本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域，尤其涉及一種基于HH-VBF(HOP-BY-HOP VECTOR-BASED FORWARDING逐跳矢量轉(zhuǎn)發(fā))的時間序列預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于位置信息的無線網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計憑借其無狀態(tài)輕量級的優(yōu)勢占據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計的主導(dǎo)地位。其中，最著名的算法莫過于一系列基于VBF(矢量轉(zhuǎn)發(fā))協(xié)議開發(fā)的算法。

但是，現(xiàn)在的一系列算法僅是單純的路由算法，沒有涉及主導(dǎo)路由選擇的關(guān)鍵因素。這些因素包括，節(jié)點(diǎn)能耗、底層信道狀況等，直接影響到路徑選擇的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于HH-VBF的時間序列預(yù)測方法，本發(fā)明用于解決在鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定、高丟包率等惡劣無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)的尋路問題，詳見下文描述：

一種基于HH-VBF的時間序列預(yù)測方法，所述時間序列預(yù)測方法包括以下步驟：

節(jié)點(diǎn)X是虛擬管道中經(jīng)過MHH-VBF驗(yàn)證的合法節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)Y是節(jié)點(diǎn)X的相鄰節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)Y的影響指標(biāo)包括：鏈路質(zhì)量狀態(tài)與剩余能量；

對于加權(quán)移動平均法，根據(jù)數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間，賦予最近的IF值以較大的權(quán)重；

對于指數(shù)平滑法，通過平滑歷史觀測值曲線來預(yù)測時間序列的下一個值，并假定序列的極值代表了隨機(jī)波動，利用收集的數(shù)據(jù)預(yù)測未知的值；

如果節(jié)點(diǎn)IF的估計值大于閾值TD，該節(jié)點(diǎn)就是推薦的節(jié)點(diǎn)。

所述節(jié)點(diǎn)Y的影響指標(biāo)具體為：

IF＝λSNR×(1-λ)RE (1)

在公式(1)中，SNR是節(jié)點(diǎn)Y的信噪比，RE是節(jié)點(diǎn)Y的剩余能量，系數(shù)λ是權(quán)重，用于平衡鏈路狀態(tài)與剩余能量。

所述對于加權(quán)移動平均法，根據(jù)數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間，賦予最近的IF值以較大的權(quán)重的形式化表示具體為：

在公式(2)中，IF_WMA(n+1)代表n次傳輸后IF的預(yù)測值，i代表傳輸次數(shù)，IF_i代表第n次傳輸?shù)挠^測值，系數(shù)β為恒定的平滑因子。

所述指數(shù)平滑法的形式化表示具體為：

在公式(3)中，IF_ES(n)代表使用指數(shù)平滑法來計算第n個節(jié)點(diǎn)的IF值，IF_ES(n-1)代表使用指數(shù)平滑法來計算第n-1個節(jié)點(diǎn)的IF值，IF(n-1)代表第n-1個節(jié)點(diǎn)的IF值，α代表數(shù)據(jù)平滑因子，n代表傳輸次數(shù)，IF(n)是第n次傳輸?shù)腎F值，公式(3)表明下一次的預(yù)測值是通過上一次的觀測值和已經(jīng)做出的上一次的預(yù)測值計算得到。

所述數(shù)據(jù)平滑因子α越接近1，平滑越粗糙，相應(yīng)地賦予最近的數(shù)據(jù)的權(quán)重越大；

所述數(shù)據(jù)平滑因子α越接近0，平滑效果越顯著，相應(yīng)地最近觀測值對預(yù)測結(jié)果的影響越小。

所述閾值TD具體為：

其中，IF_j代表第j個節(jié)點(diǎn)的IF值。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明提出了一組輕量級的分布式轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議即MHH-VBFs。它致力于解決在惡劣的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)能量有效的前提下的尋路問題，并且能夠適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換，具有良好的可擴(kuò)展性，健壯性與能量利用優(yōu)化性，其有益效果主要體現(xiàn)在以下三方面：

(1)MHH-VBFs內(nèi)置的預(yù)測算法十分有效，即使在十分惡劣的環(huán)境下(如高丟包率，節(jié)點(diǎn)密度稀疏，節(jié)點(diǎn)移動等)，依然能夠保持良好的成功率。

(2)預(yù)測模型的節(jié)能機(jī)制能夠顯著節(jié)約系統(tǒng)能量，延長系統(tǒng)壽命。

(3)MHH-VBFs算法保證了在稀疏網(wǎng)絡(luò)布局下數(shù)據(jù)包的穩(wěn)定傳輸率。

附圖說明

圖1為本系統(tǒng)的光路示意圖；

圖2為MHH-VBFS數(shù)據(jù)包頭附加的信息的示意圖；

圖3為MHH-VBFs協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖；

圖4為MHH-VBFS整體執(zhí)行的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明實(shí)施例主要解決以下問題：

(1)傳統(tǒng)的協(xié)議設(shè)計忽略了節(jié)點(diǎn)剩余能量這個關(guān)鍵因素。這種設(shè)計會因?yàn)橐恍┕?jié)點(diǎn)能量耗盡，無法進(jìn)行正常傳輸而影響數(shù)據(jù)包的傳輸率，甚至?xí)?dǎo)致較高的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)風(fēng)險。本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計的MHH-VBFs算法通過預(yù)測節(jié)點(diǎn)剩余能量，解決該問題，從而提高能量利用率。

(2)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)選擇機(jī)制的另外一個嚴(yán)重問題是節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)和接受數(shù)據(jù)包時，不管其相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量，而本發(fā)明實(shí)施例提出的MHH-VBF(MODIFIED HOP-BY-HOP VECTOR-BASED FORWARDING，修改的逐跳矢量轉(zhuǎn)發(fā))算法會根據(jù)鏈路質(zhì)量智能選擇其鄰居節(jié)點(diǎn)，尤其在惡劣的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，該策略會顯著提高數(shù)據(jù)包的傳輸率。

由于鏈路質(zhì)量和能源消耗都是可以預(yù)測的時間序列值，綜合兩項指標(biāo)，本發(fā)明實(shí)施例提供兩種版本的MHH-VBFs算法，一種是基于VBF的加權(quán)移動平均(WMA)預(yù)測法，另一種是基于VBF的指數(shù)平滑(ES)預(yù)測法。擁有合適位置，較多剩余能量和較高連接質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先用于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

其中，加權(quán)移動平均法(WMA)是根據(jù)同一個采樣窗口內(nèi)不同時間的數(shù)據(jù)對預(yù)測值的影響程度，分別賦予不同的權(quán)重，然后再進(jìn)行平均移動以預(yù)測未來，WMA算法對近期的趨勢反應(yīng)較為敏感，如果歷史數(shù)據(jù)有著明顯的階段性變化時，用加權(quán)移動平均法所得到的預(yù)測值會有偏差，此算法有著廣泛的應(yīng)用，如計算節(jié)點(diǎn)在特定時間段的移動，在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中評估包的傳輸成功率等。

其中，指數(shù)平滑法(ES)是一種預(yù)測時間序列波動的方法，此方法通過所有歷史觀測數(shù)據(jù)來預(yù)測時間序列的下一個值，因而能夠很好的彌補(bǔ)WMA算法受季節(jié)性影響的不足，ES算法能夠平滑數(shù)據(jù)集中的異常值，賦予不同時間序列點(diǎn)以不同的權(quán)重。這種算法假設(shè)最近的過去態(tài)勢，在某種程度上會持續(xù)到最近的未來，所以賦予最近的觀測值以較大的權(quán)重。ES算法作為標(biāo)準(zhǔn)的時間序列預(yù)測算法高效，且易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際生活中有廣泛的應(yīng)用，如IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)的時頻預(yù)測，無線傳感網(wǎng)絡(luò)資源利用的預(yù)測等。

本發(fā)明實(shí)施例將首次利用兩種算法針對無線網(wǎng)絡(luò)的時間序列狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而為跨層路徑選擇提供有效指導(dǎo)。

實(shí)施例1

本發(fā)明實(shí)施例提出了一組輕量級的跨層設(shè)計方法，在惡劣的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)能量有限，如何優(yōu)化路徑選擇，保證可靠傳輸，是本發(fā)明實(shí)施例的目標(biāo)所在。參加圖1，該方法包括以下步驟：

101：節(jié)點(diǎn)X是虛擬管道中經(jīng)過MHH-VBF驗(yàn)證的合法節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)Y是節(jié)點(diǎn)X的相鄰節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)Y的影響指標(biāo)包括：鏈路質(zhì)量狀態(tài)與剩余能量；

102：對于加權(quán)移動平均法，根據(jù)數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間，賦予最近的IF值以較大的權(quán)重；

103：對于指數(shù)平滑法，通過平滑歷史觀測值曲線來預(yù)測時間序列的下一個值，并假定序列的極值代表了隨機(jī)波動，利用收集的數(shù)據(jù)預(yù)測未知的值；

104：如果節(jié)點(diǎn)IF的估計值大于閾值TD，該節(jié)點(diǎn)就是推薦的節(jié)點(diǎn)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例利用時間序列數(shù)據(jù)預(yù)測算法，借鑒跨層協(xié)議設(shè)計思想，對底層信道狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)剩余能量的相關(guān)信息進(jìn)行綜合預(yù)測，然后將預(yù)測結(jié)果反饋給路由層，優(yōu)化路由選擇。

實(shí)施例2

下面結(jié)合具體的計算公式、實(shí)例對實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見下文描述：

201：節(jié)點(diǎn)定義；

給定一對相鄰節(jié)點(diǎn)X和Y，X是虛擬管道中經(jīng)過MHH(HOP-BY-HOP逐跳)-VBF驗(yàn)證的合法節(jié)點(diǎn)，Y是X的一個相鄰節(jié)點(diǎn)，Y節(jié)點(diǎn)的影響指標(biāo)(IF)包括：鏈路質(zhì)量狀態(tài)與剩余能量，它的形式化定義如公式(1)所示

IF＝λSNR×(1-λ)RE (1)

在公式(1)中，SNR是節(jié)點(diǎn)Y的信噪比，RE是節(jié)點(diǎn)Y的剩余能量，系數(shù)λ∈(0,1)是權(quán)重，用于平衡鏈路狀態(tài)與剩余能量。IF是SNR與RE的乘積。

一般情況下，λ的值設(shè)定為1/2。然而，如果應(yīng)用對于數(shù)據(jù)包的丟失相當(dāng)敏感，可以適當(dāng)分配λ較大的值，比如0.8。具體實(shí)現(xiàn)時，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的情況進(jìn)行設(shè)定，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。

202：時間序列預(yù)測；

其中，對于加權(quán)移動平均法(WMA)，根據(jù)數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間，賦予最近的IF值以較大的權(quán)重。其形式化表示如公式(2)：

在公式(2)中，IF_WMA(n+1)代表n次傳輸后IF的預(yù)測值，并且i∈(1，2，3...n-1)，代表傳輸次數(shù)。IF_i代表第n次傳輸?shù)挠^測值。系數(shù)β∈(0,1)，它是一個恒定的平滑因子，通過這個因子可以控制最近觀測值IF_n的權(quán)重。當(dāng)有一個新的IF_i出現(xiàn)時，IF_WMA(n+1)會遞歸地更新。

指數(shù)平滑法通過平滑歷史觀測值曲線來預(yù)測時間序列的下一個值，并假定序列的極值代表了隨機(jī)波動，其基本模式是利用收集的數(shù)據(jù)預(yù)測未知的值，指數(shù)平滑法的形式化描述如公式(3)所示：

在公式(3)中，IF_ES(n)代表使用指數(shù)平滑法來計算第n個節(jié)點(diǎn)的IF值，IF_ES(n-1)代表使用指數(shù)平滑法來計算第n-1個節(jié)點(diǎn)的IF值，IF(n-1)代表第n-1個節(jié)點(diǎn)的IF值，α屬于(0,1)代表數(shù)據(jù)平滑因子，n代表傳輸次數(shù)，IF(n)是第n次傳輸?shù)腎F值，公式(3)表明下一次的預(yù)測值是通過上一次的觀測值和已經(jīng)做出的上一次的預(yù)測值計算得到。α越接近1，平滑越粗糙，相應(yīng)地賦予最近的數(shù)據(jù)的權(quán)重越大；反之，α越接近0，平滑效果越顯著，相應(yīng)地最近觀測值對預(yù)測結(jié)果的影響越小。

203：節(jié)點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)。

給定一個節(jié)點(diǎn)和它的鄰居節(jié)點(diǎn)集N_b，此處，size(N_b)＝k代表其鄰居節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，并且j屬于N_b。則閾值(TD)

定義為該節(jié)點(diǎn)k個近鄰IF值的平均值，形式化表示如公式(4)所示：

其中，IF_j代表第j次傳輸?shù)挠^測值。本發(fā)明實(shí)施例認(rèn)為如果節(jié)點(diǎn)IF的估計值大于TD，那么該節(jié)點(diǎn)就是推薦的節(jié)點(diǎn)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例利用時間序列數(shù)據(jù)預(yù)測算法，借鑒跨層協(xié)議設(shè)計思想，對底層信道狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)剩余能量的相關(guān)信息進(jìn)行綜合預(yù)測，然后將預(yù)測結(jié)果反饋給路由層，優(yōu)化路由選擇。

實(shí)施例3

下面結(jié)合具體的實(shí)例、圖2、圖3和圖4對實(shí)施例1和2中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見下文描述：

本實(shí)施例以基于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包傳輸為例來給出實(shí)施方式，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中的作用和效果進(jìn)行展示，具體步驟如下：

(1)節(jié)點(diǎn)選擇階段

首先依據(jù)HH-VBF算法選擇入選節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)包頭的附加信息如圖2所示，NodeID用以標(biāo)識節(jié)點(diǎn)，Residual Energy代表剩余能量，SNR即為信噪比。MHH-VBFs協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，虛線表示節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，矩形框表示虛擬管道，每一個虛擬管道內(nèi)有許多節(jié)點(diǎn)，這一點(diǎn)繼承了HH-VBF的基于地理信息路徑選擇的優(yōu)點(diǎn)，為了判定哪一個節(jié)點(diǎn)適合傳輸數(shù)據(jù)包，進(jìn)入狀態(tài)預(yù)測階段。

(2)狀態(tài)預(yù)測階段

網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)定期與鄰居交換控制包，每個控制包攜帶有效的狀態(tài)信息。然而，控制包交換會產(chǎn)生能量消耗與網(wǎng)絡(luò)時延。每個傳輸周期持續(xù)15秒，其中包括3秒的控制包交換時間和12秒的數(shù)據(jù)傳輸時間。在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸復(fù)雜多變，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時，電量也會隨著減少，更新節(jié)點(diǎn)的剩余能量是非常必要的。在節(jié)點(diǎn)選擇階段，每一個節(jié)點(diǎn)都需要實(shí)時計算并更新它們自身的剩余能量、信噪比和相應(yīng)的影響因素IF值。利用本發(fā)明實(shí)施例提出的加權(quán)移動平均法或指數(shù)平滑法可以對收集的時間序列歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。然后得到虛擬管道中每個節(jié)點(diǎn)的IF值。

(3)確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

根據(jù)狀態(tài)預(yù)測結(jié)果，判定虛擬管道內(nèi)的每個節(jié)點(diǎn)，綜合考慮每個節(jié)點(diǎn)的地理位置信息和IF值，選擇最合適的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，如果所有經(jīng)過MHH-VBFs判斷為合格的節(jié)點(diǎn)都不在由HH-VBFs決定的虛擬通道中，此時數(shù)據(jù)包將會按照HH-VBFs所選擇的節(jié)點(diǎn)傳輸。如圖4顯示了MHH-VBFs的整體執(zhí)行流程，這種策略保證了數(shù)據(jù)包的可靠性，尤其是在稀疏網(wǎng)絡(luò)中，其優(yōu)勢更加明顯。

本發(fā)明實(shí)施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

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)。