CN113328815B - 一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,包括以下步骤:1)训练阶段:获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;分别使用小时间窗口和大时间窗口对收包率PRR进行统计,获得PRR序列,其中大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口;以小时间窗口PRR历史序列为输入,以大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,训练和构建预测模型;2)运行阶段:获取小时间窗口PRR历史序列;将小时间窗口PRR历史序列作为预测模型的输入,预测得到包含历史和未来小时间窗口的大时间窗口的PRR预测值。本发明通过消除物理层参数映射引入的误差,在不降低链路质量预测敏捷性的前提下,能够实现更为准确的PRR预测。
Description
技术领域
本发明属于无线通信和网络技术领域,具体涉及一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法。
背景技术
为了辅助上层协议选择更好的链路进行传输,有效提高无线网络的传输效率,实时、准确的链路质量预测是非常必要的。收包率PRR是最直接的链路质量指标,但直接使用PRR统计值进行链路质量预测的敏捷性较差。通过对物理层参数进行预测,再根据相应参数与PRR的映射模型对链路质量进行评估可以有效解决这一问题。然而,无线信道的实际传播特性导致物理层参数与PRR之间的映射模型通常存在较大的误差:一方面,物理层参数是随机的,它们与PRR之间不存在一一对应的映射关系;另一方面,环境变化和硬件不同也会对映射模型产生影响,即使是工作在同一网络的节点,其映射模型都可能不完全一致。这种映射误差与物理层参数的预测误差相叠加,会严重降低PRR预测的准确性和可靠性。因此,有必要提出一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,在不降低链路质量预测敏捷性的前提下,通过消除物理层参数映射引入的误差实现更为准确的PRR预测。
为了实现本发明的目的,本发明所述的一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,包括:
训练阶段:获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;分别使用小时间窗口和大时间窗口对PRR进行统计,获得PRR序列,其中大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口;以小时间窗口PRR历史序列为输入,以大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,训练和构建预测模型;
运行阶段:获取小时间窗口PRR历史序列;将小时间窗口PRR历史序列作为预测模型的输入,预测得到包含历史和未来小时间窗口的大时间窗口的PRR预测值。
可选地,小时间窗口的长度为n,大时间窗口的长度为N,且N为n的整数倍;大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口。
可选地,所述训练阶段的流程包括:
(S11)获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;
(S12)分别使用小时间窗口n和大时间窗口N对PRR进行统计,获得小时间窗口PRR序列{prr1,prr2,...,prri,...,prrM}和大时间窗口PRR序列{PRR1,PRR2,...,PRRq,...,PRRR};
其中,M为小时间窗口PRR序列的样本总数,R为大时间窗口PRR序列的样本总数;第i个小时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,ni为第i个小时间窗口成功接收的数据包个数;
第q个大时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,Nq为第q个大时间窗口成功接收的数据包个数;
(S13)以m个小时间窗口PRR历史序列为输入,对应的大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,对预测模型进行训练;
(S14)当预测模型输出的误差目标函数小于训练目标阈值时,训练结束,获取并保存预测模型参数。
可选地,所述运行阶段的流程包括:
(S21)构建空的PRR序列X={};
(S22)每隔小时间窗口n对PRR进行统计,得到当前小时间窗口的PRR=Xc;
(S23)更新小时间窗口PRR序列;
(S23-1)如果小时间窗口PRR序列长度小于m,将Xc直接添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={X1,X2,...,Xc};
(S23-2)如果小时间窗口PRR序列长度等于m,则删除最早的小时间窗口PRR,并将Xc添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={Xc-m+1,Xc-m+2,...,Xc};
(S24)对大时间窗口PRR进行预测;
(S24-1)如果小时间窗口PRR序列长度小于m,对小时间窗口PRR序列X={X1,X2,...,Xc}取均值,作为对应大时间窗口的PRR预测值,即:
(S24-2)如果小时间窗口PRR序列长度等于m,则运行预测模型,将小时间窗口PRR序列作为预测模型的输入,得到对应大时间窗口的PRR预测值。
可选地,所述预测模型采用循环神经网络、小波神经网络、BP神经网络、随机森林、逻辑回归、支持向量机和AdaBoost中的其中一种进行训练。
本发明具有以下优点:在不降低链路质量预测敏捷性的前提下,通过消除物理层参数映射引入的误差实现更为准确的PRR预测。
附图说明
图1为本发明所述方法的结构框图;
图2为本发明所述方法训练阶段的流程图;
图3为本发明所述方法运行阶段的流程图;
图4为本发明所述方法中小时间窗口与大时间窗口的依赖关系图;
图5为实施例的结构框图;
图6为实施例训练阶段的流程图;
图7为实施例运行阶段的流程图;
图8为实施例中小时间窗口与大时间窗口的时间依赖关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的说明。
本实施例中,一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,包括:
第一阶段:训练阶段,其流程如图2所示,获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;分别使用小时间窗口和大时间窗口对PRR进行统计,获得PRR序列,其中大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口;以小时间窗口PRR历史序列为输入,以大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,训练和构建预测模型。
第二阶段:运行阶段,其流程如图1和图3所示,获取小时间窗口PRR历史序列;将小时间窗口PRR历史序列作为预测模型的输入,预测得到包含历史和未来小时间窗口的大时间窗口的PRR预测值。
本实施例中,小时间窗口的长度为n,大时间窗口的长度为N,且N为n的整数倍;大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口,其依赖关系如图4所示。
本实施例中,一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,如图2所示,其训练阶段的流程包括:
(S11)获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;
(S12)分别使用小时间窗口n和大时间窗口N对PRR进行统计,获得小时间窗口PRR序列{prr1,prr2,...,prri,...,prrM}和大时间窗口PRR序列{PRR1,PRR2,...,PRRq,...,PRRR};
其中,M为小时间窗口PRR序列的样本总数,R为大时间窗口PRR序列的样本总数。
本实施例中,第i个小时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,ni为第i个小时间窗口成功接收的数据包个数;
本实施例中,第q个大时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,Nq为第q个大时间窗口成功接收的数据包个数;
(S13)以m个小时间窗口PRR历史序列为输入,对应的大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,对预测模型进行训练;
(S14)当预测模型输出的误差目标函数小于训练目标阈值时,训练结束,获取并保存预测模型参数。
本实施例中,一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,如图3所示,其运行阶段的流程包括:
(S21)构建空的PRR序列X={};
(S22)每隔小时间窗口n对PRR进行统计,得到当前小时间窗口的PRR=Xc;
(S23)更新小时间窗口PRR序列;
(S23-1)如果小时间窗口PRR序列长度小于m,将Xc直接添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={X1,X2,...,Xc};
(S23-2)如果小时间窗口PRR序列长度等于m,则删除最早的小时间窗口PRR,并将Xc添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={Xc-m+1,Xc-m+2,...,Xc};
(S24)对大时间窗口PRR进行预测;
(S24-1)如果小时间窗口PRR序列长度小于m,对小时间窗口PRR序列X={X1,X2,...,Xc}取均值,作为对应大时间窗口的PRR预测值,即:
(S24-2)如果小时间窗口PRR序列长度等于m,则运行预测模型,将小时间窗口PRR序列作为预测模型的输入,得到对应大时间窗口的PRR预测值。
本实施例中,一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,所述预测模型采用循环神经网络、小波神经网络、BP神经网络、随机森林、逻辑回归、支持向量机和AdaBoost中的其中一种进行训练。
以下以实例对本方法进行详细的说明。如图5所示,选用循环神经网络RNN,对本方法所述预测模型进行训练。小时间窗口长度设为10,大时间窗口长度设为100,其依赖关系如图8所示,即大时间窗口包含的历史和未来小时间窗口的总数为10。
如图6所示,训练阶段的流程包括:
(1)在目标应用环境下,获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;
(2)分别使用小时间窗口10和大时间窗口100对PRR进行统计,获得小时间窗口PRR序列{prr1,prr2,...,prri,...,prrM}和大时间窗口PRR序列{PRR1,PRR2,...,PRRq,...,PRRR};
其中,M为小时间窗口PRR序列的样本总数,R为大时间窗口PRR序列的样本总数。
第i个小时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,ni为第i个小时间窗口成功接收的数据包个数。
第q个大时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,Nq为第q个大时间窗口成功接收的数据包个数。
(3)以m个小时间窗口PRR历史序列为输入,对应的大时间窗口PRR为输出,使用循环神经网络算法进行预测模型训练。循环神经网络的输入层神经元个数为p1,输出层神经元个数为p3,隐藏层神经元个数p2计算如下:
设定期望的训练目标阈值为goal_error。
(3a)权重初始化:设置输入层到隐藏层的权值为ωrj=rand(p1,p2),隐藏层到输出层的权值为ωjk=rand(p2,p3)。
(3b)神经元节点初始化:第j个隐藏层神经元h(j)的初始化设置为:
h(j)=zeros(1,p2),j=1,2,...,p2;
第k个输出层神经元y(k)的初始化为:
y(k)=zeros(1,p3),k=1,2,...,p3。
(3c)训练预测模型:依次输入第t个至第t+m-1个训练输入样本,循环神经网络预测模型开始训练。此时,第j个隐藏层神经元的输入netj(t)为:
第j个隐藏层神经元的输出hj(t)为:
hj(t)=f(netj(t));
其中:xd表示当前时刻的输入样本;hl(t-1)表示上一时刻隐藏层的输出;ujl表示当前隐藏层神经节点j与上一时刻隐藏层神经节点l之间的连接权重;f表示隐藏层的传递函数,设置为Sigmoid函数,其表达式为:
第k个输出层神经元的输入netk(t)为:
(3d)计算误差目标函数:所述误差目标函数E为:
(3e)当误差目标函数大于训练目标阈值时,即E>goal_error,则采用梯度下降算法,以从后向前(即从输出层到隐藏层,再到输入层)的方向逐层修正步骤3a中的相关权值并更新权值。
(3f)更新一个训练输入样本,并重复步骤3c~3e,直到E<goal_error为止。
(4)当预测模型输出的误差目标函数小于训练目标阈值时,即E<goal_error,训练结束,获取并保存预测模型参数。
如图7所示,运行阶段的流程包括:
(5)构建空的PRR序列X={};
(6)每隔小时间窗口10对PRR进行统计,得到当前小时间窗口的PRR=Xc;
(7)更新小时间窗口PRR序列;
(7a)如果小时间窗口PRR序列长度小于10,将Xc直接添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={X1,X2,...,Xc};
(7b)如果小时间窗口PRR序列长度等于10,则删除最早的小时间窗口PRR,并将Xc添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={Xc-9,Xc-8,...,Xc};
(8)对大时间窗口PRR进行预测;
(8a)如果小时间窗口PRR序列长度小于10,对小时间窗口PRR序列X={X1,X2,...,Xc}取均值,作为对应大时间窗口的PRR预测值,即:
(8b)如果小时间窗口PRR序列长度等于10,则运行预测模型,将小时间窗口PRR历史序列作为预测模型的输入,得到对应大时间窗口的PRR预测值。
本方法直接采用小时间窗口PRR历史序列作为输入构建预测模型,实现对包含历史和未来小时间窗口的大时间窗口PRR的准确预测。相比于现有对物理层参数进行预测,再根据相应物理层参数与PRR之间的映射模型对链路质量进行评估的方法,本方法能够避免映射模型引入的误差,且不以降低链路质量的敏捷性为代价,同时兼顾了准确性和敏捷性要求。
Claims (5)
1.一种消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,其特征在于,包括:
训练阶段:获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;分别使用小时间窗口和大时间窗口对PRR进行统计,获得PRR序列,其中大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口;以小时间窗口PRR历史序列为输入,以大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,训练和构建预测模型;
运行阶段:获取小时间窗口PRR历史序列;将小时间窗口PRR历史序列作为预测模型的输入,预测得到包含历史和未来小时间窗口的大时间窗口的PRR预测值。
2.根据权利要求1所述的消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,其特征在于:小时间窗口的长度为n,大时间窗口的长度为N,且N为n的整数倍;大时间窗口涵盖多个历史和未来小时间窗口。
3.根据权利要求2所述的消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,其特征在于:所述训练阶段的流程包括:
(S11)获取长时间的、涵盖多种链路质量的链路实测数据;
(S12)分别使用小时间窗口n和大时间窗口N对PRR进行统计,获得小时间窗口PRR序列{prr1,prr2,...,prri,...,prrM}和大时间窗口PRR序列{PRR1,PRR2,...,PRRq,...,PRRR};
其中,M为小时间窗口PRR序列的样本总数,R为大时间窗口PRR序列的样本总数;
第i个小时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,ni为第i个小时间窗口成功接收的数据包个数;
第q个大时间窗口的PRR的计算公式为:
其中,Nq为第q个大时间窗口成功接收的数据包个数;
(S13)以m个小时间窗口PRR历史序列为输入,对应的大时间窗口PRR为输出,采用机器学习算法,对预测模型进行训练;
(S14)当预测模型输出的误差目标函数小于训练目标阈值时,训练结束,获取并保存预测模型参数。
4.根据权利要求2或3所述的消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,其特征在于:所述运行阶段的流程包括:
(S21)构建空的PRR序列X={};
(S22)每隔小时间窗口n对PRR进行统计,得到当前小时间窗口的PRR=Xc;
(S23)更新小时间窗口PRR序列;
(S23-1)如果小时间窗口PRR序列长度小于m,将Xc直接添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={X1,X2,...,Xc};
(S23-2)如果小时间窗口PRR序列长度等于m,则删除最早的小时间窗口PRR,并将Xc添加到当前小时间窗口PRR序列,更新后的小时间窗口PRR序列为X={Xc-m+1,Xc-m+2,...,Xc};
(S24)对大时间窗口PRR进行预测;
(S24-1)如果小时间窗口PRR序列长度小于m,对小时间窗口PRR序列X={X1,X2,...,Xc}取均值,作为对应大时间窗口的PRR预测值,即:
(S24-2)如果小时间窗口PRR序列长度等于m,则运行预测模型,将小时间窗口PRR序列作为预测模型的输入,得到对应大时间窗口的PRR预测值。
5.根据权利要求4所述的消除映射误差的无线链路质量敏捷预测方法,其特征在于:所述预测模型采用循环神经网络、小波神经网络、BP神经网络、随机森林、逻辑回归、支持向量机和AdaBoost中的其中一种进行训练。
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