動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，具體是一種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸媒介的不同，可W分為有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)控制 系統(tǒng)，由于無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方便性、組網(wǎng)和維護(hù)的便利性，使無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛， 從而出現(xiàn)了全部基于無線信道進(jìn)行通信的控制系統(tǒng)，即無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。采用無線網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行通信可W免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構(gòu)建費(fèi)用和維護(hù)成本，還可W滿足一些特 殊場合的需要，增強(qiáng)系統(tǒng)的組成靈活性。
[0003]由于無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的該些特點(diǎn)，使得其非常適合被用于情況復(fù)雜、條件惡劣 等特殊環(huán)境，現(xiàn)有的研究和應(yīng)用大多集中在將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)用于能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的領(lǐng)域中， 例如汽車、機(jī)器人、樓宇智能、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)及實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)制造等復(fù)雜控制過程中。
[0004] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然最近幾年發(fā)展迅速，但要達(dá)到能夠成熟應(yīng)用的目的，有 些關(guān)鍵技術(shù)還有待商権，例如節(jié)點(diǎn)定位和位置預(yù)測問題。通常情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)大都部署 在人員不方便達(dá)到的地方或者危險(xiǎn)區(qū)域，由于不能給所有的移動節(jié)點(diǎn)設(shè)備配備GPS，或者出 于經(jīng)濟(jì)上的考慮，基建設(shè)施較少，該樣網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置不能事先確定，而當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變 時(shí)，節(jié)點(diǎn)的位置信息就更無法控制，該就給節(jié)點(diǎn)的定位和跟蹤研究帶來了困難。而WSN的大 量應(yīng)用都需要W獲得無線節(jié)點(diǎn)的位置信息為前提。因此，移動節(jié)點(diǎn)的定位W及位置預(yù)測研 究就成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個首要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于從動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，利用時(shí)間序列分析對 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行位置預(yù)測的方法。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方 法，步驟如下：
[0007] 第一步，采用K均值聚類算法使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)均勻分布；
[0008] 第二步，對每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的位置坐標(biāo)進(jìn)行采樣，獲取該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的運(yùn)動速度 矢量在X軸方向和Y軸方向的投影速度，計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)；
[0009]第H步，利用時(shí)間序列分析的方法W該節(jié)點(diǎn)的前M步為樣本進(jìn)行建模，預(yù)測節(jié)點(diǎn) 未來N步的位置坐標(biāo)，計(jì)算相對誤差得到預(yù)測的準(zhǔn)確率、誤檢率和漏檢率；
[0010] 第四步，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中可能成為路由的節(jié)點(diǎn)。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)；（1)在對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置預(yù)測時(shí) 不需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的支持，僅需要一段時(shí)間內(nèi)的位置坐標(biāo)。（2)對動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的節(jié) 點(diǎn)運(yùn)動進(jìn)行分解，綜合考慮速度誤差和角度誤差。（3)利用時(shí)間序列分析的方法對節(jié)點(diǎn)位置 進(jìn)行建模，對未來時(shí)刻的坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。（4)比較不同節(jié)點(diǎn)通信半徑情況下，預(yù)測準(zhǔn)確率、誤 檢率和漏檢率，并預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中可能成為路由的節(jié)點(diǎn)，對其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，維護(hù)動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò) 的健壯性。
【附圖說明】
[0012] 圖1為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0013] 圖2為節(jié)點(diǎn)運(yùn)動分解圖。
[0014] 圖3為節(jié)點(diǎn)110步運(yùn)動軌跡。
[001引 圖4為ADF檢驗(yàn)圖。
[0016] 圖5為兩次差分后ADF檢驗(yàn)圖。
[0017] 圖6為平穩(wěn)序列相關(guān)性檢驗(yàn)。
[0018] 圖7為節(jié)點(diǎn)通信范圍。
[0019] 圖8為不同通信半徑下動態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測準(zhǔn)確率對比圖。
[0020] 圖9為不同通信半徑下動態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤檢率對比圖。
[0021] 圖10為不同通信半徑下動態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測漏檢率對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本發(fā)明的原理過程如下：
[0023] 第一步，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布有很多拓?fù)湫问剑诜叫螀^(qū)域內(nèi)構(gòu)建初始網(wǎng)絡(luò)， 給定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的情況下，隨機(jī)拋撒節(jié)點(diǎn)時(shí)使用K均值聚類算法，合理控制節(jié)點(diǎn)的疏密和間 距，獲得每個節(jié)點(diǎn)的初始位置坐標(biāo)；
[0024] 第二步，對平面中運(yùn)動的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，W初始位置為起點(diǎn)，朝X軸正方向運(yùn)動，同時(shí) WX軸為主軸，方向限定在一定范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動，將節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度矢量分解為水平和垂直 兩個方向，并同時(shí)考慮運(yùn)動誤差和方向誤差，對節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度進(jìn)行修正；
[00巧]第H步，獲取節(jié)點(diǎn)K步運(yùn)動位置坐標(biāo)，W前M步運(yùn)動坐標(biāo)為樣本，分別對X方向和Y方向進(jìn)行時(shí)間序列建模，并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，利用建立好的模型預(yù)測節(jié)點(diǎn)未來N步位置坐標(biāo)， 用相對誤差來衡量預(yù)測結(jié)果；
[0026] 第四步，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信半徑，從預(yù)測準(zhǔn)確率、誤檢率、漏檢率來評價(jià)預(yù) 測結(jié)果的優(yōu)劣，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)，并對其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028] 本發(fā)明從動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，利用時(shí)間序列分析對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn) 行位置預(yù)測的方法，具體步驟如下：
[0029] 第一步，構(gòu)建初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0030] 利用K均值聚類算法在大小為lOOmX100m的方形區(qū)域內(nèi)構(gòu)建初始網(wǎng)絡(luò)，使其均勻 分布，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為500,并獲取500個節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，如圖1所示。
[0031] 第二步，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)運(yùn)動分解
[0032] 在構(gòu)建好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，獲取每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的X軸方向和Y軸方向的投影速 度，橫向上朝X軸正方向進(jìn)行運(yùn)動，同時(shí)WX軸為中也，運(yùn)動方向限定在正負(fù)0度，本文選 取0 = 5°，如圖2所示。t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置為0(Xt，yt)，速度矢量為i；，則1砂后節(jié)點(diǎn) 的位置會落在wo為圓也，為半徑的圓弧上，例如點(diǎn)B(Xw，yw)，在X軸上的投影為C。則
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方法，其特征在于： 第一步，采用K均值聚類算法使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)均勻分布； 第二步，對每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的位置坐標(biāo)進(jìn)行采樣，獲取該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的運(yùn)動速度矢量? 在X軸方向和Y軸方向的投影速度，計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)； 第三步，利用時(shí)間序列分析的方法以該節(jié)點(diǎn)的前M步為樣本進(jìn)行建模，預(yù)測節(jié)點(diǎn)未來N 步的位置坐標(biāo)，計(jì)算相對誤差得到預(yù)測的準(zhǔn)確率、誤檢率和漏檢率； 第四步，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中可能成為路由的節(jié)點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方法，其特征在于：所 述步驟二的過程如下：對每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的位置坐標(biāo)進(jìn)行采樣，設(shè)節(jié)點(diǎn)橫向上朝X軸正 方向進(jìn)行運(yùn)動，同時(shí)以X軸為中心，正負(fù)Θ度進(jìn)行運(yùn)動，Θ選自3°~8°之間，設(shè)節(jié)點(diǎn)的 速度誤差服從均值為Pl、方差為1的高斯分布，角度誤差服從-Θ到Θ的均勻分布，則該節(jié) 點(diǎn)當(dāng)前的運(yùn)動速度矢量-在X軸方向的投影速度為(+ η·;.) · cos(0 + 在Y軸方向的投影 速度為
；節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)為：
其中xt、yt為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，xt+1、yt+1為t+Ι時(shí)刻節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，w v、W0分別代表節(jié)點(diǎn)的 速度誤差和角度誤差。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方法，其特征在于：所 述步驟三的具體過程如下： 利用節(jié)點(diǎn)前M步位置坐標(biāo)為樣本，檢驗(yàn)前M步位置坐標(biāo)的平穩(wěn)分布，建立自回歸滑動平 均模型：
式中，參數(shù)c為常數(shù)；Φ i，Φ2，…，Φρ是自回歸模型系數(shù)；p為自回歸模型的階數(shù)； 0i，02，…，^是^!階移動平均模型的系數(shù)；％是均值為0,方差為〇 2的白噪聲；進(jìn)行參 數(shù)P、q的辨識，獲得目標(biāo)的準(zhǔn)確模型； 改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信半徑，對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接情況進(jìn)行預(yù)測，對同一節(jié)點(diǎn)的 同一通信半徑，處于真實(shí)通信半徑范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集合定義為A，處于預(yù)測通信半徑范圍內(nèi)的 節(jié)點(diǎn)集合定義為B，將準(zhǔn)確率定義為
漏檢率 定義為
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方法，其特征在于：所 述步驟四的具體過程如下：改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信半徑，統(tǒng)計(jì)在每個節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)能建立 的連接數(shù)，也就是該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)度大的節(jié)點(diǎn)就有可能起路由節(jié)點(diǎn)的功能。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測方法。采用時(shí)間序列分析的方法，對移動節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行建模分析。首先將節(jié)點(diǎn)群的運(yùn)動速度分解為水平和垂直兩個方向，獲取一段時(shí)間內(nèi)水平和垂直方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)分為樣本集和測試集，對樣本中的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和參數(shù)估計(jì)，建立合適的ARIMA模型。然后對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測，從不同角度對網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，針對網(wǎng)絡(luò)中可能成為路由的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，能夠很好的維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
【IPC分類】H04W84-18, H04W64-00
【公開號】CN104754733
【申請?zhí)枴緾N201310751958
【發(fā)明人】張捷, 呂明, 薄煜明, 郭鵬飛, 杜國平, 洪廣平, 朱巖, 鄒衛(wèi)軍, 朱建良, 王向明, 趙高鵬, 陶德進(jìn), 朱凱
【申請人】南京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月31日