傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄬宇A(yù)測控制方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及一種傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄬宇A(yù)測控制方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感網(wǎng)絡(luò)由置于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)由大量具有感知、計算和通信能力的微型傳感器節(jié)點組成，是一種自組織分布式的網(wǎng)絡(luò)。這些傳感節(jié)點具有價格低、體積小等特點，監(jiān)測數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的協(xié)作采集周圍環(huán)境的相關(guān)信息，進行簡單的數(shù)據(jù)處理后，運用短距離多跳的通信方式將信息傳輸?shù)交咀鬟M一步的分析和處理。
[0003]通常情況下，無線傳感器節(jié)點的能量僅由容量有限的電池提供，且能量難以補充。如何節(jié)約節(jié)點能量、最大化網(wǎng)絡(luò)壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中最首要的問題，而能量控制問題主要從兩個方面開展研究:擴展電池能源和減少繁瑣操作。然而，前者受到較多的物理因素限制。
[0004]例如:專利申請?zhí)朇N201010248181.1公開號CN101895956A的中國發(fā)明專利“多層分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法”提供了通過對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行分簇形成鏈路結(jié)構(gòu)的多層控制方法，節(jié)點能量是制定鏈路的影響因素之一，但網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的時間延遲并沒有考慮。
[0005]Daniele Bernardini等運用能量意識的魯棒模型預(yù)測控制方法進行帶傳輸噪音的無線傳感器的傳輸控制，利用控制器直接對傳感器進行控制與反饋，因此對復(fù)雜的無線傳感網(wǎng)絡(luò)存在一定的局限性(詳見 Automatica.vol.48, n0.1, pp:36-44, 2012)。
[0006]由于傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)延時不只是簡單的傳輸滯后，而是將控制問題復(fù)雜化，所以多數(shù)研究理想化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的傳輸延遲。因此，急需一種有效的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制方法，解決傳輸延遲引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖?，以及傳輸?jié)點的能量浪費問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種有助于解決傳輸延遲引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖В约皞鬏敼?jié)點的能量浪費問題的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄬宇A(yù)測控制方法和系統(tǒng)。
[0008]作為本發(fā)明的第一方面，提供了一種傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄬宇A(yù)測控制方法，包括:將節(jié)點分成多個簇；確定每個簇內(nèi)的控制節(jié)點和傳輸節(jié)點；根據(jù)構(gòu)建的預(yù)測控制策略對每個簇內(nèi)的傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流進行預(yù)測，控制節(jié)點只向預(yù)測的預(yù)測結(jié)果中出現(xiàn)的傳輸節(jié)點進行廣播。
[0009]進一步地，預(yù)測控制策略是通過下述方式構(gòu)建的:每個采樣時刻，將每個傳輸節(jié)點的傳輸量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，將傳感器采樣數(shù)據(jù)量作為系統(tǒng)輸入，以建立傳輸網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間描述；通過求解在狀態(tài)空間描述下求解最小目標(biāo)函數(shù)獲得最優(yōu)傳輸途徑在未來一段時域內(nèi)每個傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流的預(yù)測值。
[0010]進一步地，方法還包括:根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸流的預(yù)測誤差，對預(yù)測進行誤差補償。
[0011]進一步地，預(yù)測誤差來自于控制節(jié)點反饋；將預(yù)測控制策略在進行預(yù)測時使用的目標(biāo)函數(shù)根據(jù)反饋的預(yù)測誤差在流動時域中進行迭代更新以補償預(yù)測誤差。
[0012]進一步地，簇內(nèi)的控制節(jié)點是剩余電量最多的節(jié)點。
[0013]進一步地，如果簇內(nèi)具有兩個或兩個以上剩余電量相同的節(jié)點，那么選取已作為控制節(jié)點次數(shù)少的節(jié)點作為控制節(jié)點。
[0014]進一步地，將節(jié)點分成多個簇時，按照位置信息，采用蟻群算法對所有節(jié)點進行分簇。
[0015]作為本發(fā)明的第二方面，提供了一種傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄬宇A(yù)測控制系統(tǒng)，包括:多個節(jié)點，多個節(jié)點分成多個簇，每個簇內(nèi)的節(jié)點分為控制節(jié)點和傳輸節(jié)點；控制器，與控制節(jié)點通訊連接，控制器根據(jù)構(gòu)建的預(yù)測控制策略對每個簇內(nèi)的傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流進行預(yù)測；控制節(jié)點只向預(yù)測的預(yù)測結(jié)果中出現(xiàn)的傳輸節(jié)點進行廣播。
[0016]進一步地，控制器在每個采樣時刻，將每個傳輸節(jié)點的傳輸量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，將傳感器采樣數(shù)據(jù)量作為系統(tǒng)輸入，以建立傳輸網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間描述，通過求解狀態(tài)空間描述的目標(biāo)函數(shù)獲得最優(yōu)傳輸途徑下，未來一段時域內(nèi)，每個傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流的預(yù)測值。
[0017]進一步地，控制節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸流的預(yù)測誤差反饋給控制器；控制器根據(jù)預(yù)測誤差，對目標(biāo)函數(shù)在流動時域中進行迭代更新以補償預(yù)測誤差。
[0018]由于控制節(jié)點只向預(yù)測的預(yù)測結(jié)果中出現(xiàn)的傳輸節(jié)點進行廣播，因而，避免了長時間等待的耗電，從而在傳輸時延存在的前提下，加強了節(jié)點的能量控制，其有效的數(shù)據(jù)流預(yù)測提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率，延長了整個傳感網(wǎng)絡(luò)使用壽命。
【附圖說明】
[0019]圖1是無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點的分簇示例圖；
[0020]圖2是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分層控制架構(gòu)圖；
[0021]圖3是控制節(jié)點A在50s內(nèi)的傳輸仿真圖；
[0022]圖4是控制節(jié)點B在50s內(nèi)的傳輸仿真圖；
[0023]圖5是控制節(jié)點C在50s內(nèi)的傳輸仿真圖；
[0024]圖6是控制節(jié)點D在50s內(nèi)的傳輸仿真圖。
【具體實施方式】
[0025]以下是本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述，應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0026]作為本發(fā)明的第一方面，請參考圖1，本發(fā)明提供了一種傳感網(wǎng)絡(luò)(例如無線傳感網(wǎng)絡(luò)等)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄬宇A(yù)測控制方法，包括:將節(jié)點分成多個簇；確定每個簇內(nèi)的控制節(jié)點和傳輸節(jié)點；根據(jù)構(gòu)建的預(yù)測控制策略對每個簇內(nèi)的傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流進行預(yù)測，控制節(jié)點只向預(yù)測的預(yù)測結(jié)果中出現(xiàn)的傳輸節(jié)點進行廣播(即與傳輸節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸)。
[0027]優(yōu)選地，簇的數(shù)量與節(jié)點的傳輸頻率和/或傳輸距離成反比例函數(shù)，例如，當(dāng)傳輸節(jié)點的傳輸頻率高或傳輸節(jié)點的傳輸距離較遠時，降低簇的數(shù)量以減少控制節(jié)點的能耗。特別地，對傳感網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點進行分簇。優(yōu)選地，預(yù)測控制策略是建立滾動時域內(nèi)的，其用于對未來一段時域的傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸流進行預(yù)測。
[0028]特別地，只有那些在預(yù)測結(jié)果中，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敼?jié)點才會將其采集至IJ的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。這可以理解為，控制器將其預(yù)測的結(jié)果發(fā)送給相關(guān)的控制節(jié)點，控制節(jié)點再根據(jù)控制器的預(yù)測結(jié)果，向預(yù)測結(jié)果中的會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敼?jié)點發(fā)出廣播，當(dāng)這些被預(yù)測中的傳輸節(jié)點收到廣播后，將其數(shù)據(jù)直接(不通過控制節(jié)點)傳輸給控制器。
[0029]請參考圖1，在圖1所示的一個示意性的實施例中，所有的節(jié)點被分成四個簇，每個簇中設(shè)置有一個控制節(jié)點A、B、C和D，這些控制節(jié)點分別與控制器通訊連接。顯然，簇的個數(shù)并不限于圖1所示的實施例中的情形，而是可以根據(jù)上述的原則確定。
[0030]由于控制節(jié)點只向預(yù)測的預(yù)測結(jié)果中出現(xiàn)的傳輸節(jié)點進行廣播，因而，避免了傳感節(jié)點的長時間監(jiān)聽數(shù)據(jù)傳輸引發(fā)的能量消耗，從而在傳輸時延存在的前提下，加強了傳輸節(jié)點的能量控制，有效的數(shù)據(jù)流預(yù)測避免了因節(jié)點能量不足帶來的傳輸中斷，縮短了整體的傳輸路徑，高效的節(jié)點能量控制延長了整個傳感網(wǎng)絡(luò)使用壽命。
[0031]優(yōu)選地，預(yù)測控制策略是通過下述方式構(gòu)建的:每個采樣時刻，將每個傳輸節(jié)點的傳輸量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，將傳感器采樣數(shù)據(jù)量作為系統(tǒng)輸入，以建立傳輸網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間描述；通過在狀態(tài)空間描述下求解最小目標(biāo)函數(shù)獲得最優(yōu)傳輸途徑在未來一段時域內(nèi)每個傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流的預(yù)測值。顯然，預(yù)測控制策略也可以通過本領(lǐng)域的其他技術(shù)手段，例如ARMA(自回歸移動平均模型)等來構(gòu)建，并不建于本發(fā)明中所列舉的方式，只要能夠起到預(yù)測的作用即可。
[0032]優(yōu)選地，請參考圖2，本方法還包括:根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸流的預(yù)測誤差，對預(yù)測進行誤差補償。