[發(fā)明專利]一種基于水下邊緣設(shè)備的兩級雙向預(yù)測獲取數(shù)據(jù)方法

有效

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• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN110602723B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王田;趙丹;蔡紹濱;王盼;盧煜成;柯浩雄
• 申請（專利權(quán)）人: 華僑大學(xué)
• 主分類號: H04W24/00
• 分類號: H04W24/00;H04W24/06;H04B13/02
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;林燕玲

一種基于水下邊緣設(shè)備的兩級雙向預(yù)測獲取數(shù)據(jù)方法，通過將計算從集中式云層轉(zhuǎn)移到分布式邊緣層，構(gòu)建底層?邊緣?云三層數(shù)據(jù)收集模式。利用水下邊緣設(shè)備的移動性和計算能力進(jìn)行基于歷史信息的分析預(yù)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的前提下有效減少聲波通信，減少傳感器能耗。考慮到異構(gòu)設(shè)備的差異化能力，對邊緣層與底層這兩層節(jié)點采用不同的預(yù)測算法，將水下數(shù)據(jù)收集過程轉(zhuǎn)化為兩級雙向數(shù)據(jù)預(yù)測過程的方法。該發(fā)明可以應(yīng)用在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集機(jī)制中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)收集領(lǐng)域，特別是指一種基于水下邊緣 設(shè)備的兩級雙向預(yù)測獲取數(shù)據(jù)方法。

背景技術(shù)

近年來，由于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋能源勘測、環(huán)境指標(biāo)檢測、軍事 監(jiān)視和海洋災(zāi)害事件監(jiān)測等方面廣泛應(yīng)用，因此國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。水下勘 測等應(yīng)用的技術(shù)與時俱進(jìn)，所檢測的數(shù)據(jù)種類愈加繁復(fù)，如水下溫度、鹽度、 含氧度、酸堿度、CO₂、P等等元素物質(zhì)濃度，采集的數(shù)據(jù)值冗長且復(fù)雜。海洋 底層傳感器節(jié)點的電池更換或者充電代價較大，且水下聲波傳輸速率低(一般≤ 100kbps)，隨著距離的增加，逐漸削減至零。當(dāng)傳感器節(jié)點在單位時間內(nèi)所收 集到數(shù)據(jù)需交付至匯聚節(jié)點時，需經(jīng)過多跳路由，耗費大量能耗，且可能會引 起網(wǎng)絡(luò)擁塞，造成延遲等問題，降低網(wǎng)絡(luò)生命周期。因此如何在水下數(shù)據(jù)收集過程中及時將數(shù)據(jù)交付至云端，同時盡量使網(wǎng)絡(luò)能量消耗最小化是一個亟待解 決的問題。

在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式包括采用多跳路由(Multi-Hop) 或者基于AUV協(xié)同多跳路由(AUV-aided Multi-Hop)。但現(xiàn)在許多研究人員提 出了不同的數(shù)據(jù)采集方法，如監(jiān)測感知收集數(shù)據(jù)、預(yù)測感知收集數(shù)據(jù)等。傳統(tǒng) 收集方法中成員節(jié)點將網(wǎng)關(guān)節(jié)點與最短路徑相關(guān)聯(lián)，并通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點將數(shù)據(jù)包 傳遞給AUV或者下一跳節(jié)點，該方法雖在一定程度上降低節(jié)點的能耗，但也容 易造成熱區(qū)問題。而基于事件覆蓋檢測的感官數(shù)據(jù)采集技術(shù)(SDA)，單個傳感器 節(jié)點很可能在設(shè)備或系統(tǒng)上反映錯誤或異常，它考慮到這一點，設(shè)定只有當(dāng)相 鄰的傳感器節(jié)點集體檢測到可能事件的發(fā)生時，才會將這些傳感器節(jié)點的感知 數(shù)據(jù)采集并路由到匯聚節(jié)點。該策略避免了可能不利于事件檢測的感知數(shù)據(jù)不 必要的路由，降低了能耗，增加了網(wǎng)絡(luò)容量。但這種預(yù)測僅用于判斷突發(fā)事件 時，可以為網(wǎng)絡(luò)節(jié)能，無法用于每個時間點的數(shù)據(jù)傳輸。基于線性預(yù)測方法數(shù) 據(jù)收集技術(shù)(DBP)，特點集中體現(xiàn)在對新數(shù)據(jù)的處理。它的核心思想是利用一 種簡單的模型去捕獲數(shù)據(jù)變化趨勢，并以一種彈性規(guī)則去計算同時處理存在的 干擾，需要在擁有傳感器節(jié)點采集歷史數(shù)據(jù)作為樣本的前提下，使用者可以改 變參數(shù)控制模型，比如選擇使用短期或者長期歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行訓(xùn)練。但DBP的 預(yù)測精確度是較低的，當(dāng)數(shù)據(jù)呈在短期線性規(guī)律時，適合采用此算法，因此它具有局限性。

總的來說，上述這些技術(shù)普遍存在以下缺點。其一，普遍的預(yù)測模型一般 應(yīng)用于陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測算法與水下傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的研究人員較 少，因此無法根據(jù)水下環(huán)境的特殊性以及采集對象的特性，分析出合適的模型， 選取合適的預(yù)測算法。其二、針對水下節(jié)點的計算能力薄弱、存儲能量小以及 無法及時交付數(shù)據(jù)至云層的問題，目前仍沒有比較好的解決辦法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提出一種基于水下邊 緣設(shè)備的兩級雙向預(yù)測獲取數(shù)據(jù)方法，保證了預(yù)測值的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于水下邊緣設(shè)備的兩級雙向預(yù)測獲取數(shù)據(jù)方法，其特征在于，包括 如下步驟：

1)底層的傳感器節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并發(fā)送傳輸請求信號至AUV；

2)AUV與底層傳感器節(jié)點之間建立第一級雙向預(yù)測-指數(shù)平滑預(yù)測；AUV與 底層傳感器節(jié)點分別根據(jù)時間序列的數(shù)據(jù)有無季節(jié)性或趨勢成分，對指數(shù)平滑 的次數(shù)進(jìn)行選擇，并預(yù)測，預(yù)測結(jié)束后，底層傳感器將得到的預(yù)測值與實際采 集值進(jìn)行比對，并將比對結(jié)果發(fā)送至AUV，AUV根據(jù)比對結(jié)果對不符合預(yù)期的預(yù) 測值進(jìn)行校正，更新正確的數(shù)據(jù)值，得到預(yù)測收集的數(shù)據(jù)；