專利名稱：一種基于粗糙集的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種基于粗糙集的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法，該方案主要用來解決無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)電池能量、計算能力、存儲容量以及通信帶寬有限的問題，對于有效減少能源消耗，延長整個無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期起著十分重要的作用。該發(fā)明屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一方面由于圖像、音頻、視頻等信息數(shù)據(jù)量巨大，因此完整的存儲、傳輸這些數(shù)據(jù)將給節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)帶來較多的通信負(fù)擔(dān)和能量消耗；另一方面，從用戶的角度看，用戶關(guān)心的不是某一個具體節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而是整個場景或某個目標(biāo)的全面監(jiān)測。因此必須從這些大量冗余的數(shù)據(jù)中提取用戶真正感興趣的內(nèi)容，丟棄不必要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合就是這樣一種技術(shù)，它可以對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，剔除冗余，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)。從而達(dá)到節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能量、增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性以及提高收集數(shù)據(jù)的效率的目·的。目前，針對傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究已有不少，并且從不同的角度，可以將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為不同的類型。例如根據(jù)數(shù)據(jù)融合前后的信息含量，可以分為無損融合和有損融合；根據(jù)數(shù)據(jù)融合是否基于應(yīng)用數(shù)據(jù)的語義，可以分為依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合，獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合以及結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合；根據(jù)對傳感器數(shù)據(jù)的操作級別，可以將數(shù)據(jù)融合分為數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。此外，數(shù)據(jù)融合技術(shù)還可以在網(wǎng)絡(luò)的各協(xié)議層實現(xiàn)。應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)融合利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，應(yīng)用層接口也采用類似 SQL (Structured Query Language)的風(fēng)格，通過執(zhí)行 MIN、MAX、COUNT 等融合查詢操作達(dá)到數(shù)據(jù)融合的效果；網(wǎng)絡(luò)層中的數(shù)據(jù)融合是通過在路由協(xié)議中加入數(shù)據(jù)融合機(jī)制，以減少數(shù)據(jù)傳輸量，減輕數(shù)據(jù)匯聚過程中的網(wǎng)絡(luò)擁塞，協(xié)助路由協(xié)議延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。典型的路由驅(qū)動型的數(shù)據(jù)融合算法有定向擴(kuò)散路由協(xié)議和分層聚簇路由協(xié)議。定向擴(kuò)散路由協(xié)議是一個以數(shù)據(jù)為中心的路由融合協(xié)議，數(shù)據(jù)融合包括路徑建立階段的興趣融合和數(shù)據(jù)傳輸階段的數(shù)據(jù)融合，但是這種方法不利于鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合；低能耗自適應(yīng)分層聚簇(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)協(xié)議使用分簇的方法使得數(shù)據(jù)融合的地位凸顯出來。它將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個簇，每個簇選取一個簇頭，每個簇頭在收到本簇成員的數(shù)據(jù)后進(jìn)行融合處理，并將結(jié)果直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。但是LEACH算法僅強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)融合的重要性，并未給出具體的融合方法。而Lindsey等人提出的PEGASIS(Power Efficient Gathering in Sensor InformationSystem)算法對 LEACH 的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了改進(jìn)，采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，具有更好的融合性能。然而，PEGASIS中鏈的長度與節(jié)點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量規(guī)模很大，因此在數(shù)據(jù)融合時為產(chǎn)生很大的延遲；除了與應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，又出現(xiàn)了獨(dú)立于應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合機(jī)制(Application)，其基本思想就是不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，而根據(jù)下一跳地址進(jìn)行多個數(shù)據(jù)單元的合并，通過減少數(shù)據(jù)封裝頭部的開銷以及MAC層的發(fā)送沖突來達(dá)到節(jié)省能量的效果。
以上幾種融合方案均不適用于傳輸音頻、視頻等多媒體信息的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)。而本方案將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究與數(shù)據(jù)融合算法相結(jié)合，提出一種基于粗糙集的數(shù)據(jù)融合方案，使得節(jié)點(diǎn)采集的信息既可以沿優(yōu)化的融合路徑轉(zhuǎn)發(fā)，同時又可以通過使用粗糙集理論的不可分辨關(guān)系識別出冗余的信息以獲得約簡的信息，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的主要是針對無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限的問題，提出一種基于粗糙集的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法(RSDF:Rough Setbased DataFusion in Wireless Multimedia SensorNetworks),以減少傳感器節(jié)點(diǎn)消耗的能量,從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。技術(shù)方案首先給出幾個定義粗糙集建立在分類機(jī)制的基礎(chǔ)上，將分類理解為在特定空間上的等價關(guān)系，而等價關(guān)系構(gòu)成了對該空間的劃分。主要思想是利用已知的知識庫，將不精確或不確定的知識用已知的知識庫中的知識來近似刻畫。不可分辨關(guān)系若兩個對象具有相同的信息，即它們是等價的，則認(rèn)為它們是一種不可分辨關(guān)系。假設(shè)集合P為一族等價關(guān)系，且X e P，如果ind(P)=ind(P-{x})，其中ind(P)為P的所有等價關(guān)系的交，則稱X為P中不必要的；否則稱X為P中必要的。如果每個X G P都為P中必要的，則稱P為獨(dú)立的；否則稱P為依賴的。約簡假設(shè)集合泛Q產(chǎn)，如果Q是獨(dú)立的，且ind (Q) =ind⑵，則稱集合Q是集合P的一個約簡。P 的最小約簡記作 red (P)。且有，則 ind (red (P)-{x}) ^ ind (P) 核P中所有必要關(guān)系組成的集合成為關(guān)系P的核，記作CORE(P)。
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可辨識矩陣令決策表系統(tǒng)S=〈U，A，V，f>，其中U={Xl，x2, - ,xn}是論域，A=C U D是屬性集合，子集CHai I i=l，-,m}和D=dn8uhelbkzum分別稱為條件屬性和決策屬性集，P= y/=，Va是屬性a的值域，f:UXA — V是一個信息函數(shù)，它為每個節(jié)點(diǎn)采集的信息的每個屬性賦予一個信息值。Si(Xj)是節(jié)點(diǎn)Xj采集的信息在屬性％上的取值。CD(i，j)表示可辨識矩陣中第i行和第j列的元素，則可辨識矩陣Cd定義為
權(quán)利要求
1.一種基于粗糙集的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于將優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于粗糙集理論的數(shù)據(jù)融合算法相結(jié)合，有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期，該方案的具體過程如下 第一步，網(wǎng)絡(luò)的初始化 步驟I)將N個多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻地分布在區(qū)域A內(nèi)部，每個節(jié)點(diǎn)有唯一的編號1，2，...，N;在節(jié)點(diǎn)的具體地理位置已知的情況下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體位置信息，將區(qū)域A劃分成m個相同大小的正方形區(qū)域Au，各區(qū)域Aij成為一個簇； 步驟2)每個多媒體節(jié)點(diǎn)首先以通信半徑r廣播普通節(jié)點(diǎn)消息CM(Ci, IDi, Ei, Li (x, y))(i=l, 2，. . .，N)，該消息包含節(jié)點(diǎn)所在簇的編號Ci,節(jié)點(diǎn)標(biāo)識IDp節(jié)點(diǎn)剩余能量Ei和節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)LiU, y)； 步驟3)節(jié)點(diǎn)所屬簇的其它所有節(jié)點(diǎn)都是該節(jié)點(diǎn)的鄰居，每個節(jié)點(diǎn)只接收同一簇的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的普通節(jié)點(diǎn)消息并根據(jù)該消息更新其鄰居信息表鄰居信息表記錄著該節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識IDp剩余能量Ei和位置坐標(biāo)Li (X, y)； 步驟4)只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于預(yù)先設(shè)定的能量閾值Ethres時才有機(jī)會參與簇內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)的競爭，成為候選簇頭節(jié)點(diǎn)；候選簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自更新后的鄰居信息表，得到自己 到所有鄰居節(jié)點(diǎn)距離的平方和，即
全文摘要
無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很靈活的部署于用戶感興趣的區(qū)域中感知更豐富的音頻、視頻等多媒體信息。但是由于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都是采用電池供電，并且采集傳輸多媒體信息的硬件功耗遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，所以如何節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量使得網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化是設(shè)計和實現(xiàn)無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要難點(diǎn)和挑戰(zhàn)之一。針對該問題，本發(fā)明提出了一種基于粗糙集的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方案，該方案首先構(gòu)建優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過一定的規(guī)則挑選出簇頭節(jié)點(diǎn)，且在簇頭節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建數(shù)據(jù)融合樹，使得采集的信息可以沿著優(yōu)化的融合路徑轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)省節(jié)點(diǎn)因傳輸數(shù)據(jù)而消耗的能量。其次，通過運(yùn)用粗糙集理論的不可分辨關(guān)系消除冗余以獲得約簡的信息，約簡后的信息不僅更加準(zhǔn)確而且比原始數(shù)據(jù)量大大減少，從而進(jìn)一步節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號H04W40/10GK103052130SQ20121047255
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者王汝傳, 吳蓉, 沙超, 黃海平, 孫力娟, 錢藝升, 陳九天, 封娟 申請人:南京郵電大學(xué)