專(zhuān)利名稱(chēng)：：基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到采用線性預(yù)測(cè)濾波器構(gòu)建虛擬傳感器來(lái)解決實(shí)吋傳感器信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膯?wèn)題，通過(guò)預(yù)測(cè)的方法來(lái)緩解山于網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的數(shù)據(jù)丟失、亂序和誤碼對(duì)實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)的破壞。本發(fā)明誠(chéng)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、計(jì)鉢機(jī)控制等領(lǐng)域的交叉技術(shù)。
背景技術(shù)：
：隨著電子通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)成為1『前科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實(shí)吋信號(hào)要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)的特性對(duì)用戶(hù)端獲得的信號(hào)特性具有重要影響。有效的實(shí)吋信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)是開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)引入的傳輸不確定性，如延時(shí)、數(shù)據(jù)幀丟失、單包與多包傳輸和網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題，不僅極大地影響了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性，也使基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)等要求實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。實(shí)時(shí)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯繉?duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。在對(duì)實(shí)吋傳感器信號(hào)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、用戶(hù)端使用特點(diǎn)詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，提出信號(hào)傳輸與使用分離的基本思路，并研發(fā)出基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。發(fā)送端優(yōu)化發(fā)送數(shù)據(jù)序列、接收端重建信號(hào)，對(duì)于接收端用戶(hù)信號(hào)像來(lái)自本地傳感器一樣使用。所有信號(hào)采集、傳輸、重建等過(guò)程引入的干擾或誤差都?xì)w結(jié)為這個(gè)虛擬本地傳感器的測(cè)量誤差指標(biāo)。其技術(shù)意義在于，用戶(hù)端應(yīng)用程序不必再直接關(guān)注信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)等過(guò)程可以直接使用傳統(tǒng)的方法。現(xiàn)在越來(lái)越多的系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)這樣一些網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)信號(hào)需要通過(guò)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸。但計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，尤其是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境可能出現(xiàn)信息傳輸延吋大、延時(shí)吋問(wèn)不確定、數(shù)據(jù)在傳輸中丟失、數(shù)據(jù)傳輸中出錯(cuò)、數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間錯(cuò)位等問(wèn)題。這些問(wèn)題對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)影響很大，系統(tǒng)本身功能特性與網(wǎng)絡(luò)特性耦合在一起，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析變得更為復(fù)雜，這是阻礙基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一大障礙。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，以緩解由于網(wǎng)絡(luò)不確定性對(duì)實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)傳輸造成的不良影響，特別是在互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。構(gòu)造一種全新的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸模型一發(fā)送4端僅發(fā)送支持信號(hào)重建的采樣點(diǎn)序列，接收端重建信號(hào)構(gòu)建這個(gè)信號(hào)的虛擬本地傳感器，用戶(hù)通過(guò)虛擬本地傳感器獲得信號(hào)。本發(fā)明上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合如下一種基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，發(fā)送端僅發(fā)送信號(hào)重建需要的采樣序列，在接收端利用線性預(yù)測(cè)濾波方法恢復(fù)接收到的采樣序列，并利用此序列重建源信號(hào)，山此構(gòu)建這個(gè)信號(hào)的虛擬本地傳感器，用戶(hù)通過(guò)對(duì)虛擬本地傳感器采樣獲得信號(hào)采樣估計(jì)值，具體歩驟包括a)發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同歩，利用多個(gè)[Tf]歩幀的平均往返時(shí)問(wèn)進(jìn)行發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘同歩；b)發(fā)送端發(fā)送采樣序列優(yōu)化在發(fā)送端根據(jù)采樣在接收端的恢復(fù)需要來(lái)確定是否發(fā)送，并進(jìn)行信道編碼；C)接收端采樣序列恢復(fù)處理接收端利川釆樣序3、時(shí)間戳和網(wǎng)絡(luò)傳輸吋問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)差判斷釆樣到達(dá)情況，并針對(duì)不同的情況采取相應(yīng)的恢復(fù)措施；d)接收端信號(hào)重建在恢復(fù)后的釆樣序列的基礎(chǔ)上，利用均勻采樣定理對(duì)源信號(hào)進(jìn)行重建，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，禾擁插值函數(shù)在用戶(hù)期望的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行插值，得到信號(hào)采樣估計(jì)值。本發(fā)明是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制中實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)較為平滑的特性，將線性預(yù)測(cè)濾波理論與信道編碼技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建虛擬本地傳感器系統(tǒng)，從而將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型的不確定性。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看(參閱圖1)，通過(guò)構(gòu)建虛擬本地傳感器，把信號(hào)的傳輸與使用分離。從用戶(hù)的角度看，網(wǎng)絡(luò)是透明的，遠(yuǎn)程傳感器信號(hào)好像是從一個(gè)虛擬的本地傳感器輸出一樣。將網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的不良影響轉(zhuǎn)化為本地虛擬傳感器信號(hào)的誤差。用戶(hù)不必考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)特性，而只需關(guān)注虛擬本地傳感器的輸出誤差。通過(guò)預(yù)測(cè)的方法緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸不確定性導(dǎo)致的不良后果，改善信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。虛擬本地傳感器誤差是山各種延時(shí)、傳輸錯(cuò)誤和計(jì)算處理造成的，包括發(fā)送端傳感器數(shù)據(jù)的量化誤差、接收端信號(hào)恢復(fù)的誤差和重建信號(hào)采樣量化的誤差等。造成實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)延時(shí)的原因有信號(hào)處理造成的延時(shí)(包括信號(hào)采樣、量化以及虛擬傳感器模型所引入的額外延時(shí))和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。由于本發(fā)明采用預(yù)測(cè)值來(lái)代替延遲的信號(hào)采樣值，所以從信號(hào)的使用角度來(lái)看是沒(méi)有延吋的，而延時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響轉(zhuǎn)化為傳感器的誤差。本發(fā)明的原理與信源信道聯(lián)合編碼技術(shù)類(lèi)似即首先甄別傳感器采樣信號(hào)，有選擇性地進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送的不再是用戶(hù)直接使用的數(shù)據(jù)，而是能無(wú)失真恢復(fù)源信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸量。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于對(duì)傳感器采樣信號(hào)進(jìn)行"壓縮"，其目的與信源編碼相同。然后對(duì)耍發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮斩?。最后由接收端進(jìn)行信道解碼，并利用已知源信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)和線性預(yù)測(cè)濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重建——"解壓縮"。用戶(hù)對(duì)重建后的信號(hào)進(jìn)行采樣后，得到期望時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)。本發(fā)明的核心思想是一方面采用線性預(yù)測(cè)濾波理論緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性造成的影響，并通過(guò)"壓縮"信號(hào)采樣提高通信效率；另一方面采用信道編碼技術(shù)保證通信的可靠性，當(dāng)然這種可靠性是通過(guò)增加冗余位來(lái)保證的。這就要求將上述兩種技術(shù)統(tǒng)一考慮，以達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的平衡。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方而，一個(gè)是優(yōu)化發(fā)送數(shù)據(jù)序列，減少數(shù)據(jù)傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)流量，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求或在同樣網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下提高了實(shí)時(shí)性和可靠性；二是使信號(hào)數(shù)據(jù)使用與信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸分離，使川戶(hù)不必直接關(guān)注信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸，只需在虛擬本地傳感器的輸出信號(hào)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)應(yīng)ffl系統(tǒng)，可以大大降低分析與設(shè)計(jì)的難度。虛擬本地傳感器模型結(jié)構(gòu)如圖1。本發(fā)明采用線性預(yù)測(cè)濾波理論與信道編碼技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建虛擬本地傳感器的方法研究實(shí)吋信號(hào)的傳輸問(wèn)題，提出^'新的實(shí)時(shí)傳感器信《網(wǎng)絡(luò)傳輸投型。通過(guò)自主丌發(fā)的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件對(duì)所構(gòu)建的虛擬本地傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提出方法的可應(yīng)用性。其創(chuàng)新點(diǎn)如下①用信號(hào)處理方法研究實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題，提出將線性預(yù)測(cè)濾波理論和信道編碼技術(shù)相結(jié)合解決實(shí)吋傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題的方法；從傳感器信號(hào)的特性入手，將實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)采樣"壓縮"并進(jìn)行信道編碼后傳輸，接收端進(jìn)行預(yù)測(cè)恢復(fù)重建源信號(hào)并重新采樣。-方而能夠緩解網(wǎng)絡(luò)不確定性帶來(lái)的不良后果，在保證實(shí)時(shí)性基礎(chǔ)上最大限度地提高信號(hào)可靠性；另一方面能夠降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高信道利用率，節(jié)約系統(tǒng)成本。②通過(guò)構(gòu)建虛擬本地傳感器，將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型的不確定性，在此基礎(chǔ)上將網(wǎng)絡(luò)不確定性造成的傳輸誤差和預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)一處理，作為虛擬本地傳感器的輸出誤差。使成熟的非網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下控制系統(tǒng)研究方法和魯棒控制技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的直接應(yīng)用成為可能。有益效果本發(fā)明將線性預(yù)測(cè)濾波理論與信道編碼技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建虛擬本地傳感器系統(tǒng)，從而將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型的不確定性。其目的是為了緩解由于網(wǎng)絡(luò)不確定性造成的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)傳輸不良影響，特別是在互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中?，F(xiàn)有的實(shí)吋信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯慷酁槊嫦蛱囟ōh(huán)境或應(yīng)用(音/視頻信號(hào))的方法，通用性較差。一方面，單純提高網(wǎng)絡(luò)帶寬和信號(hào)處理速度無(wú)法從根本上解決實(shí)時(shí)信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的不確定性問(wèn)題；另一方面，使用高速DSP處理器和高精度傳感器，以及搭建專(zhuān)線網(wǎng)的成本較高，阻礙了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。以現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的延時(shí)和誤差不可避免，這就要求一方面提高網(wǎng)絡(luò)傳輸和信號(hào)處理的速度，另一方面從實(shí)時(shí)信號(hào)本身特性入手，利用信號(hào)處理理論研究實(shí)時(shí)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題。從信號(hào)特性上看，音/視頻信號(hào)與傳感器信號(hào)相比有很大差異。音/視頻信號(hào)一般分有多個(gè)頻帶，從波形上來(lái)看雜亂無(wú)序。傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)噪聲濾出后，頻率相對(duì)單一，波形較為平滑。從使用角度來(lái)看，傳感器采樣信號(hào)間關(guān)聯(lián)程度很小，且每一個(gè)傳感器信號(hào)采樣都具有使用意義，如在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制器需要最新時(shí)刻的采樣信號(hào)值來(lái)生成控制量。音/視頻信號(hào)采樣具有關(guān)聯(lián)性，單個(gè)音/視頻信號(hào)采樣對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)意義不大，用戶(hù)更關(guān)心的是整體的視聽(tīng)效果。在目前查閱到的資料中，未發(fā)現(xiàn)利用線性預(yù)測(cè)濾波理論研究實(shí)吋傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題的工作發(fā)表。在控制網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)研究領(lǐng)域中，個(gè)別方法'l:'提出采用信號(hào)處理思想方法研究實(shí)時(shí)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題。個(gè)別文獻(xiàn)論述線性預(yù)測(cè)濾波潛在應(yīng)用吋提到在傳輸時(shí)延很大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，預(yù)測(cè)平滑信號(hào)的潛在應(yīng)用可行性，但閨內(nèi)外都未見(jiàn)具體的研究工作發(fā)表。采用基于線性預(yù)測(cè)濾波理論的實(shí)吋傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法能夠在保證傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)性的同時(shí)，有效地兼顧了傳感器信號(hào)的可靠性，并在一定程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。下面是使用該方法針對(duì)實(shí)際傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。以某國(guó)產(chǎn)轎車(chē)作為試驗(yàn)用車(chē)，這里給出的是選擋信號(hào)、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。將這些信號(hào)作為傳輸?shù)哪繕?biāo)信號(hào)，經(jīng)由IPv4和IPv6混雜網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)竭_(dá)服務(wù)器端，由服務(wù)器重建信號(hào)并與遠(yuǎn)程傳感器中記W的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，最后得出結(jié)論。釆樣時(shí)間為0.01秒，這里采用FIR線性預(yù)測(cè)濾波器。表l為實(shí)驗(yàn)參數(shù)及誤差。表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)及誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，可以得到如下結(jié)論采用線性預(yù)測(cè)濾波理論的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法構(gòu)建虛擬本地傳感器后，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減少，山于網(wǎng)絡(luò)傳輸不確定性造成的誤差在一定程度上被彌補(bǔ)。圖1基于線性預(yù)測(cè)濾波器的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)傳輸過(guò)程示意圖。圖2基于信號(hào)重建的虛擬本地傳感器結(jié)構(gòu)。圖3實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(選擋信號(hào))，(a)為原始信號(hào)，(b)為虛擬本地傳感器輸出信號(hào)，(c)為直接發(fā)送采樣信號(hào)的重建信號(hào)，最下端(d)為(b)和(c)各時(shí)間點(diǎn)的誤差曲線。圖4實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(節(jié)氣門(mén)開(kāi)度)，(a)為原始信號(hào)，(b)為虛擬本地傳感器輸出信號(hào)，(c)為直接發(fā)送采樣信號(hào)的重建信號(hào)，最下端(d)為(b)和(c)各時(shí)間點(diǎn)的誤差曲線。圖5實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào))，(a)為原始信號(hào)，(b)為虛擬本地傳感器輸出信號(hào)，(c)為直接發(fā)送釆樣信號(hào)的重建信號(hào)，最下端(d)為(b)和(c)各吋間點(diǎn)的誤差曲線。圖6發(fā)送端處理流程圖。圖7接收端處理流程圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一歩說(shuō)明本發(fā)明的具體內(nèi)容一種基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，發(fā)送端僅發(fā)送信號(hào)重建需要的采樣序列，在接收端利用線性預(yù)測(cè)濾波方法恢復(fù)接收到的采樣序列，并利用此序列重建源信號(hào)，山此構(gòu)建這個(gè)信^的虛擬本地傳感器，用戶(hù)通過(guò)對(duì)虛擬本地傳感器采樣獲得信號(hào)采樣佔(zhàn)計(jì)值，具體歩驟包括a)發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同歩，利用多個(gè)同歩幀的平均往返時(shí)間進(jìn)行發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘同歩；b)發(fā)送端發(fā)送采樣序列優(yōu)化在發(fā)送端根據(jù)采樣在接收端的恢復(fù)需要來(lái)確定是否發(fā)送，并進(jìn)行信道編碼；c)接收端采樣序列恢復(fù)處理接收端利用采樣序號(hào)、時(shí)間戳和網(wǎng)絡(luò)傳輸吋間標(biāo)準(zhǔn)差判斷采樣到達(dá)情況，并針對(duì)不同的情況采取相應(yīng)的恢復(fù)措施；d)接收端信號(hào)重建在恢復(fù)后的采樣序列的基礎(chǔ)上，利用均勻采樣定理對(duì)源信號(hào)進(jìn)行重建，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，利用插值函數(shù)在用戶(hù)期望的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行插值，得到信號(hào)采樣估計(jì)值。所述的發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同歩包括以下歩驟a)發(fā)送端先發(fā)送同歩請(qǐng)求，接收端收到后計(jì)算處理延遲，并將該值隨同歩響應(yīng)幀返回至發(fā)送端；b)發(fā)送端計(jì)算初始發(fā)送時(shí)刻和發(fā)送端接收到響應(yīng)的時(shí)刻的差值，將該差值與接收端的處理延遲相減，除以2得到本次同歩幀傳輸時(shí)間；c)利用平均分布的期望公式求解出多個(gè)同歩幀傳輸時(shí)間的期望值，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間；d)求解多個(gè)同歩幀傳輸時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差，該標(biāo)準(zhǔn)差表示時(shí)鐘同歩的平均誤差，或作為判斷接收端信號(hào)采樣未到達(dá)情況的閾值；e)最后發(fā)送端發(fā)送本地系統(tǒng)時(shí)間到接收端，接收端把此時(shí)間加上網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，作為本地的當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，至此完成了發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同步。所述的發(fā)送端發(fā)送采樣序列優(yōu)化包括以下歩驟a)發(fā)送系統(tǒng)吋間和丌始傳輸采樣標(biāo)志位，直到收到接收端的回復(fù)；b)使用帶通濾波器對(duì)原始傳感器信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除，得到源信號(hào)；C)對(duì)源信號(hào)進(jìn)行均勻采樣得到采樣序列，根據(jù)嵌入式存儲(chǔ)約束對(duì)其進(jìn)行量化，得到量化的采樣信號(hào)序列；d)初始化線性預(yù)測(cè)濾波器，并獲取用戶(hù)輸入的期望預(yù)測(cè)誤差；對(duì)于序號(hào)不大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，記^時(shí)IW戳和釆樣序號(hào)，進(jìn)行信道編碼后發(fā)送數(shù)據(jù)幀；e)對(duì)于序號(hào)大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，記錄時(shí)間戳，利用線性預(yù)測(cè)濾波器預(yù)測(cè)要發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，并計(jì)算預(yù)測(cè)位與真實(shí)值的差值；如果此差他在期望預(yù)測(cè)誤差范圍內(nèi)，并—R信號(hào)曲線變化率滿足一定數(shù)值，則進(jìn)行信道編碼后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。所述的接收端采樣恢復(fù)處理包括以下歩驟a)接收網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù);頃，解析并利f(]信道解碼，得到采樣時(shí)間和傳輸采樣標(biāo)志位；b)對(duì)亍序號(hào)不大平線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，對(duì)接收端接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，提取出采樣數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和采樣序號(hào)，對(duì)其進(jìn)行信道解碼，糾l匸采樣數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有接收到采樣數(shù)據(jù)，就用最近接收到的采樣數(shù)據(jù)代替；如果都沒(méi)有接收到，則預(yù)測(cè)失敗，退出。c)對(duì)于序號(hào)大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，利用采樣序號(hào)、時(shí)間戳和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差判斷采樣數(shù)據(jù)是否需?；謴?fù)；如果需耍恢復(fù)，根據(jù)接收端信號(hào)采樣未到達(dá)原因分別進(jìn)行處理。，所述的接收端信號(hào)采樣未到達(dá)原因及相應(yīng)處理方法包括以下5種情況a)此信號(hào)采樣未被發(fā)送，處理方法是利用線性預(yù)測(cè)濾波器對(duì)此采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)值加入到接收序列中；b)數(shù)據(jù)幀丟失，處理方法與情況a)相同；c)數(shù)據(jù)幀延遲,處理方法分為兩個(gè)階段:.在延遲數(shù)據(jù)幀沒(méi)有到達(dá)之前，預(yù)測(cè)此采樣值;在延遲數(shù)據(jù)幀到達(dá)之后，用真值替換已預(yù)測(cè)的此采樣值；d)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)位，即先發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)晚于后發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)到達(dá)接收端，處理方法分為兩個(gè)歩驟在錯(cuò)位幀未收到之前，預(yù)測(cè)此采樣值，如果之后又出現(xiàn)采樣未到達(dá)的情況，線性預(yù)測(cè)濾波器將使用此預(yù)測(cè)值進(jìn)行其他預(yù)測(cè)；在錯(cuò)位幀到達(dá)后，須利用此采樣值替換接收序列中該采樣的預(yù)測(cè)值,修J下受此預(yù)測(cè)值影響的其他采樣預(yù)測(cè)值，并更新接收序列；e)誤碼錯(cuò)誤，處理方法和情況a)相冋。所述的接收端信號(hào)重建包括選擇插值函數(shù)，插值時(shí)使用與線性預(yù)測(cè)濾波算法中相同的低階多項(xiàng)式進(jìn)行分段插值。(1)發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同歩利用多個(gè)同歩幀的平均往返時(shí)間進(jìn)行發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘同歩。具體方法發(fā)送端先發(fā)送同歩請(qǐng)求，接收端收到后計(jì)算處理延遲，并將該值隨冋歩響應(yīng)幀返回至發(fā)送端；發(fā)送端計(jì)算初始發(fā)送時(shí)刻和發(fā)送端接收到響應(yīng)的時(shí)刻的差值，將其與接收端的處理延遲相減，除以2即得到本次同歩幀傳輸吋間；利用平均分布的期望公式求解出多個(gè)幀傳輸時(shí)間的期単值，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間；求解多個(gè)同歩幀傳輸時(shí)問(wèn)的標(biāo)準(zhǔn)差，一方面表示時(shí)鐘同歩的平均誤差，另一方面可作為判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸不確定性情況的閾值；最后發(fā)送端發(fā)送本地系統(tǒng)吋間到接收端，接收端把此時(shí)問(wèn)加上網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，作為本地的當(dāng)前系統(tǒng)吋間。至此完成了發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同歩。(2)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)序列優(yōu)化在發(fā)送端根據(jù)采樣在接收端的恢復(fù)需耍來(lái)確定是否發(fā)送，其流程如圖6。具體歩驟如下歩驟一發(fā)送系統(tǒng)吋問(wèn)和開(kāi)始傳輸采樣標(biāo)志位，直到收到接收端的回復(fù)；歩驟二使用帶通濾波器對(duì)原始傳感器信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除，得到源信號(hào)；歩驟三對(duì)源信號(hào)進(jìn)行均勻采樣得到采樣序列，根據(jù)嵌入式存儲(chǔ)約束對(duì)其進(jìn)行量化，得到量化的采樣信號(hào)序列；歩驟四初始化線性預(yù)測(cè)濾波器，并獲取用戶(hù)輸入的期望預(yù)測(cè)誤差；對(duì)于序號(hào)不大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，記錄時(shí)間戳和采樣序號(hào)；進(jìn)行信道編碼后發(fā)送數(shù)據(jù)幀；歩驟五對(duì)于序號(hào)大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，記錄吋間戳，利用線性預(yù)測(cè)濾波器預(yù)測(cè)要發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，并計(jì)算預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的差值；如果此差值在期望預(yù)測(cè)誤差范圍內(nèi)，并且信號(hào)曲線變化率滿足一定數(shù)值，則進(jìn)行信道編碼后發(fā)送數(shù)據(jù)幀；(3)接收端數(shù)據(jù)幀處理在接收端，根據(jù)采樣未到達(dá)到有以下五種情況情況1:此信號(hào)采樣未被發(fā)送。處理方法是利用線性預(yù)測(cè)濾波器對(duì)此采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)值加入到接收序列中。情況2:數(shù)據(jù)幀丟失。處理方法和情況l相同。情況3:數(shù)據(jù)幀延遲。處理方法分為兩個(gè)階段在延遲數(shù)據(jù)幀沒(méi)有到達(dá)之前，預(yù)測(cè)此采樣值；在延遲數(shù)據(jù)幀到達(dá)之后，用真實(shí)值替換已預(yù)測(cè)的此采樣值。情況4:數(shù)據(jù)幀錯(cuò)位，即先發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)晚于后發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)到達(dá)接收端。處理方法分為兩個(gè)歩驟在錯(cuò)位幀未收到之前，預(yù)測(cè)此采樣值，如果之后又出現(xiàn)采樣未到達(dá)的情況，線性預(yù)測(cè)濾波器將使用此預(yù)測(cè)值進(jìn)行其他預(yù)測(cè)；在錯(cuò)位幀到達(dá)后，須利用此采樣值替換接收序列中該釆樣的預(yù)測(cè)值，修正受此預(yù)測(cè)值影響的其他采樣預(yù)測(cè)值，并更新接收序列。情況5:誤碼錯(cuò)誤。處理方法和情況l相同。接收端流程圖如圖7。具體步驟如下歩驟一接收網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)幀，解析并利用信道解碼，得到采樣時(shí)間和傳輸采樣標(biāo)志位；選擇線性預(yù)測(cè)濾波器并初始化；歩驟二對(duì)于序號(hào)不大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，對(duì)接收端接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，提取出采樣數(shù)據(jù)、吋間戳和采樣序號(hào),利川信道算法解碼，糾正采樣數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有接收到采樣數(shù)據(jù)，就用顯近接收到的采樣數(shù)值代替；如果都沒(méi)有接收到，則預(yù)測(cè)失敗，退出。歩驟三對(duì)于序號(hào)大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，利用采樣序號(hào)和吋問(wèn)觸發(fā)器判斷采樣數(shù)據(jù)是否需要恢復(fù)；如果需要恢復(fù)，根據(jù)數(shù)據(jù)未到達(dá)原因分別進(jìn)行處理。針對(duì)情況i，2，5，利用線性預(yù)測(cè)濾波器對(duì)沒(méi)有接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)；針對(duì)情況3，在延遲數(shù)據(jù)幀沒(méi)有收到之前，利用線性預(yù)測(cè)濾波器對(duì)沒(méi)冇接收到的釆樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)；在延遲數(shù)據(jù)幀收到之后，用真實(shí)值代替原有預(yù)測(cè)值；針對(duì)情況4，在沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)幀前，利用線性預(yù)測(cè)濾波器對(duì)沒(méi)有接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，此后如果需耍預(yù)測(cè)其他未到達(dá)釆樣數(shù)據(jù)使用此數(shù)值；當(dāng)錯(cuò)位數(shù)據(jù)幀收到后，用真實(shí)值代替原有預(yù)測(cè)值，對(duì)于在此時(shí)刻內(nèi)巳預(yù)測(cè)的采樣數(shù)值，川真實(shí)值重新預(yù)測(cè)更新；(4)接收端信號(hào)重建選擇插值函數(shù)，利用己恢復(fù)的采樣數(shù)值進(jìn)行信號(hào)還原。接收端所獲得的，包括預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，是非均勻離散吋間軸上的點(diǎn)，這些時(shí)問(wèn)點(diǎn)不-一定是接收端用戶(hù)要使用的。因此，對(duì)于這些點(diǎn)在用戶(hù)使用;'!勺數(shù)據(jù)時(shí)間范圍內(nèi)使用插值函數(shù)進(jìn)行分段插值，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行重新采樣。山此，相當(dāng)于在接收端構(gòu)造了一個(gè)虛擬的本地傳感器，接收端用戶(hù)可以對(duì)這個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣得到所需時(shí)刻的數(shù)據(jù)。權(quán)利要求1.一種基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于發(fā)送端僅發(fā)送信號(hào)重建需要的采樣序列，在接收端利用線性預(yù)測(cè)濾波方法恢復(fù)接收到的采樣序列，并利用此序列重建源信號(hào)，由此構(gòu)建這個(gè)信號(hào)的虛擬本地傳感器，用戶(hù)通過(guò)對(duì)虛擬本地傳感器采樣獲得信號(hào)采樣估計(jì)值，具體步驟包括a)發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同步，利用多個(gè)同步幀的平均往返時(shí)間進(jìn)行發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘同步；b)發(fā)送端發(fā)送采樣序列優(yōu)化在發(fā)送端根據(jù)采樣在接收端的恢復(fù)需要來(lái)確定是否發(fā)送，并進(jìn)行信道編碼；c)接收端采樣序列恢復(fù)處理接收端利用采樣序號(hào)、時(shí)間戳和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差判斷采樣到達(dá)情況，并針對(duì)不同的情況采取相應(yīng)的恢復(fù)措施；d)接收端信號(hào)重建在恢復(fù)后的采樣序列的基礎(chǔ)上，利用均勻采樣定理對(duì)源信號(hào)進(jìn)行重建，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，利用插值函數(shù)在用戶(hù)期望的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行插值，得到信號(hào)采樣估計(jì)值。2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于所述的發(fā)送端和接收端的吋鐘同歩包括以下歩驟a)發(fā)送端先發(fā)送同歩請(qǐng)求，接收端收到后計(jì)算處理延遲，并將該值隨同歩響應(yīng)幀返回至發(fā)送端；b)發(fā)送端計(jì)算初始發(fā)送時(shí)刻和發(fā)送端接收到響應(yīng)的時(shí)刻的差值，將該差值與接收端的處理延遲相減，除以2得到本次同歩幀傳輸吋間；c)利用平均分布的期望公式求解出多個(gè)同歩幀傳輸時(shí)間的期望值，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間；d)求解多個(gè)同歩幀傳輸時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差，該標(biāo)準(zhǔn)差表示時(shí)鐘同歩的平均誤差，或作為判斷接收端信號(hào)采樣未到達(dá)情況的閾值；e)最后發(fā)送端發(fā)送本地系統(tǒng)時(shí)間到接收端，接收端把此時(shí)間加上網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，作為本地的當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)問(wèn)，至此完成了發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同歩。3.根據(jù)權(quán)利耍求1的所述的基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于所述的發(fā)送端發(fā)送采樣序列優(yōu)化包括以下歩驟a)發(fā)送系統(tǒng)時(shí)間和開(kāi)始傳輸采樣標(biāo)志位，直到收到接收端的回復(fù)；b)使用帶通濾波器對(duì)原始傳感器信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除，得到源信號(hào)；c)對(duì)源信號(hào)進(jìn)行均勻采樣得到采樣序列，根據(jù)嵌入式存儲(chǔ)約束對(duì)其進(jìn)行量化，得到量化的采樣信號(hào)序列；d)初始化線性預(yù)測(cè)濾波器，并獲取用戶(hù)輸入的期望預(yù)測(cè)誤差；對(duì)于序號(hào)不大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，記錄時(shí)間戳和采樣序號(hào)，進(jìn)行信道編碼后發(fā)送數(shù)據(jù)幀；e)對(duì)于序號(hào)大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，記錄時(shí)間戳，利用線性預(yù)測(cè)濾波器預(yù)測(cè)要發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，并計(jì)算預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的差值；如果此差值在期望預(yù)測(cè)誤差范圍內(nèi)，并且信號(hào)曲線變化率滿足一定數(shù)值，則進(jìn)行信道編碼后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于接收端采樣恢復(fù)處理包括以下歩驟a)接收網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)幀，解析并利用信道解碼，得到采樣吋間和傳輸采樣標(biāo)志位；選擇線性預(yù)測(cè)濾波器并初始化；b)對(duì)于序號(hào)不大于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，對(duì)接收端接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，提取出采樣數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和采樣序號(hào)，對(duì)其進(jìn)行信道解碼，糾正采樣數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有接收到采樣數(shù)據(jù)，就用最近接收到的采樣數(shù)據(jù)代替；如果都沒(méi)有接收到，則預(yù)測(cè)失敗，退出。c)對(duì)于序號(hào)火于線性預(yù)測(cè)濾波器長(zhǎng)度的采樣，利用采樣序號(hào)、時(shí)間戳和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差判斷采樣數(shù)據(jù)是否需要恢復(fù)；如果需要恢復(fù)，根據(jù)接收端信號(hào)采樣未到達(dá)原因分別進(jìn)行處理。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于所述的接收端信號(hào)采樣未到達(dá)原因及相應(yīng)處理方法包括以下5種情況a)此信號(hào)采樣未被發(fā)送，處理方法是利用線性預(yù)測(cè)濾波器對(duì)此采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)值加入到接收序列中；b)數(shù)據(jù)幀丟失，處理方法與情況a)相同；c)數(shù)據(jù)幀延遲，處理方法分為兩個(gè)階段在延遲數(shù)據(jù)幀沒(méi)有到達(dá)之前，預(yù)測(cè)此采樣值；在延遲數(shù)據(jù)幀到達(dá)之后，用真實(shí)值替換已預(yù)測(cè)的此采樣值；d)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)位，即先發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)晚于后發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)到達(dá)接收端，處理方法分為兩個(gè)歩驟在錯(cuò)位幀未收到之前，預(yù)測(cè)此采樣值，如果之后又出現(xiàn)采樣未到達(dá)的情況，線性預(yù)測(cè)濾波器將使用此預(yù)測(cè)值進(jìn)行其他預(yù)測(cè)；在錯(cuò)位幀到達(dá)后，須利用此采樣值替換接收序列中該采樣的預(yù)測(cè)值，修正受此預(yù)測(cè)值影響的其他采樣預(yù)測(cè)值，并更新接收序列；e)誤碼錯(cuò)誤，處理方法和情況a)相同。6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于所述的接收端信號(hào)重建包括利用接收端采樣恢復(fù)處理后的采樣序列，選擇插值函數(shù)進(jìn)行分段插值。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于線性預(yù)測(cè)濾波的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。技術(shù)方案是發(fā)送端僅發(fā)送信號(hào)重建需要的采樣序列，在接收端利用線性預(yù)測(cè)濾波方法恢復(fù)接收到的采樣序列，并利用此序列重建源信號(hào)，由此構(gòu)建這個(gè)信號(hào)的虛擬本地傳感器，用戶(hù)通過(guò)對(duì)虛擬本地傳感器采樣獲得信號(hào)采樣估計(jì)值，具體步驟包括a)發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同步，利用多個(gè)同步幀的平均往返時(shí)間進(jìn)行發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘同步；b)發(fā)送端發(fā)送采樣序列優(yōu)化；c)接收端采樣序列恢復(fù)處理；d)接收端信號(hào)重建。本發(fā)明一是優(yōu)化了發(fā)送數(shù)據(jù)序列，減少數(shù)據(jù)傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)流量，二是使信號(hào)數(shù)據(jù)使用與信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸分離，使用戶(hù)不必直接關(guān)注信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程。文檔編號(hào)H04L25/02GK101437239SQ200810051580公開(kāi)日2009年5月20日申請(qǐng)日期2008年12月11日優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日發(fā)明者赫于,劉文靜,史艷輝,周時(shí)瑩,張洪坤,秦貴和,范鐵虎,董勁男,趙德銀,黃永平申請(qǐng)人:吉林大學(xué)