基于壓縮感知的分簇式數據收集方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種特別用于無線傳感器網絡的基于壓縮感知的分簇式數據收集方 法，屬于通信技術領域。
【背景技術】
[000引 無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork,WSN)是由一些低功耗、體積小的傳 感器網絡節點，W無線多跳的方式形成的自組織網絡。該些大量分散的節點能夠同時協作， 對某一地域進行實時監控、感知和采集各種數據。但是，無線傳感器網絡節點分布密集，能 量有限。尤其在分簇式數據收集的過程中，大量的感知數據需要經過傳感器網絡節點傳輸 到簇頭，進而傳輸到基站。如何設計高效的數據收集方法成為亟待解決的問題。
[0003] 傳統的數據收集方法通常將大量傳感器節點采集的所有數據經過簇頭節點傳輸 到基站進行處理。然而，在傳感器網絡的數據采集過程中，通常是多個傳感器節點對某一 事件進行感知壓縮，攜帶了大量的兀余數據，大大占用了網絡通信帶寬，帶來了不必要的能 耗。
[0004] 近年來，隨著壓縮感知（compressivesensing,C巧的提出，給無線傳感器網絡的 數據收集開辟了新的道路。壓縮感知理論可W分成H個過程：采樣，測量，重構。采樣：對稀 疏數據進行采樣；測量；對采樣得到的數據進行壓縮測量，得到測量值；重構；由測量值數 據對原始數據進行還原。而現有結合壓縮感知的數據收集方案，主要是通過測量矩陣的設 計、普通分簇、分布式時空相關性等方法來進行。
[0005] 測量矩陣的設計方法，即設計滿足一定特性的矩陣，如設計適合在硬件資源有限 的傳感器節點中實現的循環稀疏伯努利觀測矩陣，使用循環稀疏矩陣與偽隨機伯努利序 列，采用結構化的方法構造。具有非零元素少，良好的偽隨機性，硬件易于實現等優點。在 滿足數據重構誤差的前提下，能夠通過壓縮觀測獲得更少的觀測數據，減少傳輸能耗。
[0006] 普通分簇方法，即通過對網絡執行一定的分簇算法，然后在簇頭中生成隨機采樣 序列并分發給簇成員，然后在簇成員中進行低速隨機采樣，最后在簇頭中進行信號重構。該 方法可W減少一定的傳輸能耗，但是，不能保證重構的質量。
[0007] 分布式時空相關性方法，即在數據收集的過程中，針對目前只對空間感知數據進 行隨機投影操作，而真實網絡中空間感知數據的壓縮性能并不好，從而導致數據恢復質量 差和壓縮數據的傳輸代價大。提出一種分布式時空數據收集方法，可W有效減少網絡中傳 輸的測量值數目。
[0008] 綜上所述，現有的壓縮感知結合傳感器網絡的數據收集策略均能夠減少一定數目 的測量值，從而降低傳輸能耗，但是，對于如何降低簇內傳輸能耗W降低網絡傳輸總能耗， 同時獲得滿足一定誤差值的重構數據，目前尚沒有合適的解決方案。
【發明內容】
[0009] 針對上述問題W及具有一定組織結構的傳感器網絡，提出一種基于壓縮感知的分 簇式數據收集方法。通過將傳感器網絡節點執行基于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇 頭選擇方法，W及重構誤差的反饋，解決數據收集過程中傳輸能耗大、不能得到滿足一定誤 差要求的數據問題。本發明通過將節點執行基于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇頭選 擇方法，獲得最優分簇，降低簇內傳輸能耗，從而盡可能降低傳輸總能耗，同時，通過反饋重 構誤差，得到滿足一定誤差要求的重構數據。
[0010] 本發明，首先對傳感器網絡執行基于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇頭選擇 方法。然后，簇頭收集簇內節點的數據，并產生隨機測量矩陣對收集的數據進行壓縮采樣。 最后，簇頭將壓縮后的數據沿最短路徑算法傳輸到基站，基站產生相同的測量矩陣對壓縮 數據進行重構，如果重構誤差大于一定闊值，則增加測量矩陣行數，使得重構數據滿足一定 誤差闊值。本發明降低了數據收集的能耗，并可W實時調節重構數據的誤差，得到滿足一定 誤差的重構數據。
[0011] 本發明的具體步驟如下： 步驟一、根據節點的鄰接矩陣A，對傳感器網絡節點執行基于邊介數的分簇算法和基 于點介數的簇頭選擇方法，得到網絡分簇q及每個分簇對應的簇頭C& ; 步驟二、簇內節點將感知到的數據傳輸到對應的簇頭C& ; 步驟H、簇頭節點C瑪產生隨機測量矩陣，并對收集的數據式進行壓縮采樣，得到測 量值矩陣Y中的第i列F;-，Fi二P;XJf;; 步驟四、簇頭節點C&經過最短路徑算法將測量值傳輸到基站； 步驟五、基站接收來自簇頭的數據，構成測量值矩陣F= [F~_ ... ，然后基站產生相 同的隨機測量矩陣P，并對原始收集數據1進行重構，重構過程滿足下式： mini別',，s'u&JertSor二PXJT (1) 步驟六、對重構出來的數據S，計算其均方誤差，然后，執行反饋算法，最終，得到滿足 誤差闊值的重構數據； 步驟走、結束。
[0012] 與現有結合壓縮感知的無線傳感器網絡數據收集方法相比，本發明的優點在于： 1、本發明提出的通過節點進行基于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇頭選擇方法， 可W獲得更合理的簇結構，有效減少簇內傳輸的能耗，從而盡可能降低網絡傳輸總能耗； 2、本發明根據重構數據計算重構誤差，進行實時反饋，可W在不增加多余通信能耗的 條件下，得到滿足一定誤差要求的重構數據。
【附圖說明】
[0013] 圖1是實現本發明數據收集的流程圖； 圖2是具有一定組織結構的20節點網絡示意圖； 圖3是20節點網絡劃分結果示意圖； 圖4是對比最短路徑數據收集和基于壓縮感知的分簇式數據收集的能耗結果圖。
[0014] 具體實施方法 本發明設計了基于壓縮感知的分簇式數據收集方法，結合圖1，數據收集的具體實施方 法如下： 針對具有一定組織結構的無線傳感器網絡，設定基站重構數據的誤差闊值馬h，W20節 點網絡（圖2,節點編號從1到20,坐標（0, 0)點為基站節點）和圖片數據為例。具體步驟 如下所示： 步驟一、基站設定數據重構后的均方誤差闊值左; 步驟二、對傳感器網絡節點進行基于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇頭選擇方 法，得到網絡分簇與、C,、Cs、與及每個分簇對應的簇頭C馬、Cffs、C馬、C馬（圖3,其中節 點1、2、3、4、5是一個簇，節點6、7、8、9、10是一個簇，節點11、12、13、14、15是一個簇，節點 16、17、18、19、20是一個簇，每個簇均W不同形狀標明，五角星節點為對應簇內簇頭）； 步驟H、簇內節點將感知到的數據傳輸到對應的簇頭C& ; 步驟四、簇頭節點、C&、CTf,、C&分別產生隨機測量矩陣、P,、1^，并對收集 的數據X:、J^2、心片進行壓縮采樣，得到測量值矩陣￥中的鑛列1^，，1"=二1^^疋； 步驟五、簇頭節點C聲經過最短路徑算法將測量值傳輸到基站； 步驟六、基站接收來自簇頭的數據，構成測量值矩陣F= [F,F,F, ，然后基站產生隨 機測量矩陣P，并對原始收集數據X進行重構，重構過程滿足下式： mini別;，s'lf&Jert化F= P X Jf (1) (2) 步驟走、對重構出來的數據X，按照下式計算均方誤差： 步驟八、對比重構誤差e和誤差闊值.￡&，若誤差大于等于誤差闊值，即e>frt，轉步驟 九，否則轉步驟十； 步驟九、增加測量矩陣F的行數目，重新進行重構，得到重構數據，若重構數據的均方 誤差大于均方誤差闊值，即e>，繼續增加測量矩陣P的行數目，直到均方誤差小于均方 誤差闊值，轉步驟十； 步驟十、結束。
[0015] 為驗證該方法的有效性，本方法通過Matl油仿真平臺進行試驗，將20節點網絡部 署在lOOmX100m的監測區域內，基站坐標為（0,0)。節點具有相同的初始能量，節點消耗 的能量按照下式計算：
【主權項】
1. 一種基于壓縮感知的分簇式數據收集方法，其特征在于，首先，傳感器網絡執行基 于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇頭選擇方法；然后，簇頭收集簇內節點的數據，并產 生隨機測量矩陣對收集的數據進行壓縮采樣；最后，簇頭將壓縮后的數據沿最短路徑算法 傳輸到基站，基站產生相同的測量矩陣對壓縮數據進行重構，如果重構誤差大于一定閾值， 則增加測量矩陣行數，使得重構數據滿足一定誤差閾值；所述方法至少包括以下前提和步 驟： 前提： 傳感器網絡節點分布具有一定的組織結構特性； 基站設定重構數據的均方誤差閾值; 步驟： 步驟一、根據節點的鄰接矩陣A,對傳感器網絡節點執行基于邊介數的分簇算法和基 于點介數的簇頭選擇方法，得到網絡分簇q及每個分簇對應的簇頭afi; 步驟二、簇內節點將感知到的數據傳輸到對應的簇頭; 步驟三、簇頭節點產生隨機測量矩陣pe，并對收集的數據足進行壓縮采樣，得到測 量值矩陣Y中的第i列6KX不； 步驟四、簇頭節點Cff,經過最短路徑算法將測量值A傳輸到基站； 步驟五、基站接收來自簇頭的數據，構成測量值矩陣F=[匕：r2FJ,然后基站產生相 同的隨機測量矩陣P,并對原始收集數據X進行重構，重構過程滿足下式：
(1) 步驟六、對重構出來的數據S，計算其均方誤差，然后，執行反饋算法，最終，得到滿足 誤差閾值的重構數據； 步驟七、結束。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于所述反饋算法，至少還包括： 1)計算重構數據的均方誤差，用e表示，對比重構誤差e和誤差閾值若誤差大于誤 差閾值，SPe>fth,轉步驟2)，否則轉步驟3); 2) 為了提高重構精度，增加測量矩陣P的行數目，重新生成更高維的隨機測量矩陣， 然后，重新進行重構，得到重構數據，若重構后的均方誤差仍然大于誤差閾值，即e>fth,繼 續增加測量矩陣P的行數目，直到誤差小于誤差閾值，轉步驟3); 3) 結束。
【專利摘要】本發明公開了一種基于壓縮感知的分簇式數據收集方法。首先，傳感器網絡執行基于邊介數的分簇算法和基于點介數的簇頭選擇方法。然后，簇頭收集簇內節點的數據，并產生隨機測量矩陣對收集的數據進行壓縮采樣。最后，簇頭將壓縮后的數據沿最短路徑算法傳輸到基站，基站產生相同的測量矩陣對壓縮數據進行重構，如果重構誤差大于一定閾值，則增加測量矩陣行數，使得重構數據滿足一定誤差閾值。本發明降低了數據收集的能耗，并可以實時調節重構數據的誤差，得到滿足一定誤差的重構數據。
【IPC分類】H04W84-18, H04W52-02
【公開號】CN104703262
【申請號】CN201510122417
【發明人】李哲濤, 陳潛, 崔榮埈, 吳相潤, 裴廷睿
【申請人】湘潭大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月20日