基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法
【專利摘要】一種基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法，屬于無線通信傳輸控制【技術領域】。根據(jù)不同的感知決策級別定義不同的控制事件序列，判斷分析其隨機性特征，結合預測請求和感知需求通過加權移動平均法和指數(shù)平滑法的組合預測選擇最佳預測值；發(fā)送端節(jié)點根據(jù)感知級別和預測值確定最佳機會協(xié)作控制方案；協(xié)作節(jié)點根據(jù)發(fā)送端節(jié)點確定的感知決策級別，判斷是否適合繼續(xù)加入機會協(xié)作過程，如果相應狀態(tài)參數(shù)低于門限值則向發(fā)送端節(jié)點反饋，重新建立機會協(xié)作傳輸控制過程，機會式地建立多樣化自適應中繼協(xié)作傳輸路徑。優(yōu)點：能實時感知無線傳感器網(wǎng)絡狀態(tài)，充分考慮網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，自適應建立具有高可靠性、實時性、高帶寬和低能耗的機會協(xié)作傳輸控制系統(tǒng)。
【專利說明】基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信傳輸控制【技術領域】，涉及一種基于組合預測的自適應機會協(xié) 作控制方法，具體涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的基于多級感知組合預測的自適應機會 協(xié)作控制方法。

【背景技術】
[0002] 協(xié)作通信技術，是一種使得僅有單天線的移動終端也可以實現(xiàn)空間分集的新技 術。它通過系統(tǒng)中各個用戶幫助其伙伴用戶傳輸信息，共享彼此的天線和空間信道資源， 構成虛擬ΜΙΜΟ (英文全稱為：Multiple Input Multiple Output,中文名稱為：多輸入多輸 出）系統(tǒng)，從而獲得空間分集增益。而在無線傳感器網(wǎng)絡中，每個節(jié)點的傳輸功率受電池能 量有限的約束，難以進行有效的長距離通信。利用協(xié)作通信技術，可以將多個傳感器節(jié)點構 成虛擬天線陣列，通過多節(jié)點間的協(xié)作在多徑衰落環(huán)境中進行可靠通信，降低由信號衰落 造成的誤碼引起的重傳，提高節(jié)點能量的利用率，克服傳感器節(jié)點能量受限的弱點。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)作通信相對于傳統(tǒng)的直接傳輸方式有其特殊性，主要表現(xiàn) 為：其一，無線傳感器網(wǎng)絡依靠部署的高密度節(jié)點之間的協(xié)同合作方式實施數(shù)據(jù)感知、收集 以及處理，然而在協(xié)作傳輸過程中必須考慮傳感器節(jié)點自身體積、能量、數(shù)據(jù)存儲與處理能 力以及通信帶寬等限制因數(shù)；其二，在無線傳感器網(wǎng)絡中，協(xié)作通信通過共享節(jié)點資源可以 有效提高系統(tǒng)資源利用率和改善網(wǎng)絡性能，然而何時開始協(xié)作通信、選擇哪些節(jié)點加入?yún)f(xié) 作過程、如何建立協(xié)作傳輸控制機制等問題是無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)作通信的關鍵；其三，影響 傳感器節(jié)點狀態(tài)的因素主要包括發(fā)射功率、信道質量、距離、活動概率等，而傳感器節(jié)點狀 態(tài)又會直接影響協(xié)作通信性能，例如某節(jié)點發(fā)射功率較強可能導致能量耗盡，使其活動概 率下降，而無法繼續(xù)作為協(xié)作節(jié)點進行協(xié)作傳輸，此時需要考慮重建協(xié)作傳輸過程，同時， 如果能夠預測影響傳感器狀態(tài)的因素將對于建立協(xié)作傳輸提供重要依據(jù)，因此無線傳感器 網(wǎng)絡需要具備自適應機會協(xié)作傳輸控制功能；其四，機會協(xié)作方式中，探討如何有效降低無 線傳感器網(wǎng)絡中每個終端設備的能耗、改善系統(tǒng)吞吐率和傳輸時延，同時提供高可靠性、滿 足多樣性服務質量藉以保障需求，成為無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)作通信研究領域亟待解決的關鍵 問題之一。
[0004] 綜上所述，由于傳感器節(jié)點自身物理和電氣屬性的限制以及無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài) 拓撲等的特殊性，使用直接傳輸或固定協(xié)作傳輸?shù)目刂品椒?，會難以滿足實際應用業(yè)務和 多樣性服務質量的保障需求。因此，提出一種基于多級感知預測的自適應機會協(xié)作控制方 法，既緊跟無線傳感器網(wǎng)絡未來發(fā)展趨勢，又可以根據(jù)實際狀態(tài)自適應建立最佳機會協(xié)作 傳輸控制方案。鑒于此，本 申請人:作了有益的設計，下面將要介紹的技術方案便是在這種背 景下產生的。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法，通過多級 感知的組合預測，能實時感知無線傳感器網(wǎng)絡狀態(tài)，協(xié)作節(jié)點自適應地建立機會協(xié)作傳輸， 建立多樣化自適應中斷協(xié)作傳輸路徑，使無線傳感器網(wǎng)絡在滿足多樣性服務質量保障需求 的同時，提高了可靠性和實時性。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣來達到的，一種基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法， 其特征在于，包括如下步驟：
[0007] S01)發(fā)送端節(jié)點根據(jù)傳感器節(jié)點物理和電氣屬性獲取發(fā)射信號的能量E、節(jié)點近 地參考距離屯、發(fā)射信號速度R Mdi。、誤碼率Pb、噪聲帶寬^以及高斯白噪聲方差σ2,并得 出信噪比SNR和中斷概率;
[0008] S02)結合步驟SOI)中得到的信噪比SNR和中斷概率，分別建立用于分析活動 概率ΑΡ門限值的函數(shù)ΤΗΑ(ΑΡ)、用于分析距離D門限值的函數(shù)THA(D)，用于分析發(fā)射功率 TP門限值的函數(shù)THA(TP)以及用于分析協(xié)作節(jié)點個數(shù)Μ門限值的函數(shù)THA(M);
[0009] S03)將發(fā)送端節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)定義為包括活動概率集合APs、距離集合Ds、發(fā)射功 率集合TPs以及節(jié)點個數(shù)集合Ms，并發(fā)射該狀態(tài)信號序列；
[0010] S04)進入I級感知決策，定義活動概率AP為控制事件序列X，對該控制事件序列 X作隨機性驗證和組合預測；
[0011] S05)調用THA(AP)，得到活動概率門限值APj(l〈j>N)，調用THA(M)，得到協(xié)作節(jié)點 個數(shù)門限值Mj(l〈j>N);
[0012] S06)進行I級感知決策，制定機會協(xié)作控制方案即選擇％個活動概率AP大于門 限值AP^l〈j>N)的鄰居節(jié)點進行協(xié)作傳輸；
[0013] S07)若I級感知收到接收端節(jié)點或協(xié)作節(jié)點反饋，則執(zhí)行步驟S08)，否則執(zhí)行步 驟 S06);
[0014] S08)進入II級感知決策，定義距離D為控制事件序列X，對該控制事件序列X作 隨機性驗證和組合預測；
[0015] S09)調用THA(D)，得到距離門限值0」（1〈」洲，調用THA(M)，得到協(xié)作節(jié)點個數(shù)門 限值 Mj(l〈j>N);
[0016] S10)進行II級感知決策，制定機會協(xié)作控制方案即選擇％個距離D大于門限值 Dj(l〈j>N)的鄰居節(jié)點進行協(xié)作傳輸；
[0017] S11)若II級感知收到接收端節(jié)點或協(xié)作節(jié)點反饋，則執(zhí)行步驟S12)，否則執(zhí)行 步驟S10 ;
[0018] S12)進入III級感知決策，定義發(fā)射功率TP為控制事件序列X，對該控制事件序 列X作隨機性驗證和組合預測；
[0019] S13)調用THA(TP)，得到發(fā)射功率門限值TPj(l〈j>N)，調用THA(M)，得到協(xié)作節(jié)點 個數(shù)門限值Mj(l〈j>N);
[0020] S14)進行III級感知決策，制定機會協(xié)作控制方案即選擇Μ」個發(fā)射功率TP大于 門限值TP^l〈j>N)的鄰居節(jié)點進行協(xié)作傳輸；
[0021] S15)將協(xié)作節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)定義為包括活動概率集合APs、距離集合Ds以及發(fā)射功 率TPs，并發(fā)射該狀態(tài)信號序列；
[0022] S16)若該協(xié)作節(jié)點是I級感知被選中則執(zhí)行步驟S17)，是II級感知被選中則執(zhí) 行步驟S18)，否則執(zhí)行步驟S19);
[0023] S17)將協(xié)作節(jié)點的活動概率周期性與活動概率門限值進行比較，當活動概率周期 性小于活動概率門限值AP^l〈j>N)時向發(fā)送端節(jié)點反饋；
[0024] S18)將距離周期性與距離門限值進行比較，當距離周期性小于距離門限值 Dj(l〈j>N)時向發(fā)送端節(jié)點反饋；
[0025] S19)將發(fā)射功率周期性與發(fā)射功率門限值進行比較，當發(fā)射功率周期性小于發(fā)射 功率門限值TP」（1〈 j >N)時向發(fā)送端節(jié)點反饋。
[0026] 在本發(fā)明的一個具體的實施例中，所述的控制事件序列X作隨機性驗證和組合預 測，包括如下步驟：
[0027] S101)調用Randomness_Test(x)，得到用于檢測控制事件序列X是否具有隨機性 以及保持隨機性的最佳自相關系數(shù)個數(shù)m和顯著性水平a ;
[0028] S102)檢測是否存儲過去統(tǒng)計值，若是，則執(zhí)行步驟S103)，若否，則檢測通信設備 有無足夠的存儲空間，若無，則執(zhí)行步驟S104)，否則執(zhí)行步驟S103);
[0029] S103)采用加權移動平均法預測，調用WeightedMA(X)，根據(jù)預測請求和感知需求 分析得到最佳統(tǒng)計值個數(shù)η和加權權重w值，并得到預測值；
[0030] S104)采用指數(shù)平滑法預測，調用Exponentials (X)，根據(jù)預測請求分析得到多級 感知的最佳平滑權重Sw值，并得到預測值。
[0031] 本發(fā)明采用多級感知的組合預測，根據(jù)不同的感知決策級別定義不同的控制事件 序列，判斷分析其隨機性特征參數(shù)，結合預測請求和感知需求通過加權移動平均法和指數(shù) 平滑法的組合預測選擇最佳預測值。發(fā)送端節(jié)點根據(jù)感知級別和預測值確定最佳機會協(xié)作 控制方案；協(xié)作節(jié)點根據(jù)發(fā)送端節(jié)點確定的感知決策級別，判斷是否適合于繼續(xù)加入機會 協(xié)作過程，如果相應狀態(tài)參數(shù)低于門限值則向發(fā)送端節(jié)點反饋，重新建立機會協(xié)作傳輸控 制過程，機會式地建立多樣化自適應中繼協(xié)作傳輸路徑。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有的有 益效果是：能實時感知無線傳感器網(wǎng)絡狀態(tài)，充分考慮網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，自適應建立具有高 可靠性、實時性、高帶寬和低能耗的機會協(xié)作傳輸控制系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明中自適應機會協(xié)作控制方法工作流程示意圖。
[0033] 圖2為本發(fā)明中發(fā)射功率和節(jié)點個數(shù)對信噪比影響變化規(guī)律示意圖。
[0034] 圖3為本發(fā)明中距離和節(jié)點個數(shù)對信噪比影響變化規(guī)律示意圖。
[0035] 圖4為本發(fā)明中發(fā)射功率和節(jié)點個數(shù)對中斷概率影響變化規(guī)律示意圖。
[0036] 圖5為本發(fā)明中距離和節(jié)點個數(shù)對中斷概率影響變化規(guī)律示意圖。
[0037] 圖6為本發(fā)明中活動概率和節(jié)點個數(shù)對中斷概率影響變化規(guī)律示意圖。
[0038] 圖7為本發(fā)明中加權移動平均法預測參數(shù)設置對預測效果實時性影響示意圖。
[0039] 圖8為本發(fā)明中加權移動平均法預測參數(shù)設置對預測效果可靠性影響示意圖。
[0040] 圖9為本發(fā)明中指數(shù)平滑預測法可靠性和實時性變化示意圖。
[0041] 圖10為本發(fā)明中多級感知組合預測法工作流程示意圖。
[0042] 圖11為本發(fā)明中基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制示意圖。

【具體實施方式】
[0043] 為了使公眾能充分了解本發(fā)明的技術實質和有益效果， 申請人:將在下面結合附圖 對本發(fā)明的【具體實施方式】詳細描述，但 申請人:對實施例的描述不是對技術方案的限制，任 何依據(jù)本發(fā)明構思作形式而非實質的變化都應當視為本發(fā)明的保護范圍。
[0044] 請參閱圖1，對自適應機會協(xié)作控制機制進行說明。無線傳感器網(wǎng)絡中，發(fā)送端節(jié) 點向接收端節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，假設發(fā)送端節(jié)點共有M-1個鄰居節(jié)點，發(fā)送端節(jié)點通過無線廣 播發(fā)送數(shù)據(jù)，鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)并加入?yún)f(xié)作傳輸過程，由此發(fā)送端節(jié)點與鄰居節(jié)點采用協(xié) 作方式傳輸數(shù)據(jù)。在無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)作通信中，可以從發(fā)送端節(jié)點的鄰居節(jié)點中根據(jù)門 限值以一定概率實時選擇最佳中繼節(jié)點，從而構成自適應機會協(xié)作傳輸控制系統(tǒng)，包括如 下步驟：
[0045] S01)發(fā)送端節(jié)點根據(jù)傳感器節(jié)點物理和電氣屬性獲取發(fā)射信號的能量E、節(jié)點近 地參考距離屯、發(fā)射信號速度R Mdi。、誤碼率Pb、噪聲帶寬^以及高斯白噪聲方差σ2,并得 出信噪比SNR和中斷概率，接收端節(jié)點信噪比SNR的計算公式如下

【權利要求】
1. 一種基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 501) 發(fā)送端節(jié)點根據(jù)傳感器節(jié)點物理和電氣屬性獲取發(fā)射信號的能量E、節(jié)點近地參 考距離屯、發(fā)射信號速度Rradi。、誤碼率P b、噪聲帶寬BN以及高斯白噪聲方差，并得出信噪比 SNR和中斷概率Pwt ; 502) 結合步驟SOI)中得到的信噪比SNR和中斷概率Ρ_，分別建立用于分析活動概率 ΑΡ門限值的函數(shù)ΤΗΑ(ΑΡ)、用于分析距離D門限值的函數(shù)ΤΗ?、?，用于分析發(fā)射功率ΤΡ門 限值的函數(shù)ΤΗΑ(ΤΡ)以及用于分析協(xié)作節(jié)點個數(shù)Μ門限值的函數(shù)ΤΗΑ(Μ); 503) 將發(fā)送端節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)定義為包括活動概率集合APs、距離集合Ds、發(fā)射功率集 合TPs以及節(jié)點個數(shù)集合Ms，并發(fā)射該狀態(tài)信號序列； 504) 進入I級感知決策，定義活動概率AP為控制事件序列X，對該控制事件序列X作 隨機性驗證和組合預測； 505) 調用ΤΗΑ (AP)，得到活動概率門限值AP」（l〈j>N)，調用ΤΗΑ (M)，得到協(xié)作節(jié)點 個數(shù)門限值Μ』（l〈j>N); 506) 進行I級感知決策，制定機會協(xié)作控制方案即選擇％個活動概率AP大于門限值 APj (l〈j>N)的鄰居節(jié)點進行協(xié)作傳輸； 507) 若I級感知收到接收端節(jié)點或協(xié)作節(jié)點反饋，則執(zhí)行步驟S08)，否則執(zhí)行步驟 S06)； 508) 進入II級感知決策，定義距離D為控制事件序列X，對該控制事件序列X作隨機 性驗證和組合預測； 509) 調用THA (D)，得到距離門限值Dj (l〈j>N)，調用ΤΗΑ (M)，得到協(xié)作節(jié)點個數(shù)門 限值M」（l〈j>N); 510) 進行II級感知決策，制定機會協(xié)作控制方案即選擇％個距離D大于門限值Dj (l〈j>N)的鄰居節(jié)點進行協(xié)作傳輸； 511) 若II級感知收到接收端節(jié)點或協(xié)作節(jié)點反饋，則執(zhí)行步驟S12)，否則執(zhí)行步驟 S10 ； 512) 進入III級感知決策，定義發(fā)射功率TP為控制事件序列X，對該控制事件序列X 作隨機性驗證和組合預測； 513) 調用ΤΗΑ (TP)，得到發(fā)射功率門限值TP」（l〈j>N)，調用ΤΗΑ (M)，得到協(xié)作節(jié)點 個數(shù)門限值Μ』（l〈j>N); 514) 進行III級感知決策，制定機會協(xié)作控制方案即選擇％個發(fā)射功率TP大于門限 值TP」（l〈j>N)的鄰居節(jié)點進行協(xié)作傳輸； 515) 將協(xié)作節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)定義為包括活動概率集合APs、距離集合Ds以及發(fā)射功率 TPs，并發(fā)射該狀態(tài)信號序列； 516) 若該協(xié)作節(jié)點是I級感知被選中則執(zhí)行步驟S17)，是II級感知被選中則執(zhí)行步 驟S18)，否則執(zhí)行步驟S19); 517) 將協(xié)作節(jié)點的活動概率周期性與活動概率門限值進行比較，當活動概率周期性小 于活動概率門限值AP」（l〈j>N)時向發(fā)送端節(jié)點反饋； 518) 將距離周期性與距離門限值進行比較，當距離周期性小于距離門限值Dj (l〈j>N) 時向發(fā)送端節(jié)點反饋； S19)將發(fā)射功率周期性與發(fā)射功率門限值進行比較，當發(fā)射功率周期性小于發(fā)射功率 門限值TP」（l〈j>N)時向發(fā)送端節(jié)點反饋。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于組合預測的自適應機會協(xié)作控制方法，其特征在于在所 述的控制事件序列X作隨機性驗證和組合預測，包括如下步驟： 5101) 調用Randomness_Test (X)，得到用于檢測控制事件序列X是否具有隨機性以及 保持隨機性的最佳自相關系數(shù)個數(shù)m和顯著性水平a ; 5102) 檢測是否存儲過去統(tǒng)計值，若是，則執(zhí)行步驟S103)，若否，則檢測通信設備有無 足夠的存儲空間，若無，則執(zhí)行步驟S104)，否則執(zhí)行步驟S103); 5103) 采用加權移動平均法預測，調用WeightedMA (X)，根據(jù)預測請求和感知需求分析 得到最佳統(tǒng)計值個數(shù)η和加權權重w值，并得到預測值； 5104) 采用指數(shù)平滑法預測，調用Exponentials (X)，根據(jù)預測請求分析得到多級感知 的最佳平滑權重Sw值，并得到預測值。
【文檔編號】H04W40/02GK104301964SQ201410563398
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權日:2014年10月21日
【發(fā)明者】夏開建, 蔡健, 靳勇, 范紅春, 任曉剛, 吳玥, 王宏偉, 曹智鷹, 吳儲君 申請人:常熟市第一人民醫(yī)院