專利名稱：一種信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
物流領(lǐng)域是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。運(yùn)輸過程中，貨物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的應(yīng)用之一。在火車貨物運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，每列貨車由幾十節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂上部署一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知運(yùn)輸貨物的溫度、濕度、回潮率和煙霧等信息，并可以通過短距離無線通信協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面收集傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，另一方面需要將收集到的信息通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析處理。蜂窩網(wǎng)由其高覆蓋率、移動(dòng)切換性好、低資費(fèi)等特點(diǎn)成為目前移動(dòng)接入的首選。但 是蜂窩網(wǎng)絡(luò)固有高功耗的特點(diǎn)，尤其在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模式下，使得在列車貨物運(yùn)輸監(jiān)測(cè)中，使用電池供電的網(wǎng)關(guān)模塊的能耗問題成為影響其性能的關(guān)鍵問題之一。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，能量控制和信道編碼都是必須要實(shí)現(xiàn)的功能，移動(dòng)終端的發(fā)送功率及發(fā)送速率存在多個(gè)等級(jí)，其可以根據(jù)環(huán)境中測(cè)得的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，例如接收電平信號(hào)等級(jí)等。其目的主要是降低移動(dòng)終端的能耗、提高數(shù)據(jù)速率和減少設(shè)備間的干擾。而功率控制和傳輸速率的控制是與當(dāng)前位置的信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的。因此，當(dāng)在信號(hào)質(zhì)量好的地方進(jìn)行通信時(shí)，可以通過降低發(fā)送功率和提高發(fā)送速率，來降低每比特能耗。在火車貨物運(yùn)輸應(yīng)用中，部署于火車車廂上的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，正是經(jīng)歷著一個(gè)時(shí)變的信道，信道質(zhì)量隨著火車的運(yùn)行呈現(xiàn)高低變化。因此可以通過控制數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間，使數(shù)據(jù)包在信號(hào)質(zhì)量好的地方進(jìn)行發(fā)送，從而能夠節(jié)省能量。因此，信道質(zhì)量的預(yù)測(cè)對(duì)于能量的節(jié)省起到至關(guān)重要的作用。由于蜂窩通信中，基站的位置相對(duì)固定，其參數(shù)也在一定的時(shí)間內(nèi)保持不變，因此，信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)出很強(qiáng)的位置相關(guān)性。即，在同一個(gè)地理位置處，不同時(shí)間內(nèi)測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度變化不大。可以利用信號(hào)強(qiáng)度在地理位置上的相關(guān)性，預(yù)先測(cè)量好所要經(jīng)過地理位置的信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送調(diào)度。針對(duì)這個(gè)基本思路已經(jīng)有些研究利用人活動(dòng)的規(guī)律性，即每天行走的路線差別不大，現(xiàn)有工作基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的空間相關(guān)性，預(yù)先測(cè)量道路的信號(hào)變化軌跡，在此后經(jīng)過此路段時(shí)，利用歷史信號(hào)強(qiáng)度軌跡，進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間和位置的調(diào)度。但是，基于歷史軌跡的方法并不適用于鐵路貨物運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送，一是因?yàn)榛疖囘\(yùn)輸線路較長(zhǎng)，預(yù)先測(cè)量會(huì)增加額外的工作量；二是因?yàn)榛疖嚿涎b載的貨物及貨物運(yùn)輸?shù)哪康牡夭槐M相同，在中間站點(diǎn)可能會(huì)進(jìn)行列車車廂的重組操作，使得無法估計(jì)每個(gè)車廂的運(yùn)輸路線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，提高預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的相關(guān)性，減少預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的平均絕對(duì)相對(duì)誤差。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，應(yīng)用于貨運(yùn)列車上網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)，包括確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置，所述信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上處于該對(duì)應(yīng)位置之前的數(shù)據(jù)為歷史路段數(shù)據(jù)，處于該對(duì)應(yīng)位置之后的數(shù)據(jù)為未來路段數(shù)據(jù)，本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即為所述信號(hào)強(qiáng)度信息的接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)在地理位置上進(jìn)行校準(zhǔn)；獲得本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣數(shù)據(jù)的線 性關(guān)系；根據(jù)所述線性關(guān)系，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。進(jìn)一步地，上述信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法還可具有以下特點(diǎn)，所述確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置包括本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)判斷自己是否正處于基站切換過程，若是則尋找所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)的基站切換位置點(diǎn)，并將此基站切換位置點(diǎn)作為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，否則將上一個(gè)對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)進(jìn)行前移操作，其中，基站切換的判斷依據(jù)是基站號(hào)的變換，即當(dāng)前時(shí)刻的基站號(hào)與前面時(shí)刻的基站號(hào)不同看做是一次基站切換。進(jìn)一步地，上述信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法還可具有以下特點(diǎn)，所述對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)在地理位置上進(jìn)行校準(zhǔn)包括記本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)所處的時(shí)間序列為M，所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)所處的時(shí)間序列為N，序列M長(zhǎng)、N的長(zhǎng)度分別為m、n ；首先按照如下公式計(jì)算序列M中的每個(gè)元素到序列N中每個(gè)元素的距離，結(jié)果記錄于矩陣Dmxn中；(Ii, J=(Ini-Iij)2上式中，Hii是序列M中第i個(gè)元素，Iij是序列M中第j個(gè)采樣點(diǎn)元素，屯,」是叫到Iij的距離。然后構(gòu)建累計(jì)距離矩陣rmXn，累計(jì)距離矩陣rmXn*下標(biāo)為(i，j)的元素為從矩陣Dmxn中(I，I)位置到(i，j)位置的最短累計(jì)距離，根據(jù)矩陣rfflXn即可得出序列M和序列N中元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)一步地，上述信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法還可具有以下特點(diǎn)，所述獲得本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣數(shù)據(jù)的線性關(guān)系包括采用最小二乘法進(jìn)行對(duì)校準(zhǔn)后本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史采樣數(shù)據(jù)按照下面公式進(jìn)行線性擬合，y=X 3 + e其中，X為信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)，y為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)，X與y均為進(jìn)行地理位置校準(zhǔn)后的信號(hào)強(qiáng)度值，P為線性系數(shù)，e為殘差。進(jìn)一步地，上述信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法還可具有以下特點(diǎn)，所述根據(jù)所述線性關(guān)系，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)包括所述線性關(guān)系為y = X P + e，將所述未來路段數(shù)據(jù)作為公式y(tǒng) = X P + e中的自變量X，則因變量y即為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的預(yù)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。本發(fā)明的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法可以有效的提高預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的相關(guān)性，并有效減少了預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的平均絕對(duì)相對(duì)誤差。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法的流程圖；圖2為使用帶有滑動(dòng)窗口的DTW算法進(jìn)行校準(zhǔn)的示意圖；圖3為通過實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值平均絕對(duì)相對(duì)誤差隨預(yù)測(cè)時(shí) 間變化統(tǒng)計(jì)誤差值(5%,95%error bar)結(jié)果圖；圖4為通過實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值相關(guān)性隨預(yù)測(cè)時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)誤差值(5%,95%error bar)結(jié)果圖；圖5為通過實(shí)驗(yàn)得到的使用直接數(shù)據(jù)不進(jìn)行預(yù)測(cè)信號(hào)處理的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值平均絕對(duì)相對(duì)誤差隨預(yù)測(cè)時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)誤差值(5%，95%error bar)結(jié)果圖；圖6為通過實(shí)驗(yàn)得到的使用直接數(shù)據(jù)不進(jìn)行預(yù)測(cè)信號(hào)處理的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值平均絕對(duì)相對(duì)誤差隨預(yù)測(cè)時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)誤差值(5%，95%error bar)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的主要構(gòu)思是利用前后兩個(gè)車廂上網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間先后經(jīng)過相同位置的應(yīng)用特點(diǎn)，使用前面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度來幫助后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，目的是提高預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的相關(guān)性P及平均絕對(duì)相對(duì)誤差《，其中，相關(guān)性公式為P(M, N) = ,—I..............................................................二.......................................................................................=-^平均絕對(duì)相對(duì)誤差公式為0J{M. AT)=丄文
/7 I Hi以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。圖I為本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法的流程圖。圖I所示的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于貨運(yùn)列車上信號(hào)強(qiáng)度信息的接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)，如圖I所示，該信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法包括如下步驟步驟101，確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置，本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即為信號(hào)強(qiáng)度信息的接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；步驟101的主要目的是定位出本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)于接收到的信號(hào)強(qiáng)度采樣點(diǎn)，以區(qū)分相對(duì)于當(dāng)前位置的歷史數(shù)據(jù)和未來數(shù)據(jù)。當(dāng)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲得信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列時(shí)，首先需要確定該序列中的哪個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)于本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置，即將信號(hào)強(qiáng)度采樣序列相對(duì)于本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)切分成兩段，與本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度采樣點(diǎn)(即下文中提到的分界位置點(diǎn))之后的數(shù)據(jù)稱為未來路段數(shù)據(jù)，與本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度采樣點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)稱為歷史路段數(shù)據(jù)。這里的前后是相對(duì)于采樣位置來說的，假設(shè)有一采樣點(diǎn)P，則在采樣點(diǎn)P之前的采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間早于采樣點(diǎn)P的采樣時(shí)間，在采樣點(diǎn)P之后的采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間晚于采樣點(diǎn)P的采樣時(shí)間。具體地，可以根據(jù)基站切換信息確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置。如果本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前位置進(jìn)行基站切換，則尋找信號(hào)強(qiáng)度采樣序列中進(jìn)行基站切換的位置(根據(jù)切換的基站號(hào)進(jìn)行判斷，比如網(wǎng)關(guān)A從基站I切到了基站2，網(wǎng)關(guān)B也從基站I切到了基站2)，并將此位置作為歷史路段數(shù)據(jù)和未來路段數(shù)據(jù)的分界位置點(diǎn)，該位置點(diǎn)也即本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的位置。如果本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前位置沒有進(jìn)行基站切換，則將上一個(gè)對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的自增操作進(jìn)行對(duì)應(yīng)。由于匹配位置的操作是周期性進(jìn)行的，因此可以利用前一次的匹配結(jié)果，同時(shí)往后移動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行匹配即可。
由于列車一直在運(yùn)行中，需要周期性地進(jìn)行步驟101的過程，因此不會(huì)產(chǎn)生過大的誤差，且在實(shí)際操作中，基站切換每隔10秒至30秒進(jìn)行一次，因此不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。步驟102，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)在地理位置上進(jìn)行校準(zhǔn)；歷史路段數(shù)據(jù)是相對(duì)于步驟101得到的分界位置點(diǎn)來說的，前文已提到，分界位置點(diǎn)之前的采樣數(shù)據(jù)稱為歷史路段數(shù)據(jù)。步驟102的目的是將兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的采樣點(diǎn)在地理位置上進(jìn)行一個(gè)相近的對(duì)應(yīng)，因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)度的相關(guān)性是基于地理位置的。步驟102使用帶有滑動(dòng)窗口的DTW算法(動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法)來進(jìn)行校準(zhǔn)。DTff是現(xiàn)有技術(shù)。兩個(gè)網(wǎng)關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)是指DTW算法中的兩個(gè)采樣曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的累計(jì)距離最小。M和N的對(duì)應(yīng)關(guān)系就是DTW算法的輸出結(jié)果，如M中第一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)N中的第二個(gè)點(diǎn)，M中第二個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)N中的第三個(gè)點(diǎn)及第四個(gè)點(diǎn)等等。由于每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)采樣位置，因此M、N的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)際上是對(duì)采樣點(diǎn)在地理位置空間上的對(duì)齊。參照?qǐng)D2，首先用的滑動(dòng)窗口是DTW算法的一個(gè)參數(shù)，使用者可通過實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，在此使用的滑動(dòng)窗口大小為20。對(duì)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)B，t0與h之間就是窗口大小，而其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A的起始采樣點(diǎn)h’和終點(diǎn)采樣點(diǎn)t/是通過步驟101得到的。步驟102的目的就是將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)B上的h到&之間與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A上V到t/之間的采樣點(diǎn)得到一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過DTW算法可以得到這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。DTff算法基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃，是將兩個(gè)在時(shí)間上具有相關(guān)性、但在時(shí)間軸上存在錯(cuò)位、偏移的序列在時(shí)間軸上進(jìn)行調(diào)整，使相應(yīng)的采樣點(diǎn)能夠在時(shí)間軸上進(jìn)行對(duì)應(yīng)。這里用于地理位置維度上的規(guī)整，由于在列車運(yùn)行過程中，列車是沿一條線路往前運(yùn)行，不會(huì)后退，因此地理位置與時(shí)間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，地理位置的規(guī)整與時(shí)間的規(guī)整是一樣的。假設(shè)當(dāng)前網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)B處于h時(shí)刻，窗口長(zhǎng)度為w,設(shè)= tfW,要將Iit1, t0]時(shí)間段內(nèi)的采樣點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A上[t/，V ]的采樣點(diǎn)之間取得對(duì)應(yīng)關(guān)系。記[tp t0]為序列M，[t/ ,V ]為序列N，序列M、N的長(zhǎng)度分別為m、n。DTff的算法過程為
首先計(jì)算序列M中的每個(gè)元素到序列N中每個(gè)元素的距離，使用歐式距離公式，如公式(I)所示，結(jié)果記錄于矩陣中；(Iijj= (Ini-Iij)2(I)公式(I)中，Ini是序列M中第i個(gè)元素，Iij是序列M中第j個(gè)采樣點(diǎn)元素，Clijj是Hli到Ilj的距離。然后構(gòu)建一個(gè)累計(jì)距離矩陣rmXn，對(duì)于累計(jì)距離矩陣rmXn中下標(biāo)為(i，j)的元素，表示從矩陣Dmxn中(I，I)位置到(i，j )位置的最短累計(jì)距離。通過DTW算法，最終得到(1，1)到(m，n)的最短累計(jì)距離。則從(1，1)到(m，n)的最短累計(jì)距離就是所求的序列M與序列N的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
步驟103，根據(jù)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)采樣信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系獲得本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度的線性關(guān)系；當(dāng)?shù)玫叫蛄蠱與序列N之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，步驟103要做的是得到兩條曲線對(duì)應(yīng)位置處的信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系。多元線性回歸一般用于得出一組自變量和因變量之間的近似線性關(guān)系，可以應(yīng)用于本問題(即得到兩條曲線對(duì)應(yīng)位置處的信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系)的場(chǎng)景。多元線性回歸采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，線性關(guān)系公式如公式(2)所示y=X ^ + e(2)公式(2)中，X為信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)，y為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)，X與y均采樣步驟102得到的地理位置校準(zhǔn)后的信號(hào)強(qiáng)度值。目標(biāo)為得到@和e，其中0稱為線性系數(shù)，e稱為殘差。步驟104，根據(jù)步驟103獲得的線性關(guān)系，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)?shù)玫絇和e后，步驟104為預(yù)測(cè)，所使用公式仍為公式(2)，不同的是X為信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)于V后的采樣數(shù)據(jù)，y為所求的預(yù)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。下面舉例來對(duì)本發(fā)明的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法作進(jìn)一步說明位于列車前面的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周期性的采樣信號(hào)強(qiáng)度信息(如1HZ)，并將采集到的信號(hào)強(qiáng)度信息發(fā)送給后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，該后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收前面網(wǎng)關(guān)的采樣信號(hào)強(qiáng)度信息和對(duì)應(yīng)的基站信息，并記錄與自己的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)判斷自己是否正處于基站切換過程，如果正在進(jìn)行基站切換，則尋找前面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)的基站切換位置點(diǎn)，并將此位置點(diǎn)作為后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；若沒有處于切換過程或未找到對(duì)應(yīng)的切換位置點(diǎn)，則將上一個(gè)對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)進(jìn)行前移操作，基站切換的判斷依據(jù)是基站號(hào)的變換，即當(dāng)前時(shí)刻的基站號(hào)與前面時(shí)刻的基站號(hào)不同看做是一次切換。在火車運(yùn)行過程中一次基站切換的時(shí)間間隔為10秒至30秒，取決于基站部署密度和火車的運(yùn)行速度；當(dāng)確定了后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)后，即分開了歷史路段數(shù)據(jù)和未來路段數(shù)據(jù)，這時(shí)將利用歷史路段數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系的確定，信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系的確定分為兩步，首先利用DTW算法，對(duì)歷史路段數(shù)據(jù)各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，輸入為歷史窗口(即前述的滑動(dòng)窗口)大小、后面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度值和索引、前面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的與當(dāng)前值及歷史窗口對(duì)應(yīng)的索引與信號(hào)強(qiáng)度值。利用DTW算法，可得出兩條(甚至多條)歷史路段數(shù)據(jù)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體做法已在前面描述。
將取得的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為輸入，利用多元線性回歸可取得信號(hào)強(qiáng)度幅值的線性系數(shù)。對(duì)應(yīng)線性回歸算法有很多成熟的工具箱可以使用，可以通過調(diào)用這些工具得到線性系數(shù)和殘差。最后將分離開的未來路段數(shù)據(jù)帶入線性關(guān)系則可預(yù)測(cè)到未來信號(hào)強(qiáng)度的變化。本發(fā)明的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法可以有效的提高預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的相關(guān)性P，并有效減少了預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的平均絕對(duì)相對(duì)誤差《。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，應(yīng)用于貨運(yùn)列車上網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)，其特征在于，包括 確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置，所述信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上處于該對(duì)應(yīng)位置之前的數(shù)據(jù)為歷史路段數(shù)據(jù)，處于該對(duì)應(yīng)位置之后的數(shù)據(jù)為未來路段數(shù)據(jù)，本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即為所述信號(hào)強(qiáng)度信息的接收網(wǎng)關(guān)節(jié)占. 對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)在地理位置上進(jìn)行校準(zhǔn)； 獲得本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣數(shù)據(jù)的線性關(guān)系; 根據(jù)所述線性關(guān)系，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置包括 本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)判斷自己是否正處于基站切換過程，若是則尋找所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)的基站切換位置點(diǎn)，并將此基站切換位置點(diǎn)作為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，否則將上一個(gè)對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)進(jìn)行前移操作，其中，基站切換的判斷依據(jù)是基站號(hào)的變換，即當(dāng)前時(shí)刻的基站號(hào)與前面時(shí)刻的基站號(hào)不同看做是一次基站切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)在地理位置上進(jìn)行校準(zhǔn)包括 記本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)所處的時(shí)間序列為M，所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)所處的時(shí)間序列為N，序列M長(zhǎng)、N的長(zhǎng)度分別為m、n ；首先按照如下公式計(jì)算序列M中的每個(gè)元素到序列N中每個(gè)元素的距離，結(jié)果記錄于矩陣Dmxn中； di, j= (Hii-Iij)2 上式中,Hli是序列M中第i個(gè)元素，Ilj是序列M中第j個(gè)采樣點(diǎn)元素，Clijj是Hli到Ilj的距離。
然后構(gòu)建累計(jì)距離矩陣rmXn，累計(jì)距離矩陣rmXn*下標(biāo)為(i，j)的元素為從矩陣口^^中(1，I)位置到(i，j)位置的最短累計(jì)距離，根據(jù)矩陣rmXn即可得出序列M和序列N中元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述獲得本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣數(shù)據(jù)的線性關(guān)系包括 采用最小二乘法進(jìn)行對(duì)校準(zhǔn)后本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史采樣數(shù)據(jù)按照下面公式進(jìn)行線性擬合，y=X + e 其中，X為信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)，y為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的歷史路段數(shù)據(jù)，X與y均為進(jìn)行地理位置校準(zhǔn)后的信號(hào)強(qiáng)度值，P為線性系數(shù)，e為殘差。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述根據(jù)所述線性關(guān)系，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)包括 所述線性關(guān)系為y = X P + e，將所述未來路段數(shù)據(jù)作為公式y(tǒng) = X P + e中的自變量X，則因變量y即為本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方 路段的預(yù)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。該方法包括確定本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置在信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上的對(duì)應(yīng)位置，所述信號(hào)強(qiáng)度采樣序列上處于該對(duì)應(yīng)位置之前的數(shù)據(jù)為歷史路段數(shù)據(jù)，處于該對(duì)應(yīng)位置之后的數(shù)據(jù)為未來路段數(shù)據(jù)，本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即為所述信號(hào)強(qiáng)度信息的接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度歷史路段數(shù)據(jù)在地理位置上進(jìn)行校準(zhǔn)；獲得本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)強(qiáng)度信息的來源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度采樣數(shù)據(jù)的線性關(guān)系；根據(jù)所述線性關(guān)系，對(duì)本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)前方路段的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。本發(fā)明有效提高了預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的相關(guān)性，減少了預(yù)測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的平均絕對(duì)相對(duì)誤差。
文檔編號(hào)H04B17/00GK102780536SQ20121026262
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者劉偉, 周新運(yùn), 孫利民, 朱紅松 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院信息工程研究所