消耗、信道阻塞、延时等一系列的问题。接收信号强度指示 RSSI(receive signal strength indication) 和链路质量指示 LQI(link quality indication) 是衡量链路质量的另外两个指标，并且可以由无线射频芯片直接获得。以 CC2430 为例， CC2430 有一个内置的接收信号强度指示 RSSI，其数字值为 8 位有符号的二进制补码，可以从寄存器 RSSIL.RSSI_VAL 读出。RSSI 是真实的接收信号强度与最优接收功率等级间的差值。链路质量指示 LQI 计量的就是所接收到的包的强度和 / 或质量。对于每个输入的包， CC2430 提供了一个平均相关值 Corr， LQI ＝ (Corr-a)· b 式中： a 和 b 限制为 0 ～ 255，是基于包差错率 (PER) 测量的经验值，来作为一个相关值功能。LQI 表征接收数据帧的能量与质量，其大小基于信号强度以及检测到的信噪比 (SNR)，由 MAC(media access control) 层计算得到并提供给上一层，一般与正确接收到数据帧的概率有关。RSSI 值和 LQI 值在 ZigBee 收发模块每接收一个数据帧时都可以得到，及时反映信号强度的变化和受到的干扰的变化。 LQI 的取值范围是 0-255，大于 RSSI 的取值范围，且精度较高。考虑到 LQI 均值与 PRR 有很好的相关性，所以选用 LQI 作为衡量链路质量的指标。目前，并不是所有的无线射频芯片都能提供 LQI 值， Mica2 之前的通信芯片只能提供 RSSI 值，而 Chipcon 公司后续产品如 MicaZ， Telos 等产品均既可以提供 RSSI 值，又可以提供 LQI 值 .
     在网络初始化时，节点通常利用 802.15.4 协议定期发送广播 “Hello” 消息，并计算该节点与邻居节点之间的正向及反向帧的 LQI 均值评估链路质量。LQI 均值是指对获得的多个 LQI 值取平均。LQI 均值的计算如下式：
     其中 LQIi-j 表示节点 i 到节点 j 链路的 LQI 均值。网络中节点 i 和节点 j 分别计算出 LQIi-j 和 LQIj-i。LQIi-j ≠ LQIj-i，链路 LQI 均值不具有对称性。
     LQI 均值通常在 50 到 110 之间，在发射功率为 0dbm 时， PRR 为 10％时， LQI 均值大约为 65， PRR 为 90％时， LQI 均值大约为 90. 考虑簇成员 j 与簇头 i 之间的链路 j- ＞ i，若则该链路位于非连接区；链路位于连接区。若簇成员选择两节点链路质量间的通信为可靠通信。无线传感器网络不论是静态簇还是动态簇，都涉及到簇成员向簇头发送数据，簇头向汇聚节点发送数据。它们之间的通信有两种方式：以图 2 为例，单跳通信方式 (A- ＞ B)，多跳通信方式 (A- ＞ C- ＞ D- ＞ B)。但是目前多数文献中的单跳、多跳通信方式并不区分连接区、过渡区、非连接区，只要两节点之间可以通信即可。也就是说，在这种情况下，链路质量可能位于无线传输区域的连接区，也可能位于过渡区，链路可靠性不能得到保证，通信质量不高。
     则该链路位于过渡区；若则该的节点作为下一跳节点，则节点之发明内容
     针对现有技术中单跳、多跳通信方式不考虑链路质量，造成通信质量不高，对实际应用环境下应用的算法性能造成了影响，比如，能量消耗、信道阻塞、延时，本发明提出了一种提高无线传感器网络通信质量的方法。
     关于本发明涉及的几个概念：
     最优功率：能保证两节点之间通信时的最小发射功率。
     可靠功率：能保证两节点之间 PRR ＞ PRRthreshold 即两节点之间的链路位于连接区时的发射功率。
     最优可靠功率：能保证两节点之间 PRR ＞ PRRthreshold 即两节点之间的链路位于连接区时的最小发射功率。
     单跳不可靠通信：两节点之间通信方式为单跳，但链路位于无线传输区域的过渡区。
     单跳可靠通信：两节点之间通信方式为单跳，但链路位于无线传输区域的连接区。链路质量高。在发射功率可调的条件下，可通过将发射功率调整到最优可靠功率实现。
     多跳不可靠通信：两节点之间通信方式为多跳，但每一跳的链路位于无线传输区域的过渡区。
     多跳可靠通信：两节点之间通信方式为多跳，但每一跳的链路位于无线传输区域的连接区。链路质量高。在发射功率可调的条件下，可通过将每一跳链路节点的发射功率调整到最优可靠功率来实现。
     一种提高无线传感器网络通信质量的方法，包括单跳通信方式变为多跳可靠通信方式、单跳通信方式变为单跳可靠通信方式和多跳通信方式变为多跳可靠通信方式三种对单跳、多跳通信方式的改进方法。
     (1) 单跳通信方式变为多跳可靠通信方式。
     如图 3 所示，节点 A、 B 之间的距离小于节点的通信半径，采用 A- ＞ B 单跳路由的方式。在节点 A、 B 之间的链路位于过渡区即 LQIA-B ＜ LQIthreshold 时，该链路质量是不可靠的。可以采用多跳可靠路由 A- ＞ C- ＞ D- ＞ B，节点选择与其链路位于连接区即满足 LQI均值小于 LQIthreshold 的节点作为下一跳节点。如果有多条路径，选择跳数最少的路径。如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗。
     具体实现步骤：
     第一步：在网络部署前事先做统计实验，绘制 PRR 与 LQI 均值的关系曲线。得出在给定的应用环境下某一发射功率时满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 均值 LQIthreshold。PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的。PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值。PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定，一般取为 90％。
     第二步：网络初始化时，在给定发射功率下，节点通常利用 802.15.4 协议定期发送广播 “Hello” 消息，并计算其与邻居节点之间的正向及反向帧的 LQI 均值评估链路质量。 LQI 均值 LQIi-j 的计算如下式：
     LQIi-j 表示节点 i 到节点 j 链路的 LQI 均值。LQIi-j ≠ LQIj-i，不具有对称性。
     第三步：发送数据的节点选择满足 LQIi-j ≥ LQIthreshold 的节点为下一跳节点；如果有多条路径，选择跳数最少的路径。如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗。
     单跳通信方式和多跳可靠通信方式相比，在丢包率方面，多跳可靠通信方式的丢包率要明显低于单跳通信方式。在能量消耗方面，在不同的应用环境下会有所不同。
     (2) 单跳通信方式变为单跳可靠通信方式。
     如图 4 所示，节点 A、 B 之间的距离小于节点的通信半径，采用 A- ＞ B 单跳路由的方式。在节点 A、 B 之间的链路位于过渡区即 LQIA-B ＜ LQIthreshold 时，该链路质量是不可靠的。若在发射功率可调的前提下，可以调整节点的发射功率为可靠发射功率，使节点 A、 B之间的距离位于连接区范围内，保证可靠通信。若能将发射功率恰好调整为最优可靠功率，则既保证了可靠通信，又进一步减少了能耗。
     具体实现步骤：
     第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同的功率量级下的 PRR 与 LQI 均值的关系曲线， LQI 均值与两节点的距离 d 的关系曲线。获得不同的功率量级满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 值 LQIthreshold。 PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的。 PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值。PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。
     第二步：根据两节点单跳通信时的距离将发射功率调整为相应的功率量级。
     单跳通信方式和单跳可靠通信方式相比，在丢包率方面，单跳可靠通信方式的丢包率要明显低于单跳通信方式。在能量消耗方面，为实现单跳可靠通信，节点增大了发射功率，总体能量消耗肯定增大。
     (3) 多跳通信方式变为多跳可靠通信方式。
     如图 5 所示，节点 A、 D 之间通过多跳路由 A- ＞ B- ＞ C- ＞ D 的方式实现通信。在采用理想的通断模型时，不能保证链路的可靠性。若在发射功率可调的前提下，可以调整每一跳链路的节点的发射功率为可靠发射功率，使得每一跳链路位于连接区从而保证整个多跳路由的可靠通信。若能将发射功率恰好调整为最优可靠功率，则既保证了可靠通信，又进
     一步减少了能耗。
     具体实现步骤：
     第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同功率量级下的 PRR 与 LQI 均值的关系曲线， LQI 均值与两节点的距离 d 的关系曲线。获得不同的功率量级时对应满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 值 LQIthreshold。 PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的。 PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值。PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。
     第二步：根据每一跳两节点的距离将发射功率调整为相应的功率量级。
     多跳通信方式和多跳可靠通信方式相比，在丢包率方面，多跳可靠通信方式的丢包率要明显低于多跳通信方式。在能量消耗方面，为实现多跳可靠通信，节点增大了发射功率，总体能量消耗肯定增大。附图说明
     图 1 为短距离无线信道模型。图 2 为分簇及簇内通信示意图。图 3 为单跳通信方式变为多跳可靠通信方式示意图。图 4 为单跳通信方式变为单跳可靠通信方式示意图。图 5 为多跳通信方式变为多跳可靠通信方式示意图。具体实施方式
     下面结合实施例对本发明做进一步说明。
     实施例：
     一种提高无线传感器网络通信质量的方法，包括单跳通信方式变为多跳可靠通信方式、单跳通信方式变为单跳可靠通信方式和多跳通信方式变为多跳可靠通信方式三种对单跳、多跳路由方式的改进方法。
     (1) 单跳通信方式变为多跳可靠通信方式
     第一步：在网络部署前事先做统计实验，绘制 PRR 与 LQI 均值的关系曲线。得出在给定的应用环境下某一发射功率时满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 均值 LQIthreshold。PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的。PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值。PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。
     第二步：网络初始化时，在给定发射功率下，节点通常利用 802.15.4 协议定期发送广播 “Hello” 消息，并计算其与邻居节点之间的正向及反向帧的 LQI 均值评估链路质量。 LQI 均值 LQIi-j 的计算如下式：
     LQIi-j 表示节点 i 到节点 j 链路的 LQI 均值。LQIi-j ≠ LQIj-i，不具有对称性。
     第三步：发送数据的节点选择满足 LQIi-j ≥ LQIthreshold 节点为下一跳节点；如果有多条路径，选择跳数最少的路径。如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗。
     (2) 单跳通信方式变为单跳可靠通信方式。
     第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同的功率量级下的 PRR 与 LQI 均值的关系曲线， LQI 均值与两节点的距离 d 的关系曲线。获得不同的功率量级满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 值 LQIthreshold。 PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的。 PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值。PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。
     第二步：根据两节点单跳通信时的距离将发射功率调整为相应的功率量级。
     (2) 多跳通信方式变为多跳可靠通信方式。
     第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同功率量级下的 PRR 与 LQI 均值的关系曲线， LQI 均值与两节点的距离 d 的关系曲线。获得不同的功率量级时对应满足 PRR ≥ PRRthreshold 的最小 LQI 值 LQIthreshold。 PRR 随 LQI 均值的变化是单调递增的。 PRRthreshold 为满足位于连接区的最小 PRR 值。PRRthreshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。
     第二步：根据每一跳两节点的距离将发射功率调整为相应的功率量级。

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1、(10)申请公布号 CN 102497641 A (43)申请公布日 2012.06.13 C N 1 0 2 4 9 7 6 4 1 A *CN102497641A* (21)申请号 201110430640.2 (22)申请日 2011.12.20 H04W 16/18(2009.01) H04W 24/02(2009.01) H04W 84/18(2009.01) (71)申请人山东大学地址 250100 山东省济南市历城区山大南路 27号 (72)发明人陈涤辛玲李耀伟 (74)专利代理机构济南金迪知识产权代理有限公司 37219 代理人王绪银 (54) 发明名称一种提高无线传。

2、感器网络通信质量的方法 (57) 摘要一种提高无线传感器网络通信质量的方法，属于无线传感器网络技术领域。方法包括采用单跳通信方式变为多跳可靠通信方式，单跳通信方式变为单跳可靠通信方式，多跳通信方式变为多跳可靠通信方式，并给出了该方法的具体实施方式。该方法可根据具体的应用环境选择相应的方式，并且简单可行，通信质量高。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页说明书5页附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 5 页附图 2 页 1/1页 2 1.一种提高无线传感器网络通信质量的方法，方法包括采用单跳通信方式变为多跳可靠通。

3、信方式或单跳通信方式变为单跳可靠通信方式或多跳通信方式变为多跳可靠通信方式，其特征在于，实现单跳通信方式变为多跳可靠通信方式的步骤如下：第一步：在网络部署前事先做统计实验，绘制PRR与LQI均值的关系曲线，得出在给定的应用环境下某一发射功率时满足PRRPRR threshold 的最小LQI均值LQI threshold ，PRR随LQI 均值的变化是单调递增的，PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值，PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定；第二步：网络初始化时，在给定发射功率下，节点通常利用802.15.4协议定期发送广播“He。

4、llo”消息，并计算该节点与邻居节点之间的正向及反向帧的LQI均值，评估链路质量；LQI均值LQI i-j 的计算如下式： LQI i-j 表示节点i到节点j链路的LQI均值，LQI i-j LQI j-i ，不具有对称性；第三步：发送数据的节点选择满足LQI i-j LQI threshold 的节点为下一跳节点；如果有多条路径，选择跳数最少的路径，如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗；实现单跳通信方式变为单跳可靠通信方式的步骤如下：第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同的功率量级下的PRR与LQI均值的关系曲线，LQI均值与两节点的距离d的关系。

5、曲线，获得不同的功率量级满足PRRPRR threshold 的最小LQI值LQI threshold ；PRR随LQI均值的变化是单调递增的，PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值，PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定；第二步：根据两节点单跳通信时的距离将发射功率调整为相应的功率量级；实现多跳通信方式变为多跳可靠通信方式的步骤如下：第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同功率量级下的PRR与LQI均值的关系曲线，LQI均值与两节点的距离d的关系曲线，获得不同的功率量级时对应满足 PRRPRR threshold 的最小LQI。

6、值LQI threshold ，PRR随LQI均值的变化是单调递增的；PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值，PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定；第二步：根据每一跳两节点的距离将发射功率调整为相应的功率量级。权利要求书CN 102497641 A 1/5页 3 一种提高无线传感器网络通信质量的方法技术领域 0001 本发明涉及一种提高无线传感器网络通信质量的方法，属于无线传感器网络技术领域。背景技术 0002 短距离低功耗的无线传感器网络的链路往往采用理想的通断模型，即简单的假设当节点间的距离小于通信半径时，数据包接。

7、收率(PRR)100(以下简称PRR)，大于通信半径时，PRR0。未考虑实际的链路质量问题。PRR(packet reception rate)为单位时间内接收器成功收到的数据包个数占发送器已发送包个数的比例。这种假设在实际应用中会对算法的性能造成很大的影响，无线信道的自由衰落、阴影衰落等造成通信过程中发生丢包，造成链路不可靠。真实的无线传输区域中存在连接区，过渡区和非连接区，图1给出了在定义链路位于连接区内PRR90；过渡区内10PRR90；非连接区内PRR 10时发射功率为0dbm时连接区、过渡区的范围和在过渡区PRR的变化情况。由图1可知，过渡区存在非常高的不可靠链路。 00。

8、03 PRR是最能明确、直观反映链路质量的指标，但获得PRR需要发送足够大数量的探测包，会引发能量消耗、信道阻塞、延时等一系列的问题。接收信号强度指示RSSI(receive signal strength indication)和链路质量指示LQI(link quality indication)是衡量链路质量的另外两个指标，并且可以由无线射频芯片直接获得。以CC2430为例，CC2430有一个内置的接收信号强度指示RSSI，其数字值为8位有符号的二进制补码，可以从寄存器 RSSIL.RSSI_VAL读出。RSSI是真实的接收信号强度与最优接收功率等级间的差值。链路质量指示LQI计量。

9、的就是所接收到的包的强度和/或质量。对于每个输入的包，CC2430提供了一个平均相关值Corr，LQI(Corr-a)b式中：a和b限制为0255，是基于包差错率(PER)测量的经验值，来作为一个相关值功能。LQI表征接收数据帧的能量与质量，其大小基于信号强度以及检测到的信噪比(SNR)，由MAC(media access control)层计算得到并提供给上一层，一般与正确接收到数据帧的概率有关。RSSI值和LQI值在ZigBee收发模块每接收一个数据帧时都可以得到，及时反映信号强度的变化和受到的干扰的变化。LQI 的取值范围是0-255，大于RSSI的取值范围，且精度较高。考虑到。

10、LQI均值与PRR有很好的相关性，所以选用LQI作为衡量链路质量的指标。目前，并不是所有的无线射频芯片都能提供LQI值，Mica2之前的通信芯片只能提供RSSI值，而Chipcon公司后续产品如MicaZ， Telos等产品均既可以提供RSSI值，又可以提供LQI值. 0004 在网络初始化时，节点通常利用802.15.4协议定期发送广播“Hello”消息，并计算该节点与邻居节点之间的正向及反向帧的LQI均值评估链路质量。LQI均值是指对获得的多个LQI值取平均。LQI均值的计算如下式： 0005 0006 其中LQI i-j 表示节点i到节点j链路的LQI均值。网络中节点i和节点j分。

11、别计说明书CN 102497641 A 2/5页 4 算出LQI i-j 和LQI j-i 。LQI i-j LQI j-i ，链路LQI均值不具有对称性。 0007 LQI均值通常在50到110之间，在发射功率为0dbm时，PRR为10时，LQI均值大约为65，PRR为90时，LQI均值大约为90.考虑簇成员j与簇头i之间的链路j-i，若则该链路位于非连接区；则该链路位于过渡区；若则该链路位于连接区。若簇成员选择两节点链路质量的节点作为下一跳节点，则节点之间的通信为可靠通信。 0008 无线传感器网络不论是静态簇还是动态簇，都涉及到簇成员向簇头发送数据，簇头向汇聚节点发送数据。

12、。它们之间的通信有两种方式：以图2为例，单跳通信方式(A- B)，多跳通信方式(A-C-D-B)。但是目前多数文献中的单跳、多跳通信方式并不区分连接区、过渡区、非连接区，只要两节点之间可以通信即可。也就是说，在这种情况下，链路质量可能位于无线传输区域的连接区，也可能位于过渡区，链路可靠性不能得到保证，通信质量不高。发明内容 0009 针对现有技术中单跳、多跳通信方式不考虑链路质量，造成通信质量不高，对实际应用环境下应用的算法性能造成了影响，比如，能量消耗、信道阻塞、延时，本发明提出了一种提高无线传感器网络通信质量的方法。 0010 关于本发明涉及的几个概念： 0011 最优功率：能。

13、保证两节点之间通信时的最小发射功率。 0012 可靠功率：能保证两节点之间PRRPRR threshold 即两节点之间的链路位于连接区时的发射功率。 0013 最优可靠功率：能保证两节点之间PRRPRR threshold 即两节点之间的链路位于连接区时的最小发射功率。 0014 单跳不可靠通信：两节点之间通信方式为单跳，但链路位于无线传输区域的过渡区。 0015 单跳可靠通信：两节点之间通信方式为单跳，但链路位于无线传输区域的连接区。链路质量高。在发射功率可调的条件下，可通过将发射功率调整到最优可靠功率实现。 0016 多跳不可靠通信：两节点之间通信方式为多跳，但每一跳的链路位于无。

14、线传输区域的过渡区。 0017 多跳可靠通信：两节点之间通信方式为多跳，但每一跳的链路位于无线传输区域的连接区。链路质量高。在发射功率可调的条件下，可通过将每一跳链路节点的发射功率调整到最优可靠功率来实现。 0018 一种提高无线传感器网络通信质量的方法，包括单跳通信方式变为多跳可靠通信方式、单跳通信方式变为单跳可靠通信方式和多跳通信方式变为多跳可靠通信方式三种对单跳、多跳通信方式的改进方法。 0019 (1)单跳通信方式变为多跳可靠通信方式。 0020 如图3所示，节点A、B之间的距离小于节点的通信半径，采用A-B单跳路由的方式。在节点A、B之间的链路位于过渡区即LQI A-B 。

15、LQI threshold 时，该链路质量是不可靠的。可以采用多跳可靠路由A-C-D-B，节点选择与其链路位于连接区即满足LQI 说明书CN 102497641 A 3/5页 5 均值小于LQI threshold 的节点作为下一跳节点。如果有多条路径，选择跳数最少的路径。如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗。 0021 具体实现步骤： 0022 第一步：在网络部署前事先做统计实验，绘制PRR与LQI均值的关系曲线。得出在给定的应用环境下某一发射功率时满足PRRPRR threshold 的最小LQI均值LQI threshold 。PRR 随LQI均值的变。

16、化是单调递增的。PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值。PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定，一般取为90。 0023 第二步：网络初始化时，在给定发射功率下，节点通常利用802.15.4协议定期发送广播“Hello”消息，并计算其与邻居节点之间的正向及反向帧的LQI均值评估链路质量。 LQI均值LQI i-j 的计算如下式： 0024 0025 LQI i-j 表示节点i到节点j链路的LQI均值。LQI i-j LQI j-i ，不具有对称性。 0026 第三步：发送数据的节点选择满足LQI i-j LQI threshold 的节点为。

17、下一跳节点；如果有多条路径，选择跳数最少的路径。如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗。 0027 单跳通信方式和多跳可靠通信方式相比，在丢包率方面，多跳可靠通信方式的丢包率要明显低于单跳通信方式。在能量消耗方面，在不同的应用环境下会有所不同。 0028 (2)单跳通信方式变为单跳可靠通信方式。 0029 如图4所示，节点A、B之间的距离小于节点的通信半径，采用A-B单跳路由的方式。在节点A、B之间的链路位于过渡区即LQI A-B LQI threshold 时，该链路质量是不可靠的。若在发射功率可调的前提下，可以调整节点的发射功率为可靠发射功率，使节点A、B。

18、之间的距离位于连接区范围内，保证可靠通信。若能将发射功率恰好调整为最优可靠功率，则既保证了可靠通信，又进一步减少了能耗。 0030 具体实现步骤： 0031 第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同的功率量级下的PRR与LQI 均值的关系曲线，LQI均值与两节点的距离d的关系曲线。获得不同的功率量级满足 PRRPRR threshold 的最小LQI值LQI threshold 。PRR随LQI均值的变化是单调递增的。PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值。PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。 0032 第二步：根据两节点单跳通。

19、信时的距离将发射功率调整为相应的功率量级。 0033 单跳通信方式和单跳可靠通信方式相比，在丢包率方面，单跳可靠通信方式的丢包率要明显低于单跳通信方式。在能量消耗方面，为实现单跳可靠通信，节点增大了发射功率，总体能量消耗肯定增大。 0034 (3)多跳通信方式变为多跳可靠通信方式。 0035 如图5所示，节点A、D之间通过多跳路由A-B-C-D的方式实现通信。在采用理想的通断模型时，不能保证链路的可靠性。若在发射功率可调的前提下，可以调整每一跳链路的节点的发射功率为可靠发射功率，使得每一跳链路位于连接区从而保证整个多跳路由的可靠通信。若能将发射功率恰好调整为最优可靠功率，则既保证了可。

20、靠通信，又进说明书CN 102497641 A 4/5页 6 一步减少了能耗。 0036 具体实现步骤： 0037 第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同功率量级下的PRR与LQI均值的关系曲线，LQI均值与两节点的距离d的关系曲线。获得不同的功率量级时对应满足 PRRPRR threshold 的最小LQI值LQI threshold 。PRR随LQI均值的变化是单调递增的。PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值。PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。 0038 第二步：根据每一跳两节点的距离将发射功率调整为相应的功率量级。

21、。 0039 多跳通信方式和多跳可靠通信方式相比，在丢包率方面，多跳可靠通信方式的丢包率要明显低于多跳通信方式。在能量消耗方面，为实现多跳可靠通信，节点增大了发射功率，总体能量消耗肯定增大。附图说明 0040 图1为短距离无线信道模型。 0041 图2为分簇及簇内通信示意图。 0042 图3为单跳通信方式变为多跳可靠通信方式示意图。 0043 图4为单跳通信方式变为单跳可靠通信方式示意图。 0044 图5为多跳通信方式变为多跳可靠通信方式示意图。具体实施方式 0045 下面结合实施例对本发明做进一步说明。 0046 实施例： 0047 一种提高无线传感器网络通信质量的方法，包括单跳通信。

22、方式变为多跳可靠通信方式、单跳通信方式变为单跳可靠通信方式和多跳通信方式变为多跳可靠通信方式三种对单跳、多跳路由方式的改进方法。 0048 (1)单跳通信方式变为多跳可靠通信方式 0049 第一步：在网络部署前事先做统计实验，绘制PRR与LQI均值的关系曲线。得出在给定的应用环境下某一发射功率时满足PRRPRR threshold 的最小LQI均值LQI threshold 。PRR 随LQI均值的变化是单调递增的。PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值。PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。 0050 第二步：网络初始化时，在给定发。

23、射功率下，节点通常利用802.15.4协议定期发送广播“Hello”消息，并计算其与邻居节点之间的正向及反向帧的LQI均值评估链路质量。 LQI均值LQI i-j 的计算如下式： 0051 0052 LQI i-j 表示节点i到节点j链路的LQI均值。LQI i-j LQI j-i ，不具有对称性。 0053 第三步：发送数据的节点选择满足LQI i-j LQI threshold 节点为下一跳节点；如果有多条路径，选择跳数最少的路径。如果多条路径跳数相同，则选择每一跳距离短的路径，以减少路径损耗。说明书CN 102497641 A 5/5页 7 0054 (2)单跳通信方式变为单。

24、跳可靠通信方式。 0055 第一步：在网络部署前事先做统计实验，得到不同的功率量级下的PRR与LQI 均值的关系曲线，LQI均值与两节点的距离d的关系曲线。获得不同的功率量级满足 PRRPRR threshold 的最小LQI值LQI threshold 。PRR随LQI均值的变化是单调递增的。PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值。PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。 0056 第二步：根据两节点单跳通信时的距离将发射功率调整为相应的功率量级。 0057 (2)多跳通信方式变为多跳可靠通信方式。 0058 第一步：在网络部署前事先做统。

25、计实验，得到不同功率量级下的PRR与LQI均值的关系曲线，LQI均值与两节点的距离d的关系曲线。获得不同的功率量级时对应满足 PRRPRR threshold 的最小LQI值LQI threshold 。PRR随LQI均值的变化是单调递增的。PRR threshold 为满足位于连接区的最小PRR值。PRR threshold 的取值根据实际应用环境对链路质量的要求而定。 0059 第二步：根据每一跳两节点的距离将发射功率调整为相应的功率量级。说明书CN 102497641 A 1/2页 8 图1 图2 图3 说明书附图CN 102497641 A 2/2页 9 图4 图5 说明书附图CN 102497641 A 。

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