基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法
2023-10-10 16:47:19
專利名稱：基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法
技術領域：
本發明涉及的是一種基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法，利用無線傳感器網絡中大量節點間感知數據的相關性，對其進行壓縮採樣的方法，能夠將數據壓縮與數據傳輸同時進行，並實現全局信息的本地獲取，可以達到降低網絡數據傳輸量、延長網絡壽命的目的。
背景技術：
無線傳感器網絡靠無數的傳感器節點連續不斷地傳感數據，然而，這些傳感器節點收集到的數據既龐大又複雜，並且在時間和空間上面都具有很大的冗餘性。傳統方法常利用 gossip傳輸協議算法將每個傳感器節點的數據傳輸給匯聚節點，因為沒有考慮到節點之間的相關性，這種直接傳輸節點感知數據的方法講給網絡帶來很大的通信負擔，這對能源受限的無線傳感器網來說是一個亟待解決的問題。許多研究都已利用網絡內數據間的相關性給出了更為高效的信息採集算法。例如，Sl印ian-Wolf模型逼近式算法和應用於顯式通信的綜合算法，它們都解決了網絡相關數據收集的速率分配和傳輸結構上的優化問題；其他的研究還包括聯合源端編碼及路由策略，最短路徑樹的機會壓縮方法等。然而，這些方法都將給系統帶來很高的計算複雜度和巨大的通信開銷。壓縮感知作為一種嶄新的採樣方法，能夠減少重構整個信號所要求的觀測次數。 壓縮感知在通信領域裡的應用，尤其是無線傳感網絡，已在近幾年中得到了廣泛的研究。由於無線傳感網絡中節點間感知數據的相關性，滿足了使用壓縮感知技術的前提。
發明內容
本發明目的在於針對的無線傳感器網中節點間數據存在冗餘的問題，提出一種基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法，能夠將數據壓縮與數據採集同時進行的數據採集，能夠有效降低數據的冗餘和網絡的通信量。為達到上述目的，本發明的構思是利用簡單的gossip傳輸協議在網絡中傳輸節點數據的隨機投影來代替傳統方法中的直接傳輸原始數據的方式，隨機投影以數據包的形式被傳輸，網絡中每一個節點既是信息的發送端也是信息的接收端，為防止數據包在網絡中被無限次數傳輸，定義一個固定的最大允許跳數 7T￡，當節點剩餘允許跳數為零的節點，將不再轉發該數據包，而是提取出其中攜帶的信息生成壓縮感知技術能夠重建原始數據的必要信息，最後每個節點都可以利用這些信息計算出網絡中其他所有節點的感知數據的估計值，從而實現全局信息的本地獲取。本發明假設一個有.Y個節點的無線傳感器網絡，每個節點有一個ID作為標識，每個節點有一個感知數據^需要傳輸給其他所有節點，其中 G {1.』·· 為節點的ID，用向量χ定義這個JV個數據的集合。我們希望達到的效果是通過網絡間一定時間的通信，使得連接網絡中任意一個節點都能夠得到Y個節點的數據，即能夠從任意一個節點獲得χ。傳統的方法是利用簡單的gossip傳輸協議在節點間傳遞數據，優點是協議簡單易於實現，缺點是容易造成消息冗餘，網絡的通信負擔比較大。為了解決這個問題，本發明利用壓縮感知與 gossip傳輸協議相結合的方式，能夠在數據傳輸的同時對冗餘數據進行壓縮，用傳輸數據的隨機投影代替傳輸原始數據，當傳輸結束後在節點處根據收到的隨機投影利用壓縮感知中的數據重構算法計算出*的估計值，實驗證明，該估計值能夠以較高精度接近原始數據， 該方法能夠以更少的傳輸次數使每個節點的數據傳輸到其他所有節點，從而達到減低網絡開銷的目的。根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案一種基於壓縮感知的無線傳感器網絡數據全局信息本地獲取方法，其特徵在於具體步驟如下
初始化每個節點生成一個數據包，存儲各自的感知數據·『.·與一個隨機數…相乘的乘積:ν'ι 二《W,+ ,並設置統一的最大允許跳數777.；
步驟1、數據包發送節點1在自己的鄰居節點列表中隨機選擇λ個鄰居節點後，將數據包發送給這些節點；
步驟2、數據包更新收到數據包的節點按如下的方式更新數據包中的內容將剩餘允許跳數 減1，將自己的ID寫入數據包中的經由節點列表，提取出其中的觀測值，並將自己的感知數據乘以一個隨機數後與觀測值相加來更新觀測值.V 〃 + & ；
步驟3、數據包生存期判斷收到數據包的節點判斷其中的允許剩餘跳數I是否為零，如果是，轉到步驟4，如果否，轉到步驟1 ；
步驟4、構造觀測矩陣Φ 節點根據收到的數據包中的經由節點列表和觀測值〖I為自己的觀測矩陣Φ增加新的一行；
重複步驟上述步驟，直到:V個節點的數據包全部發送結束。步驟5、數據重構每個節點根據各自的觀測矩陣Φ和觀測值 利用正交匹配算法重構原始數據。所述的壓縮感知是壓縮數據採集的一種新技術，它能避免大量的數字信息設置、 從獲取的信息中直接建立數據壓縮並且以比傳統理論觀測量更少的觀測次數進行數據重構，並且能有效地降低信息採集中的能量消耗。所述的最大允許跳數777.是指所有數據包在產生時都被設置為一個統一的 7ΤΙ+值，用於確定一個數據包被轉發的次數範圍，每被轉發一次，剩餘允許跳數 就會減去 1，當 二 0就結束轉發，
所述的數據包其結構可分為三個部分，分別為剩餘允許跳數 ——記錄該數據包還能被轉發的次數，觀測值I/——記錄疊加的觀測值，經由節點列表——記錄該數據包經過的節點的ID。所述的觀測矩陣是指每個節點根據收到的數據包構造出的矩陣，每個節點在算法結束時都將擁有各自不同的觀測矩陣，矩陣的每一行表示一個數據包從產生到轉髮結束時被傳輸的路徑，行數表示該節點收到的數據包的個數。一行中非零元素的個數等於最大允許跳數m,由於7TI遠小於網絡中節點的總個數，觀測矩陣中大部分元素為零，這樣的稀疏矩陣與傳統的壓縮感知所使用的隨機觀測矩陣相比，能夠大大降低數據重構時的計算複雜度。所述的隨機選擇λ個鄰居節點是指每個節點都保存有各自的鄰居節點信息，每個節點的鄰居節點個數大於λ，在選擇發送目的節點時，發送節點將從自己的鄰居節點列表中隨機選擇。λ是決定通信開銷的重要參數，通信開銷將隨著λ的增大而增大。
在所有數據發轉髮結束後，每個節點將構造各自的觀測矩陣Φ， 的行數為該節點收到的數據包的個數W,列數為Φ的每一行#代表相應的數據包從產生到 減為零的過程中經過的路徑，用表示Φ的第·'行的第J個元素,其中不為零的元素代表該數據包經過相應節點，為零則代表數據包未經過，例如Φ2,3 Φ Π說明該節點收到的第2個數據包經過過第3個節點。當所有的數據包都結束轉發，每個節點利用其中的信息生成觀測矩陣，根據觀測值重構出原始數據的估計值i。最終結果是當算法結束時，所有的節點都可以得到其他所有節點的感知數據。本發明中的基於壓縮感知的無線傳感器網絡中的節點數據採集方法與現有技術相比較，具有的優點
1.壓縮編碼的複雜度低節點只需要在隨機觀測矩陣上對數據進行線性投影，便可計算出壓縮後的觀測向量，對節點硬體要求低；
2.高效傳輸與普通的基於gossip傳輸協議的傳輸方式相比，可以減少發送冗餘信息，降低網絡開銷，延長網絡壽命；
3.路由簡單結合了傳統的gossip傳輸協議，可以在完全不知道全局信息的情況下進行；
4.魯棒性較好隨機的發送方式可以應對網絡中節點狀態改變和鏈路失效的情況。利用壓縮感知的技術可以實現數據傳輸和數據壓縮的同時進行，達到了節省節點收發能量，只需在接收端進行數據重構，相當於用接收端的一部分的計算量來換取網絡負擔的減低，對於目前大部分都擁有一定計算能力的節點的無線傳感器網絡來說，該方法優於利用傳統的gossip傳輸協議的方式，具有一定的現實意義。
圖1本發明的實施例中傳輸數據包結構的示意圖。圖2本發明的基於壓縮感知的無線傳感器網絡數據全局信息本地獲取方法的流程圖。圖3在不同的和λ與節點重構出全局信息的概率的關係的示意圖。圖4原始數據不同的稀疏度與節點能夠重構出全局信息的概率的關係的示意圖。圖5本發明的傳輸過程中發送的編碼數據包個數與gossip傳輸協議方式比較的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明的實施例作進一步詳細的描述。本實施例在以本發明技術方案為前提下進行試驗，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，主要包括網絡結構設定、算法的執行過程以及性能分析。建立一個…X H〗的網絡，共有有個節點，為每個接點分配一個ID用以標識。每
個節點存儲各自的鄰居節點列表，其中至少有5個鄰居節點，並有一定的存儲、計算能力用
於存儲和更新收到的數據包。ID為t的節點的感知數據為網絡中所有節點的感知數據集合看作向量X。目的是當用戶訪問網絡中的任意一個節點時都能夠得到足夠精確的近似值。本基於壓縮感知的無線傳感器網絡數據全局信息本地獲取方法，具體步驟如下 初始化每個節點生成一個數據包，存儲各自的感知數據ι與一個隨機數 相乘的乘
積 /丨二並設置統一的最大允許跳數ΤΓΛ ；
步驟1、數據包發送節點1在自己的鄰居節點列表中隨機選擇、個鄰居節點後，將數據包發送給這些節點；
步驟2、數據包更新收到數據包的節點按如下的方式更新數據包中的內容將剩餘允許跳數i減1，將自己的ID寫入數據包中的經由節點列表，提取出其中的觀測值，並將自己的感知數據乘以一個隨機數後與觀測值相加來更新觀測值 /卜U +擬.；
步驟3、數據包生存期判斷收到數據包的節點判斷其中的允許剩餘跳數『是否為零，如果是，轉到步驟4，如果否，轉到步驟1 ；
步驟4、構造觀測矩陣·節點根據收到的數據包中的經由節點列表和觀測值Il為自己的觀測矩陣Φ增加新的一行；
重複步驟上述步驟，直到Α『個節點的數據包全部發送結束。步驟5、數據重構每個節點根據各自的觀測矩陣Φ和觀測值1/利用正交匹配算法重構原始數據。重複步驟1一3，直到JV個節點的數據包全部發送結束。下面給出使用本實施例的數值仿真實驗，我們用精確重構概率(網絡中能夠精確重構出全局接入信息的節點佔網絡中總結點的百分數)來衡量本方法的性能。圖2給出了本方法中兩個決定通信開銷的重要參數771和\與精確重構概率的關係。如圖所示，當固定時，精確重構概率將隨著λ的增加而增加；甴、固定時，精確重構概率將隨著7ΤΛ的增加而增加，即增加7Τ/4πλ中的任意一個都可以提高精確重構概率。圖3給出了原始數據稀疏度Λ'與精確重構概率的關係，試驗參數 ΤΓ￡ = +·, λ = 3。如圖所示，當網絡中的數據稀疏度較小時，該方法所獲得精確重構概率接近性能較好，但是隨著的增大，方法的性能將會變差。這就要求網絡中節點數據間具有較大的相關性，這在節點密集排列的無線傳感器網絡中是比較容易實現的。如圖4給出使用本發明的方法和gossip的網絡傳輸效率比較。從兩種方法的比較仿真圖中可以看出，當決定網絡中通信數的TTi給定時，利用壓縮感知的新方法的精確重構概率明顯高於利用傳統gossip傳輸協議進行傳輸的方式，這在< 7時尤為明顯，當 TTL = 7時，利用壓縮感知技術的新方法的重構概率已經接近100%,也就是說，網絡中的所有節點都可以根據收到的隨機投影精確重構出全局的感知數據，即此時只要任意選擇一個節點與之通信就可以得到所有節點的感知數據，而gossip傳輸協議方法此時只有不到 1 的節點得到全局的接入信息，即無法通過任意選擇一個節點通信來獲得全局信息。只有當m = y時，gossip才能使重構概率達到ι( ％。
權利要求
1.一種基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法，其特徵在於具體步驟如下初始化每個節點生成一個數據包，存儲各自的感知數據 Ii與一個隨機數Ctf相乘的乘積.V丨,並設置統一的最大允許跳數m ；步驟1、數據包發送節點1在自己的鄰居節點列表中隨機選擇λ個鄰居節點後，將數據包發送給這些節點；步驟2、數據包更新收到數據包的節點按如下的方式更新數據包中的內容將剩餘允許跳數I減1，將自己的ID寫入數據包中的經由節點列表，提取出其中的觀測值，並將自己的感知數據乘以一個隨機數後與觀測值相加來更新觀測值 / — !！ +似『；步驟3、數據包生存期判斷收到數據包的節點判斷其中的允許剩餘跳數 是否為零，如果是，轉到步驟4，如果否，轉到步驟1 ；步驟4、構造觀測矩陣·節點根據收到的數據包中的經由節點列表和觀測值》為自己的觀測矩陣Φ增加新的一行；重複步驟上述步驟，直到X個節點的數據包全部發送結束；步驟5、數據重構每個節點根據各自的觀測矩陣■和觀測值S利用正交匹配算法重構原始數據。
2.根據權利要求1所述的基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法， 其特徵在於所述的最大允許跳數7Τ△是指所有數據包在產生時都被設置為一個統一的 7Ti值，用於確定一個數據包被轉發的次數範圍，每被轉發一次，剩餘允許跳數f就會減去 1，當〖二0就結束轉發。
3.根據權利要求1所述的基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法，其特徵在於所述的數據包其結構可分為三個部分，分別為剩餘允許跳數 ——記錄該數據包還能被轉發的次數，觀測值ff——記錄疊加的觀測值，經由節點列表——記錄該數據包經過的節點的ID。
4.根據權利要求1所述的基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法，其特徵在於所述的觀測矩陣是指每個節點根據收到的數據包構造出的矩陣，每個節點在算法結束時都將擁有各自不同的觀測矩陣，矩陣的每一行表示一個數據包從產生到轉髮結束時被傳輸的路徑，行數表示該節點收到的數據包的個數；一行中非零元素的個數等於最大允許跳數由於7Ti遠小於網絡中節點的總個數，觀測矩陣中大部分元素為零，這樣的稀疏矩陣與傳統的壓縮感知所使用的隨機觀測矩陣相比，能夠大大降低數據重構時的計算複雜度。
5.根據權利要求1所述的基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法，其特徵在於所述的隨機選擇λ個鄰居節點是指每個節點都保存有各自的鄰居節點信息，每個節點的鄰居節點個數大於A,在選擇發送目的節點時，發送節點將從自己的鄰居節點列表中隨機選擇,λ是決定通信開銷的重要參數，通信開銷將隨著λ的增大而增大。
全文摘要
本發明涉及一種基於壓縮感知的無線傳感器網絡全局信息本地獲取方法。該方法的主要特點有將原始數據投影到隨機的觀測矩陣上得到觀測值，實現了數據從高維到低維的轉換即數據壓縮；利用簡單的gossip傳輸協議在網絡中傳輸節點數據的觀測值來代替傳統方法中的直接傳輸原始數據的方式；當傳輸結束後，每個節點都可以根據收到的觀測值利用壓縮感知中的數據重構算法計算出全局信息的估計值，這樣就實現了全局信息的本地獲取。該方法比直接在網絡中傳輸原始數據方式可以大大降低通信數，即以更少的傳輸次數使每個節點的數據傳輸到其他所有節點，從而達到減低網絡開銷、延長網絡壽命的目的。
文檔編號H04W40/24GK102164395SQ20111009885
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者李一風, 鄒君妮 申請人:上海大學