專利名稱：面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法。
背景技術(shù)：
壓縮感知(Compressed Sensing)是近幾年來(lái)的一項(xiàng)新興信號(hào)處理技術(shù)，其核心思 想是將數(shù)據(jù)采樣和壓縮合并進(jìn)行，首先采集信號(hào)的非自適應(yīng)線性投影(測(cè)量值)，然后根據(jù) 相應(yīng)的重構(gòu)算法由測(cè)量值復(fù)原信號(hào)。壓縮感知有兩個(gè)方面的基本要求信號(hào)的稀疏性，觀測(cè) 基(觀測(cè)矩陣)與變換基(變換矩陣)的非相關(guān)性。對(duì)于自然界的任何信號(hào)，均存在一個(gè) 特定的表示空間，使得該信號(hào)在此空間具有稀疏性。經(jīng)相關(guān)理論證明，隨機(jī)矩陣，即元素為 隨機(jī)數(shù)的矩陣，與固定的變換基具有很好的非相關(guān)性。壓縮感知的數(shù)學(xué)原理為設(shè)長(zhǎng)度為N的矢量信號(hào)X在正交變換基Ψ上的變換系數(shù) 是稀疏的，S卩原始信息X為一維NXl向量，X e Rn，存在一個(gè)NXN變換矩陣Ψ，Χ = ΨΡ， 其中P亦為一維NXl向量，使得P具有稀疏性。信號(hào)的稀疏性是指若向量中非零項(xiàng)的個(gè)數(shù) 為K，K < N，則稱該向量是K-稀疏。用與變換基Ψ不相關(guān)的觀測(cè)矩陣Φ對(duì)原始信息進(jìn)行線性變換，觀測(cè)矩陣Φ為一 個(gè)MXN的矩陣，Φ e Rmxn (Μ << N)，并得到觀測(cè)信號(hào)集合Y，即Y = ΦΧ,Y = φχ = φψρ=φρ ,故Y為一維MXl向量。在已知φ的條件下，可利用優(yōu)化求解方法從Y中精確地或 高概率地重構(gòu)信號(hào)P，繼而恢復(fù)出原始信號(hào)X。壓縮感知技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于能以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣率的采樣速率進(jìn)行采樣， 大大減少信號(hào)在數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程中消耗的資源和能量。相對(duì)于常規(guī)的先采樣后壓縮的 分布式信源編碼方法，壓縮感知的優(yōu)勢(shì)在于不需要被處理信號(hào)的任何先驗(yàn)信息，且不需要 控制信息交換。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是通過(guò)無(wú)線通信的方式形成 的一個(gè)多跳的且有可能自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由部署在一定檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié) 點(diǎn)組成，主要功能為協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測(cè)信息，并發(fā)送給觀察中心 (匯聚節(jié)點(diǎn))。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含大量的廣泛分布的節(jié)點(diǎn)，故需要傳輸、分析 和處理大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)壓縮感知和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，壓縮感知技術(shù)被用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，在沒(méi)有任何先驗(yàn)信息的情況下，提供一種有效的數(shù)據(jù)融合算法，減少處理大量數(shù)據(jù)所需 要的觀測(cè)值數(shù)目，降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)和數(shù)據(jù)融合的計(jì)算復(fù)雜度。在無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將壓縮感知與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚上嘟Y(jié)合，各分布節(jié)點(diǎn)的信息在傳向匯聚節(jié) 點(diǎn)的路徑中不斷加權(quán)匯聚，加權(quán)信息構(gòu)成壓縮感知技術(shù)需要的觀測(cè)矩陣，最終匯聚節(jié)點(diǎn)根 據(jù)觀測(cè)矩陣正確重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)信息。經(jīng)路由形成的觀測(cè)矩陣是稀疏矩陣，從而大大減 少了匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)時(shí)的計(jì)算量。
然而，目前關(guān)于將壓縮感知用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與路由相結(jié)合的技術(shù)存在很大的 缺陷。現(xiàn)在，如何使觀測(cè)矩陣具有很好的隨機(jī)性的問(wèn)題已經(jīng)解決，但現(xiàn)有的路由選擇技術(shù)對(duì) 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的公平性并沒(méi)有滿足，即在路由選擇的過(guò)程中，有些節(jié)點(diǎn)會(huì)較多被經(jīng)歷， 而還有一些特殊位置的節(jié)點(diǎn)則較少被經(jīng)歷。這也體現(xiàn)在路由形成的觀測(cè)矩陣的非零值位置 分布并不均勻，如果所要恢復(fù)信息的重要特征分量出現(xiàn)在那些較少經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)上，則壓縮 感知中信號(hào)重構(gòu)的性能將會(huì)減低。故如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在路由選擇中被經(jīng)歷的公平性成為 亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由選擇 方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其目的所采取的技術(shù)方案是該面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重 的隨機(jī)路由選擇方法是所述網(wǎng)絡(luò)中包含N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，其中#為正整數(shù)，所述N個(gè)傳 感器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)錇榫仃囆螤?，所述匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的外部若匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的上方或下方，則所述網(wǎng)絡(luò)中傳感 器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)一行的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從一端到另一端依次為1， 2,3,……，#，其中編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在行為第一行，該編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所 在列為第一列；位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I行、第J列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為-1) +
，其中， /, /e[l,#]，I，J均為正整數(shù);若匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的左方或右方，則所述網(wǎng)絡(luò)中傳感 器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)一列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從一端到另一端依次為1， 2,3,……，#，其中編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在行為第一行，該編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所 在列為第一列，位于所述網(wǎng)絡(luò)中第ι行、第J列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為7^·μ-ι)+/，其中， /,/^[Ι,^]，〗，J均為正整數(shù);進(jìn)行所述路由選擇時(shí)包括如下步驟(1)將所述網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為P1或 ，且P1 和分別滿足如式(1)和式(2)所示的關(guān)系式 在式(1)和(2)中，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的上方或下方 時(shí)，P1表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I行的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率，^表示位于 所述網(wǎng)絡(luò)中第#行的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的左方或右方時(shí)，P1表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I列的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作 路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率， 表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第^r列的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)
5的概率；I 二 1,2,…J^j-U =0.5，為權(quán)重參數(shù)；(2)所述網(wǎng)絡(luò)以上述設(shè)定的概率隨機(jī)選擇網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)并 作為準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)，各被選中的準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包中所包含的信息 為該節(jié)點(diǎn)的編號(hào)信息和該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算信息，所述運(yùn)算信息為該節(jié)點(diǎn)獲取的檢測(cè)對(duì)象的信息 與生成的隨機(jī)數(shù)的乘積；(3)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)按如下方法選擇接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)判斷準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)是否為N，若是，則選擇匯聚節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)
包的下一跳節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行步驟(5)；否則，判斷該節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否屬于區(qū)間[(V^-1).V^ + 1，A0 或是否能被^^整除若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)屬于區(qū)間+ ，則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1的節(jié)點(diǎn) 或者匯聚節(jié)點(diǎn)為下一跳節(jié)點(diǎn)如果匯聚節(jié)點(diǎn)被選中則執(zhí)行步驟(5)，否則執(zhí)行步驟(4)；若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)能被▽整除，則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)減L的節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)
包的下一跳節(jié)點(diǎn)，其中L為區(qū)間[f，^ — !]內(nèi)的任意正整數(shù)；若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)既不屬于區(qū)間[(# — ；!).# + ；!，#)也不能被#整除，則選擇編號(hào)為 該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1的節(jié)點(diǎn)或者編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加#的節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn) (4)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)包發(fā)送至步驟(3)選定的下一跳節(jié)點(diǎn)；該下一跳節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后判斷該數(shù)據(jù)包中的編號(hào)信息中是否存在該下一 跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，若不存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，則將該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身運(yùn)算信 息與其接收到的數(shù)據(jù)包中的運(yùn)算信息相疊加并同時(shí)將該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)信息添加 至其接收到的數(shù)據(jù)包中以使該接收到的數(shù)據(jù)包得到更新，該更新后的數(shù)據(jù)包為該下一跳節(jié) 點(diǎn)的準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；若存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，則將該下一跳節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù) 據(jù)包作為該下一跳節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；接著以該下一跳節(jié)點(diǎn)為下一步路徑選擇中準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行步驟(3)；(5)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包，所述隨機(jī)路由選擇結(jié)束。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在滿足路由選擇的隨機(jī)性的同時(shí)，保證了各條生成路徑中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目 的足夠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生成的所有路徑中網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)被經(jīng)歷的次數(shù)大致相同。如果不加權(quán) 重以均勻分布的概率隨機(jī)選擇路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)，在路由時(shí)網(wǎng)絡(luò)中某些位置的節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷的次數(shù) 較多，而還有一些位置的節(jié)點(diǎn)則較少被經(jīng)歷。本發(fā)明根據(jù)位置的不同給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)被選 擇作為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定不同的權(quán)重，增大了均勻選擇路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)時(shí)那些較少被 經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)被本發(fā)明路由路徑經(jīng)歷的概率。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器節(jié)點(diǎn)被生 成的所有路徑經(jīng)歷的可能性更為相似。因而，經(jīng)由該路由所產(chǎn)生的觀測(cè)矩陣中，各行中非零 值的個(gè)數(shù)，以及矩陣中非零值的位置分布能滿足基于稀疏觀測(cè)矩陣的壓縮感知精確重構(gòu)的 要求，滿足將壓縮感知有效運(yùn)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必要條件，能夠以很低的誤差用少量的觀測(cè)值重構(gòu)得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息值。


圖1為本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域 上方時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，其中，該網(wǎng)絡(luò)的最右一列為節(jié)點(diǎn)的第1列；圖2為本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域 上方時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，其中，該網(wǎng)絡(luò)的最左一列為節(jié)點(diǎn)的第1列；圖3為本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域 下方時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D；圖4為本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域 左方時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D；圖5為本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域 右方時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D；圖6為本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由選擇方法的流程 圖；圖7為用不同M值對(duì)應(yīng)的信息重構(gòu)誤差來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明所公開(kāi)方法的性能的仿真結(jié) 果圖。圖1至圖5中，黑色方塊表示匯聚節(jié)點(diǎn)，空心圓圈表示傳感器節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為矩陣式結(jié)構(gòu)，呈棋盤(pán)式網(wǎng)格狀。根據(jù)矩陣式無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域的相對(duì)位置，該網(wǎng)絡(luò)包括四種拓?fù)鋮R聚節(jié)點(diǎn) 位于傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域的上方，如圖1和圖2所示；匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū) 域的下方，如圖3所示；匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域的左方，如圖4所示；匯聚節(jié) 點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域的右方，如圖5所示。以圖1為例，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié) 點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域的上方，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)錇檎叫?矩陣(即# X #矩陣)，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在正方形矩陣式網(wǎng)絡(luò)中各小格的頂點(diǎn)位 置，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，除位于網(wǎng)絡(luò)四周邊緣處的節(jié)點(diǎn)，均沿著網(wǎng)絡(luò)有上下左右四個(gè)相 鄰節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)方法如下如圖1所示，位于網(wǎng)絡(luò)最下端一行的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從右向 左依次為1，2，3，……，#，編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在行為第1行，該編號(hào)為1的傳感器 節(jié)點(diǎn)所在列為第1列，網(wǎng)絡(luò)中，由下往上依次為第1，2，3，……，、灰行，由右往左依次為第 1,2,3,……，#列，每一行的節(jié)點(diǎn)由第1列至第^列依次加1進(jìn)行編號(hào)，對(duì)一行的節(jié)點(diǎn)編 號(hào)完成后繼續(xù)從其后一行的第1列節(jié)點(diǎn)開(kāi)始往該后一行的第#列節(jié)點(diǎn)依次加1進(jìn)行編號(hào)， 后一行第1列節(jié)點(diǎn)的編號(hào)是其前一行最后一列(即第#列)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)加1 ；位于該網(wǎng)絡(luò) 中第1行第了列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)則為#.(/ — 1) + </，其中，/，1/￡[1，#]，1，了均為正整 數(shù)。故圖1中，節(jié)點(diǎn)a的編號(hào)為+ 4，節(jié)點(diǎn)b的編號(hào)為+ 5，節(jié)點(diǎn)c的編號(hào)為3# + 4， 節(jié)點(diǎn)d的編號(hào)為3# + 5。在對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域的上方時(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)時(shí)，也可如圖2所示，令位于網(wǎng)絡(luò)最下端一行的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從左向右依 次為1，2，3，……，#，其他節(jié)點(diǎn)的編號(hào)規(guī)則與圖1所示的實(shí)施方式的編號(hào)規(guī)則相同。在本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包均能被正確的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。具體地說(shuō)，如圖6所示，本發(fā)明面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由 選擇方法的步驟為(1)當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的上方或下方時(shí)，將位于所述 網(wǎng)絡(luò)中第I行的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定SP1，且P1滿足式(1)的關(guān)系 式P1 =a'/yfN,(1)另將位于所述網(wǎng)絡(luò)中第^行的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為 P辦，且7W滿足式(2)的關(guān)系式^7 =0- Σ(2)
1=\假設(shè)選擇路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為Μ，則位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I行和第^行的傳感器
節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的平均次數(shù)N1 ^分別為式(3)和式(4)N1 = MP1,(3)=MP^(4)當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的左方或右方時(shí)，將位于所述網(wǎng)絡(luò) 中第I列的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為P1，且P1滿足式⑴的關(guān)系式P1 =α'/4Ν,(1)另將位于所述網(wǎng)絡(luò)中第#列的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為 ，且&滿足式(2)的關(guān)系式=(1- Yj a!)/4N(2)
I=I假設(shè)選擇路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為M，則位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I列和第#列的傳感器
節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的平均次數(shù)N1分別為式(3)和式(4)N1 = MP1,(3)=MP^(4)式⑴和(2)中，/ = 1,2,..·，#-1; α = 0. 5，為權(quán)重參數(shù)；式⑶和(4)中，M為
滿足M > K log N的任意整數(shù)；N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，K為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲得的檢測(cè) 對(duì)象信息的稀疏性指標(biāo)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的平均次數(shù)作如上設(shè)定，平均將 有M個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)。(2)所述網(wǎng)絡(luò)以上述設(shè)定的概率隨機(jī)選擇網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)并 作為準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。各被選中的準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包中所包含的信息 為該節(jié)點(diǎn)的編號(hào)信息和該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算信息，所述運(yùn)算信息為該準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)獲取的檢測(cè)對(duì)象的信息與生成的隨機(jī)數(shù)的乘積。(3)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)按如下方法選擇接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)判斷準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)是否為N，若是，則選擇匯聚節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù) 包的下一跳節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行步驟(5)；否則，判斷該節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否屬于區(qū)間[(、/▽-+ Λ0 或是否能被^^整除若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)屬于區(qū)間“^^!).^ + ；!，]^，則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1的節(jié)點(diǎn) 或者匯聚節(jié)點(diǎn)為下一跳節(jié)點(diǎn)如果匯聚節(jié)點(diǎn)被選中則執(zhí)行步驟(5)，否則執(zhí)行步驟(4)；若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)能被^整除，則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)減L的節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)
包的下一跳節(jié)點(diǎn)，其中L為區(qū)間[f,^ — !]內(nèi)的任意正整數(shù)；若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)既不屬于區(qū)間1># + 1，A0也不能被#整除，則選擇編號(hào)為 該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1的節(jié)點(diǎn)或者編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加#的節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)占.
^ \\\ (4)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)包發(fā)送至步驟(3)選定的下一跳節(jié)點(diǎn)；該下一跳節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后判斷該數(shù)據(jù)包中的編號(hào)信息中是否存在該下一 跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，若不存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，則將該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身運(yùn)算信 息與其接收到的數(shù)據(jù)包中的運(yùn)算信息相疊加并同時(shí)將該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)信息添加 至其接收到的數(shù)據(jù)包中以使該接收到的數(shù)據(jù)包得到更新，該更新后的數(shù)據(jù)包為該下一跳節(jié) 點(diǎn)的準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；若存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，則將該下一跳節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù) 據(jù)包作為該下一跳節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；接著以該下一跳節(jié)點(diǎn)為下一步路徑選擇中準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行步驟(3)；(5)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包，所述隨機(jī)路由選擇結(jié)束。綜上，基于壓縮感知的路由選擇方法應(yīng)首先滿足路由選擇的隨機(jī)性。隨機(jī)性的實(shí) 現(xiàn)主要表現(xiàn)在路由選擇中各個(gè)參數(shù)的確定均為隨機(jī)的。在本發(fā)明涉及的矩陣式無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中，路由選擇中的參數(shù)包括選擇哪些節(jié)點(diǎn)為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)，被選中的準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包 的節(jié)點(diǎn)如何選擇下一跳節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知數(shù)據(jù)信息時(shí)的加權(quán)系數(shù)。在本發(fā)明的路由選 擇方法中，以設(shè)定權(quán)重的概率隨機(jī)地選擇無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù) 據(jù)，開(kāi)啟任意路徑；在每一條路徑中，被選中的準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地選擇下一跳節(jié) 點(diǎn)；被選中的準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)是利用隨機(jī)數(shù)生成器生成的隨機(jī) 數(shù)，從而能實(shí)現(xiàn)路由的隨機(jī)性。在滿足經(jīng)由本發(fā)明路由選擇方法生成的觀測(cè)矩陣中非零值的數(shù)目足夠的前提下， 非零值位置的均勻分布能提高基于壓縮感知的路由選擇方法的有效性。在本發(fā)明涉及的矩 陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于第N個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置固定，所以如果按照均勻分布概率隨機(jī)選 取網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)作為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的話，按照相應(yīng)的路由方式，將會(huì)使某些位置上的節(jié)點(diǎn) 經(jīng)歷的次數(shù)較多，而另一些位置上的節(jié)點(diǎn)則較少被經(jīng)歷。對(duì)于選擇哪些節(jié)點(diǎn)為路徑開(kāi)啟節(jié) 點(diǎn)，本發(fā)明首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)與第N個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近關(guān)系，在概率選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為
路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)時(shí)給予分配不同的權(quán)重，如前所述，對(duì)矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第^^行或第#列傳感器節(jié)點(diǎn)被選作為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為^’將其它傳感器節(jié)點(diǎn)被選作為 路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為P1，因而在保證路徑中所包含節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不會(huì)過(guò)少的同時(shí)，亦 保證了生成的所有路徑中網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)被經(jīng)歷的次數(shù)大致相同，從而保證了所得到觀測(cè)矩陣 具有足夠的非零點(diǎn)以及非零點(diǎn)位置的均勻分布。 經(jīng)過(guò)仿真，本發(fā)明公開(kāi)的面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由選擇方 法可被證實(shí)其在對(duì)所述矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)的高效性。仿真采用 matlab軟件。仿真中的參數(shù)設(shè)置如下傳感器節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)N = 1024，網(wǎng)絡(luò)信息的稀疏性 指標(biāo)K = 20。仿真中的參數(shù)設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)本具體實(shí)施過(guò)程，在其他實(shí)施過(guò)程中，參數(shù)也可
被設(shè)置為其他相應(yīng)的滿足要求的數(shù)值。仿真的性能指標(biāo)為在匯聚節(jié)點(diǎn)處信息的重構(gòu)誤差， \ χ — χ'
ε pcf1'其中x是所述網(wǎng)絡(luò)中待采集的初始信息值，x'是匯聚節(jié)點(diǎn)處信息的重構(gòu)值。
誤差越小表示重構(gòu)得到的信息值與待采集的初始信息值越接近。仿真過(guò)程中，改變選擇路 徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)數(shù)目M的值，M的值可在大于200的正整數(shù)中任意選取，在此仿真中，從大范圍 上觀測(cè)重構(gòu)誤差隨M值的變化情況，M的值依次取200、300、400、500、600、700、800，經(jīng)仿真 得出相應(yīng)的信息重構(gòu)的誤差值。仿真結(jié)果如圖7所示，其中X軸表示M的取值，Y軸表示信 息值的重構(gòu)誤差。由圖7可以看出，當(dāng)M = 200時(shí)，信號(hào)重構(gòu)的誤差最大，此時(shí)誤差值約為 0. 022，是一個(gè)很小的誤差值；隨著M值的增加，誤差很快下降到0. 01以下并逐漸趨近于零； 當(dāng)M值達(dá)到600時(shí)，誤差已經(jīng)在0.001以下了。由于理論上要精確恢復(fù)需滿足M > K log N， 在本仿真中M值應(yīng)大于200，因此當(dāng)M = 200時(shí)誤差值為0. 022是令人滿意的，并且之后誤 差下降很快。由此可以看出，利用經(jīng)由本發(fā)明公開(kāi)的面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重 的隨機(jī)路由選擇方法，通過(guò)采集少量信息值，可以以很低的誤差恢復(fù)出網(wǎng)絡(luò)中的全部信息。 故本發(fā)明的有效性和高效性被得到證實(shí)。
權(quán)利要求
一種面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由選擇方法，其特征是所述網(wǎng)絡(luò)中包含N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，其中為正整數(shù)，所述N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)錇榫仃囆螤?，所述匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的外部若匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的上方或下方，則所述網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)一行的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從一端到另一端依次為1，2，3，……，其中編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在行為第一行，該編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在列為第一列；位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I行、第J列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為其中，I，J均為正整數(shù)；若匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的左方或右方，則所述網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)一列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從一端到另一端依次為1，2，3，……，其中編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在行為第一行，該編號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)所在列為第一列，位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I行、第J列的傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為其中，I，J均為正整數(shù)；進(jìn)行所述路由選擇時(shí)包括如下步驟(1)將所述網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率設(shè)定為PI或且PI和分別滿足如式(1)和式(2)所示的關(guān)系式 <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>I</mi></msub><mo>=</mo><msup> <mi>&alpha;</mi> <mi>I</mi></msup><mo>/</mo><msqrt> <mi>N</mi></msqrt><mo>,</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>P</mi> <msqrt><mi>N</mi> </msqrt></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <msqrt><mi>N</mi> </msqrt> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <msup><mi>&alpha;</mi><mi>I</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msqrt> <mi>N</mi></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>在式(1)和(2)中，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的上方或下方時(shí)，PI表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I行的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率，表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第行的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)位于N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域的左方或右方時(shí)，PI表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第I列的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率，表示位于所述網(wǎng)絡(luò)中第列的傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率；α＝0.5，為權(quán)重參數(shù)；(2)所述網(wǎng)絡(luò)以上述設(shè)定的概率隨機(jī)選擇網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)并作為準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)，各被選中的準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包中所包含的信息為該節(jié)點(diǎn)的編號(hào)信息和該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算信息，所述運(yùn)算信息為該節(jié)點(diǎn)獲取的檢測(cè)對(duì)象的信息與生成的隨機(jī)數(shù)的乘積；(3)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)按如下方法選擇接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)判斷準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)是否為N，若是，則選擇匯聚節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行步驟(5)；否則，判斷該節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否屬于區(qū)間或是否能被整除若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)屬于區(qū)間則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1的節(jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)為下一跳節(jié)點(diǎn)如果匯聚節(jié)點(diǎn)被選中則執(zhí)行步驟(5)，否則執(zhí)行步驟(4)；若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)能被整除，則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)減L的節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)，其中L為區(qū)間內(nèi)的任意正整數(shù)；若該節(jié)點(diǎn)編號(hào)既不屬于區(qū)間也不能被整除，則選擇編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1的節(jié)點(diǎn)或者編號(hào)為該節(jié)點(diǎn)編號(hào)加的節(jié)點(diǎn)為接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)；(4)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)包發(fā)送至步驟(3)選定的下一跳節(jié)點(diǎn)；該下一跳節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后判斷該數(shù)據(jù)包中的編號(hào)信息中是否存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，若不存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，則將該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身運(yùn)算信息與其接收到的數(shù)據(jù)包中的運(yùn)算信息相疊加并同時(shí)將該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)信息添加至其接收到的數(shù)據(jù)包中以使該接收到的數(shù)據(jù)包得到更新，該更新后的數(shù)據(jù)包為該下一跳節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；若存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，則將該下一跳節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包作為該下一跳節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；接著以該下一跳節(jié)點(diǎn)為下一步路徑選擇中準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行步驟(3)；(5)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包，所述隨機(jī)路由選擇結(jié)束。FSA00000203311300011.tif,FSA00000203311300012.tif,FSA00000203311300013.tif,FSA00000203311300014.tif,FSA00000203311300015.tif,FSA00000203311300016.tif,FSA00000203311300017.tif,FSA00000203311300018.tif,FSA00000203311300019.tif,FSA00000203311300021.tif,FSA00000203311300022.tif,FSA00000203311300023.tif,FSA00000203311300024.tif,FSA00000203311300025.tif,FSA00000203311300026.tif,FSA00000203311300027.tif,FSA00000203311300028.tif,FSA00000203311300029.tif,FSA000002033113000210.tif,FSA000002033113000211.tif,FSA000002033113000212.tif,FSA000002033113000213.tif
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了面向矩陣式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分配權(quán)重的隨機(jī)路由選擇方法(1)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)被選作路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)的概率；(2)以根據(jù)概率隨機(jī)選擇的傳感器節(jié)點(diǎn)為路徑開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)和準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)；(3)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)根據(jù)判斷該節(jié)點(diǎn)編號(hào)選擇接收其數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點(diǎn)；(4)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)包發(fā)送至選定的下一跳節(jié)點(diǎn)；下一跳節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后判斷數(shù)據(jù)包的編號(hào)信息中是否存在該下一跳節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)，由此更新該下一跳節(jié)點(diǎn)所接收到的數(shù)據(jù)包或以接收到的數(shù)據(jù)包作為其準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包；接著以該下一跳節(jié)點(diǎn)為下一步路徑選擇中準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行步驟(3)；(5)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包，隨機(jī)路由選擇結(jié)束。
文檔編號(hào)H04W40/14GK101895957SQ201010235468
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者夏羽, 張宏綱, 王曉, 趙寧, 趙志峰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)