一種基于連通度分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，更具體的涉及一種基于連通度分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork)具有可靠、低廉、易于部 署等特征。在環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布密集，同一感知 區(qū)域內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)有一定相似性，若將每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到 1義節(jié)點(diǎn)，不僅毫無必要，而且會(huì)產(chǎn)生大量冗余的通信數(shù)據(jù)包，且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)感 知的數(shù)據(jù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均保持相對(duì)穩(wěn)定，從而造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。
[0003] 近年來，壓縮感知（CompressedSensing,CS)理論為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技 術(shù)帶來了革命性的突破。壓縮感知不僅能夠利用遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣速率采集的少量數(shù)據(jù) 完成對(duì)信號(hào)的獲取，從而減少無線感知節(jié)點(diǎn)的通信總量，同時(shí)還能平衡網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載。然 而，僅僅經(jīng)過單純的壓縮感知處理，網(wǎng)絡(luò)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量依然很大。因此，提出在無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合壓縮感知和分簇來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃枷搿?br>[0004] 分簇具有拓?fù)涔芾矸奖?、能量利用高效、?shù)據(jù)融合簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。將感知區(qū)域內(nèi)的感 知節(jié)點(diǎn)劃分成多個(gè)簇，每個(gè)簇通常包括一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù) 責(zé)對(duì)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而減少數(shù)據(jù)通信量。此外，簇頭節(jié)點(diǎn)還擔(dān)當(dāng)M 節(jié)點(diǎn)的代理，對(duì)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。在一個(gè)簇內(nèi)，成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，然后將采 集的數(shù)據(jù)上傳至簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)承擔(dān)簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集、壓縮融合處理、簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及 將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至1動(dòng)節(jié)點(diǎn)等功能。簇內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)簇頭節(jié)點(diǎn)壓縮融合處理后將減少大 量的冗余數(shù)據(jù)。然而，壓縮算法在減少傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)增加簇頭節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能量，這是 因?yàn)榛诖亟Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)過分依賴于簇頭節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗要比 簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)快，以至于網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡，加快網(wǎng)絡(luò)的死亡。因此，簇頭的輪換機(jī)制尤 顯重要。
[0005] 綜上所述，現(xiàn)有基于分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方法都能在一定程度上減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù) 傳輸，從而減少存儲(chǔ)和冗余數(shù)據(jù)的傳輸量，但是，針對(duì)如何在減少大量的冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?時(shí)，還均衡網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)的能量消耗的技術(shù)難題，目前尚沒有合適的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于，提出一種基于連通度分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方 法。將感知節(jié)點(diǎn)按地理位置劃分成簇，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連通度、剩余能量和到lil節(jié)點(diǎn)的最小 跳數(shù)采用輪換策略選舉最佳簇頭；簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)計(jì)算一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)的期望和 方差，僅將在一定范圍內(nèi)變化的期望和方差的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)于收集的 待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)再進(jìn)行相應(yīng)處理，最后將得到的觀測(cè)值發(fā)送給M節(jié)點(diǎn)；此過程不僅能夠均衡 網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)的能量消耗，還能有效減少大量的冗余數(shù)據(jù)，從而減小通信量。
[0007] 本發(fā)明的主要步驟為：首先，證i|節(jié)點(diǎn)將感知節(jié)點(diǎn)按地理位置劃分成簇，并根據(jù)感 知節(jié)點(diǎn)所屬簇以及在簇中的位置，給感知節(jié)點(diǎn)編號(hào)；然后，感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì) 算連通度1|#，并選擇每個(gè)簇中擁有最大選擇參數(shù)
>值的節(jié)點(diǎn)作為簇 頭節(jié)點(diǎn)；其次，感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)第|個(gè)單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)_漏的期望爲(wèi)和方差醒_， 判斷是否將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭(7沒|;最后，簇頭對(duì)于待傳輸數(shù)椐進(jìn)行融合處理后得數(shù)據(jù) ，再用測(cè)量矩陣_進(jìn)行測(cè)量，得到觀測(cè)值謂；_歷_|_|來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。
[0008] 本發(fā)明的具體步驟如下： 初始化： 1、 _個(gè)感知節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的分布在一個(gè)￡邏1的方形區(qū)域，湯滿節(jié)點(diǎn)位于方形區(qū)域的中心； 2、 所有感知節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量和傳輸速率，且都能獲取自己的地理位置信息； 所有數(shù)據(jù)傳輸均以最短路徑進(jìn)行傳輸；信道為無損信道； 3、 設(shè)定節(jié)點(diǎn)能量閾值為當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于能量閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)死亡；設(shè)定 簇頭節(jié)點(diǎn)_在第f個(gè)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的能量_占|時(shí)刻前 簇頭節(jié)點(diǎn)_剩余能量的比例閾值為貧，其中g(shù)d|; 4、設(shè)定最佳簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)占感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比率為愛(通常為5%一6%)，則所有感知節(jié)點(diǎn) 按地理位置被分成個(gè)簇，并根據(jù)感知節(jié)點(diǎn)所屬簇以及在簇中的位置對(duì)感知節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)記為%，其中I表示感知節(jié)點(diǎn)所屬簇的編號(hào)表示感知節(jié)點(diǎn)在 簇內(nèi)的編號(hào); 步驟一：設(shè)定感知節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)主動(dòng)廣播其耀1，非同一簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)收到該 信息后丟棄，同一簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)更新自己的鄰節(jié)點(diǎn)表并將節(jié)點(diǎn)本身的通信息回復(fù)給節(jié) 點(diǎn)爲(wèi)ii ?' 步驟二：節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)的回復(fù)信息后更新自己的鄰節(jié)點(diǎn)表，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都更新 完自身的鄰節(jié)點(diǎn)表之后，節(jié)點(diǎn)%統(tǒng)計(jì)與其直接相鄰且位于同一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，記為連通 度％; 步驟三：所有感知節(jié)點(diǎn)向g節(jié)點(diǎn)發(fā)送包，/_包中包含的信息有：感知節(jié)點(diǎn) 的剩余能量連通度和到節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù); 頻@ :M抑棚Si包雅隨轉(zhuǎn)傾姉#誠(chéng)懸數(shù)，雜館 中擁有最大值的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)_，并回復(fù)B包，與第I個(gè)簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)_ 建立連接； 步驟五：簇頭節(jié)點(diǎn)謂|向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播自己被選作簇頭的信息； 步驟六：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)茨以上的感知節(jié)點(diǎn)能量耗盡即網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓狀態(tài)或者 目標(biāo)數(shù)據(jù)收集完成，轉(zhuǎn)步驟十二；否則轉(zhuǎn)步驟七； 步驟七：在第I個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)^采集目標(biāo)數(shù)據(jù)并計(jì)算該目標(biāo)數(shù)據(jù)的 期望^§和方差_; 步驟八：當(dāng)不等式滿足
時(shí)，其中l(wèi)f__， 闕爲(wèi)::賴，艮p感知節(jié)點(diǎn)|i在第蒙個(gè)單位時(shí)間內(nèi)采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)__變化較大，貝ij感知節(jié)點(diǎn) %向簇頭節(jié)點(diǎn)_發(fā)送第f個(gè)單位時(shí)間內(nèi)采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)%|1;否則，不向簇頭節(jié)點(diǎn)_發(fā) 送目標(biāo)數(shù)據(jù)； 步驟九：簇頭節(jié)點(diǎn)€1%收到第t個(gè)單位時(shí)間內(nèi)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù) 黑與'4%訪％的…5其中丨Sfl氣為表示第意個(gè)簇中感知節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，簇頭節(jié) 點(diǎn)_對(duì)于待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)__進(jìn)行融合處理后得數(shù)據(jù)_||，再將融合后數(shù)據(jù)__，用測(cè) 量矩陣為高斯隨機(jī)矩陣）進(jìn)行測(cè)量，得到觀測(cè)值最_IJ||; 步驟十：簇頭節(jié)點(diǎn)_將觀測(cè)值￥^1)發(fā)送給g節(jié)點(diǎn)； 步驟十一：執(zhí)行簇頭輪換策略； 步驟十二：結(jié)束。
[0009] 與現(xiàn)有基于分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 1、本發(fā)明提出的綜合感知節(jié)點(diǎn)所處的位置優(yōu)勢(shì)和剩余能量，選取最合適的節(jié)點(diǎn)作為 簇頭，并采用基于剩余能量的輪換策略，動(dòng)態(tài)更換簇頭，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)的能量消 耗。
[0010] 2、本發(fā)明提出的通過計(jì)算感知節(jié)點(diǎn)在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)的期望和方差， 僅將期望和方差在一定范圍內(nèi)變化的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，并在簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)待傳 輸數(shù)據(jù)進(jìn)行融合壓縮處理后發(fā)送給餘i節(jié)點(diǎn)，能夠有效減少大量的冗余數(shù)據(jù)，從而減小通信 量。
【附圖說明】
[0011] 圖1是一種基于連通度分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于連通度分簇的數(shù)據(jù)壓縮收集方法，結(jié)合圖1，數(shù)據(jù)收集方法 的具體實(shí)施方法如下： 初始化： 1、 _個(gè)感知節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的分布在一個(gè)IIM的方形區(qū)域，i纖節(jié)點(diǎn)位于方形區(qū)域的中心； 2、 所有感知節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量和傳輸速率，且都能獲取自己的地理位置信息； 所有數(shù)據(jù)傳輸均以最短路徑進(jìn)行傳輸；信道為無損信道； 3、設(shè)定節(jié)點(diǎn)能量閾值為4%，當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于能量閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)死亡；設(shè)定 簇頭節(jié)點(diǎn)_在第f個(gè)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的能量占f時(shí)刻前 簇頭節(jié)點(diǎn)嗎剩余能量的比例閾值為貧，其中sC衫i; 4、設(shè)定最佳簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)占感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比率為|?(通常為5% - 6%)，則所有感知節(jié)點(diǎn) 按地理位置被分成個(gè)簇，并根據(jù)感知節(jié)點(diǎn)所屬簇以及在簇中的位置對(duì)感知節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)記為其中I表示感知節(jié)點(diǎn)所屬簇的編號(hào)―表示感知節(jié)點(diǎn)在 簇內(nèi)的編號(hào)^具體步驟如下： 1)、M節(jié)點(diǎn)根據(jù)最佳簇頭數(shù)占感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)的的比率變，可得最佳分簇?cái)?shù)目為： (1) 2) 、盤邊節(jié)點(diǎn)將ixlf的方形區(qū)域均勻劃分成個(gè)部分，即將感知節(jié)點(diǎn)按地理位置分成 i：個(gè)簇，則每個(gè)簇區(qū)域的邊長(zhǎng)為：
(2) 3)、將I：個(gè)簇，從左到右、從上到下依次標(biāo)記為|; 4)、根據(jù)感知節(jié)點(diǎn)所屬簇以及在簇中的位置，給感知節(jié)點(diǎn)從左到右、從上到下依次編號(hào) 為
[0013] 步驟一：設(shè)定感知節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)主動(dòng)廣播其耀，非同一簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)收 到該信息后丟棄，同一簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)更新自己的鄰節(jié)點(diǎn)表并將節(jié)點(diǎn)本身的猶信息回復(fù) 給節(jié)點(diǎn)/。
[0014] 步驟二：節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)的回復(fù)信息后更新自己的鄰節(jié)點(diǎn)表，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都 更新完自身的鄰節(jié)點(diǎn)表之后，節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)與其直接相鄰且位于同一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，記為 連通度
[0015] 步驟三：所有感知節(jié)點(diǎn)向麵節(jié)點(diǎn)發(fā)送纖纖包，繼ft包中包含的信息有：感知節(jié) 點(diǎn)的剩余能量My、連通度和到節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，具體步