基于網(wǎng)絡(luò)編碼與壓縮感知的傳感網(wǎng)絡(luò)分簇式空時(shí)壓縮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于網(wǎng)絡(luò)編碼與壓縮感知的傳感網(wǎng)絡(luò)分簇式空時(shí)壓縮方法，屬于無(wú)線 通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)（時(shí)間序列）往往具有時(shí)間相關(guān)性，同時(shí)在 同一時(shí)間點(diǎn)鄰近的節(jié)點(diǎn)往往因?yàn)楸O(jiān)控同一區(qū)域同一現(xiàn)象而使得觀測(cè)到的數(shù)據(jù)具有空間相 關(guān)性。挖掘傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間相關(guān)性能有效地減少網(wǎng)絡(luò)中冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù) 量，即可有效減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，因此如何挖掘傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的空 時(shí)相關(guān)性已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)具有能量和計(jì)算能力有限等特殊性， 使得一般理論難以應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。幸運(yùn)的是壓縮感知理論把其絕大部分計(jì)算壓力轉(zhuǎn) 移到匯聚節(jié)點(diǎn)，并可有效挖掘數(shù)據(jù)的相關(guān)性，使其非常適合應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。采用壓縮 感知理論，匯聚節(jié)點(diǎn)只需要接收一小部分觀測(cè)信息就可以以很高的概率重建出原始信息， 能夠極大地延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。網(wǎng)絡(luò)編碼理論允許中間節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包做編 碼操作，而不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)包。該編碼方式能夠有效地改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、提 高數(shù)據(jù)傳輸秘密性，同時(shí)通過(guò)豐富傳輸路徑能有效提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。這些網(wǎng)絡(luò)編碼優(yōu)點(diǎn) 促使其與壓縮感知理論融合可有效地延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期和提高傳輸信息的秘密性。 當(dāng)前，融合網(wǎng)絡(luò)編碼與壓縮感知用于挖掘無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)的相關(guān)性已成為一個(gè)非 常有吸引力的課題。
[0003] 當(dāng)前已提出的用于解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)空時(shí)相關(guān)性的方案可大致分成如 下三類(lèi)：
[0004]第一類(lèi)方案只考慮挖掘傳感數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性或時(shí)間相關(guān)性，盡管該類(lèi)方案從一 定程度上減少了網(wǎng)絡(luò)的傳輸次數(shù)，具有簡(jiǎn)單、效率高等特性，但畢竟只考慮空時(shí)相關(guān)性中的 一類(lèi)屬性，沒(méi)能充分地挖掘數(shù)據(jù)的全部相關(guān)性。
[0005]第二類(lèi)方案研究了基于聯(lián)合稀疏模型（JointSparsityModel-JSM)的空時(shí)相關(guān) 性，該類(lèi)方案中數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間相關(guān)性被融合在一起考慮，特點(diǎn)是把時(shí)間和空間序列感 知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)一維向量里，盡管感知數(shù)據(jù)的空時(shí)相關(guān)性都得到了有效挖掘，但該類(lèi)方 案采樣數(shù)據(jù)重建過(guò)程中計(jì)算復(fù)雜度非常高。
[0006]第三類(lèi)方案也同時(shí)考慮了感知數(shù)據(jù)的空時(shí)相關(guān)性，與第二類(lèi)方案最大的區(qū)別在于 其把空間和時(shí)間相關(guān)性區(qū)別開(kāi)來(lái)考慮，該類(lèi)方案的主要思想是首先各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)任意壓縮 采樣時(shí)間序列數(shù)據(jù)，然后壓縮觀測(cè)空間序列數(shù)據(jù)，達(dá)到探索感知數(shù)據(jù)空時(shí)相關(guān)性的目的。該 類(lèi)方案的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易于執(zhí)行，但該類(lèi)方案壓縮采樣數(shù)據(jù)的重建精度不夠高，特別是當(dāng)距 離較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)間感知數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，重建精度更加不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種通過(guò)融合網(wǎng)絡(luò)編碼和 壓縮感知理論來(lái)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)相關(guān)性的挖掘，同時(shí)能夠降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)銷(xiāo)、提高數(shù)據(jù) 重建精度和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的基于網(wǎng)絡(luò)編碼與壓縮感知的傳感網(wǎng)絡(luò)分簇式空時(shí)壓縮方 法。
[0008] 本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)編 碼與壓縮感知的傳感網(wǎng)絡(luò)分簇式空時(shí)壓縮方法，傳感網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)按 預(yù)設(shè)距離劃分獲得的簇，其中，各個(gè)簇分別包括一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，簇頭 節(jié)點(diǎn)為其所在簇中傳感器剩余電量最多的傳感器節(jié)點(diǎn)；所述傳感網(wǎng)絡(luò)分簇式空時(shí)壓縮方法 包括如下步驟：
[0009] 步驟001.各個(gè)簇中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別按時(shí)間維度采集其對(duì)應(yīng)的原始環(huán)境數(shù) 據(jù)，其中，時(shí)間維度上的原始環(huán)境數(shù)據(jù)在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)正交基W上是可壓縮的；各個(gè)簇中的 各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在按時(shí)間維度采集其對(duì)應(yīng)原始環(huán)境數(shù)據(jù)過(guò)程中，采用同一個(gè)預(yù)設(shè)的n*N階 傳感器節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣?針對(duì)時(shí)間維度的原始環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮采樣，各個(gè)簇中各個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)分別獲得對(duì)應(yīng)的各個(gè)壓縮采樣數(shù)據(jù)，各個(gè)簇中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)并分別將其所獲得的 各個(gè)壓縮采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)上傳至其所在簇的簇頭節(jié)點(diǎn)；其中，預(yù)設(shè)的傳感器節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣? 任意取自于一個(gè)N*N單位矩陣中的部分，且該預(yù)設(shè)的傳感器節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣?的行數(shù)n小于 列數(shù)N;
[0010] 步驟002.各個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)分別針對(duì)其所在簇中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的壓縮 采樣數(shù)據(jù)，分別采用預(yù)設(shè)與各個(gè)簇相一一對(duì)應(yīng)的m*M階簇頭節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣i進(jìn)行空間 維度的數(shù)據(jù)壓縮，各個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)分別獲得對(duì)應(yīng)的各個(gè)本簇壓縮數(shù)據(jù)；其中，在空間維 度上各個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)所接收到的壓縮采樣數(shù)據(jù)在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)正交基V'i上是可壓縮 的，W'i表示第i個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)正交基；i為傳感網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)簇頭節(jié) 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣，簇頭節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣中的元素符合獨(dú)立零均值的高斯分布， I<i<I，I為傳感網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)量，M為對(duì)應(yīng)簇中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，m大于等于1，且m 小于對(duì)應(yīng)簇中的M;
[0011] 步驟003.各個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)分別針對(duì)其獲得的各個(gè)本簇壓縮數(shù)據(jù)，分別設(shè)置 編碼系數(shù)bt (e，k)，并根據(jù)編碼系數(shù)bt(e，k)分別針對(duì)各個(gè)本簇壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行線性網(wǎng)絡(luò)編 碼，各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)分別獲得對(duì)應(yīng)其所在簇的各個(gè)本簇壓縮編碼數(shù)據(jù)；其中，bt(e，k)表示在 時(shí)隙t，簇頭節(jié)點(diǎn)針對(duì)其獲得的第k個(gè)本簇壓縮數(shù)據(jù)設(shè)置的編碼系數(shù)，e表示簇頭節(jié)點(diǎn)所對(duì) 應(yīng)下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送鏈路，kG{1，2,…，m}，且當(dāng)t> 1時(shí)，bt(e,k) = 0 ;
[0012] 步驟004.分別針對(duì)各個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下操作，分別判斷簇頭節(jié)點(diǎn)是否 接收到其它簇頭節(jié)點(diǎn)組播發(fā)送來(lái)的簇?cái)?shù)據(jù)，是則簇頭節(jié)點(diǎn)針對(duì)接收到其它簇頭節(jié)點(diǎn)組播所 發(fā)送來(lái)的簇?cái)?shù)據(jù)，設(shè)置編碼系數(shù)at (e，e'），并根據(jù)編碼系數(shù)at (e，e'）針對(duì)該接收到的簇?cái)?shù) 據(jù)進(jìn)行線性網(wǎng)絡(luò)編碼，簇頭節(jié)點(diǎn)獲得對(duì)應(yīng)的其它簇編碼數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的各個(gè)本簇壓縮編 碼數(shù)據(jù)和其它簇編碼數(shù)據(jù)相結(jié)合構(gòu)成對(duì)應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)的簇?cái)?shù)據(jù)；否則將對(duì)應(yīng)的各個(gè)本簇壓縮 編碼數(shù)據(jù)構(gòu)成對(duì)應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)的簇?cái)?shù)據(jù)；其中，at(e，e'）表示在時(shí)隙t，簇頭節(jié)點(diǎn)針對(duì)由接收 鏈路e'所接收到上一跳簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的簇?cái)?shù)據(jù)設(shè)置的編碼系數(shù)，且at(e，e'）符合獨(dú)立零 均值的高斯分布；
[0013] 步驟005.分別針對(duì)各個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下操作，判斷以簇頭節(jié)點(diǎn)為中心、 一跳范圍內(nèi)位于匯聚節(jié)點(diǎn)方向的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中是否存在匯聚節(jié)點(diǎn)，是則該簇頭節(jié)點(diǎn)將其簇?cái)?shù) 據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)；否則該簇頭節(jié)點(diǎn)向位于匯聚節(jié)點(diǎn)方向、一跳范圍內(nèi)的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行組播其簇?cái)?shù)據(jù)，接收到其它簇頭結(jié)點(diǎn)組播發(fā)送來(lái)簇?cái)?shù)據(jù)的簇頭節(jié)點(diǎn)按照步驟004進(jìn)行執(zhí) 行，然后再執(zhí)行步驟005,直至簇?cái)?shù)據(jù)被發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)；
[0014] 步驟006.匯聚節(jié)點(diǎn)針對(duì)接收到的簇?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，獲得傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳 感器節(jié)點(diǎn)的原始環(huán)境數(shù)據(jù)。
[0015] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟006中，匯聚節(jié)點(diǎn)針對(duì)接收到的簇?cái)?shù) 據(jù)，采用聯(lián)合解碼的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，獲得傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的原始環(huán)境數(shù)據(jù)； 其中包括如下過(guò)程，匯聚節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自于各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的簇?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)成數(shù)據(jù)U，如下所 示：
[0017] 其中，為所述傳感網(wǎng)絡(luò)中所有簇頭節(jié)點(diǎn)分別所對(duì)應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣的總矩 陣，Q表示所述傳感網(wǎng)絡(luò)中用于線性網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼系數(shù)矩陣，Y'表示所述傳感網(wǎng)絡(luò)中各 個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)所接收來(lái)自于其簇內(nèi)部各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的壓縮采樣數(shù)據(jù)，I<I<n，y'u表示 所述傳感網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)在第1個(gè)時(shí)間維度上所接收到來(lái)自于其簇內(nèi)部各個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)的壓縮采樣數(shù)據(jù)，V'為所述傳感網(wǎng)絡(luò)中總共I個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正交基 ▽',組成的分塊對(duì)角矩陣，Y'可通過(guò)分塊對(duì)角矩陣的分解獲得相應(yīng)的系數(shù)矩陣0' ；
[0018] 匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)U、Q和已知的?'及，通過(guò)壓縮感知重建算法 求解出對(duì)應(yīng)的Y' ；再根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)觀測(cè)矩陣?、標(biāo)準(zhǔn)正交基W和Y'，通過(guò)壓縮感知重建 算法獲得所述傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的原始環(huán)境數(shù)據(jù)。
[0019] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述壓縮感知重建算法為壓縮采樣匹配追蹤算 法。
[0020] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)正交基W為預(yù)設(shè)的離散余弦 變換矩陣W;所述預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)正交基V' ,為預(yù)設(shè)的離散余弦變換矩陣V'P
[0021] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟005之后、步驟006之前，還包括步驟 005-1 :所述匯聚節(jié)點(diǎn)針對(duì)接收到的各個(gè)簇?cái)?shù)據(jù)，對(duì)具有相關(guān)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)過(guò)濾， 更新接收到的各個(gè)簇?cái)?shù)據(jù)。
[0022] 本發(fā)明所述基于網(wǎng)絡(luò)編碼與壓縮感知的傳感網(wǎng)絡(luò)分簇式空時(shí)壓縮方法采用以上 技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有