基于IEEE 802.15.4物理层的无线网络链路质量估计方法研究

链路质量估计是无线网络选择传输路径的基础，本文对基于理论模型估计链路质量的方法进行了研究，对IEEE 802.15.4接收机的接收成功率进行了分析，并通过仿真验证了理论计算方法的正确性。本文进一步提出一种链路质量估计方法LEAS (Link Estimation with Asynchronous Samples)，利用异步采集的SINR样本按照简化的模型计算瞬时PSR估计值，再通过滑动窗口和指数加权移动平均算法对PSR瞬时值进行滤波，与现有方法相比，本文提出的方法具有较高的估计精度，无需离线训练模型，并且，通用性好，计算开销较小，适用于资源有限的无线传感器网络节点。实验结果显示，LEAS具有较高的精度，在多种实验条件下平均的MSE为1.1 × 10−2。

IEEE 802.15.4 是无线个域网技术标准， 专门为超低功耗、低数据速率[1]以及短距离通信而设计[2] [3]， 目前已广泛应用于物联网领域。

IEEE 802.15.4 标准[4] [5]定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)协议，而网络层和应用层等上层功能则是由ZigBee 联盟定义的。

自IEEE 802.15.4 技术出现以来，已经有很多学者对其物理层性能进行了研究。例如Petrova 等[6]研究的是2.4 GHz 频段，通过使用实际的硬件测量RSSI、及PER 来分析IEEE 802.15.4 的特性和性能，并给出了IEEE 802.15.4 的MAC 协议评估的仿真结果。Iskander 和Koteng 等[7] [8]分析了2.4 GHz 下IEEE 802.15.4 的性能，推导非相干检测下单符号错误概率的解析表达式，并且研究相干解调技术，进而提出了相干接收器架构。Gupta 等[9]对IEEE 802.15.4 物理层方面进行了研究，尤其是最佳接收机的功率谱和理论性能分析。

并且在已知信号参数的情况下， 利用实际信号集分析相干和非相干接收机在AWGN 信道下的误差性能。

鉴于直接利用理论模型预测链路质量存在困难， 文献[10]提出了一项快速链路质量估计方法， 利用指数加权卡尔曼滤波器稳定化接收信号强度指示器估计值，并通过计算信噪比以及信噪比与收包率的映射关系来估计链路质量。

这种方法只需少量数据包即可快速获得准确的链路质量估计。

文献[11]描述了一种基于随机森林分类算法构建链路质量估计模型的方法。该方法利用随机森林回归算法建立链路质量预测模型，可预测下一时刻的链路质量等级，该模型有更高的预测正确率，使得链路质量的估计更为可靠。

文献[12]提出了一种新的链路估计器4C，它将链路质量预测与链路估计相结合，包括三个步骤：数据收集，离线建模和在线预测，将RSSI、SNR 和LQI 作为输入，输出下一个数据包发送成功的概率，具有计算开销小的优点。

文献[13]提出一种基于卷积阶梯网络的链路质量评估方法， 采用一维卷积层提取链路