无线传感器网络中基于压缩感知的移动数据收集技术研究

摘要

无线传感器网络的一个主要任务是传感器节点协作地感知和收集数据，并将其传送到Sink节点进行计算处理。由于硬件技术的局限，传感器节点只有有限的能量、通信带宽和存储能力。如何在资源受限、节点密集的无线传感器网络中实现高效的数据收集是当前研究的难点问题。本文针对无线传感器网络的特点，研究了基于压缩感知技术的无线传感器网络移动数据收集的问题。
　　针对数据收集过程中的能量消耗问题，建立了移动数据收集模型，提出了基于移动数据收集器的单跳数据收集机制。通过规划收集器采集数据的位置，以覆盖全网所有的传感器节点，保证移动数据收集器的一次采集就能收集整个网络中的感知数据。在采集点选择过程中，分别提出了基于最小集合覆盖的启发式采集点选择算法、基于邻居集的启发式采集点选择算法、基于最短距离的启发式采集点选择算法。在此基础上，通过蚁群算法对获取的采集点进行最短路径求解，得到最优的移动数据收集器收集路线。进一步，利用遗传算法的寻优能力，提出了基于遗传算法与蚁群算法的移动数据收集路线规划算法。仿真结果表明，所提算法能够有效减少移动数据收集器收集路线的距离，延长网络生命周期。
　　针对大规模无线传感器网络数据收集问题，为了进一步提高数据采集效率，建立了有限多跳数据转发模型，提出一种基于多跳的移动数据收集机制。通过选择数据采集点，局部地进行数据融合进而将数据传输给移动数据收集器。当某些传感器节点隶属于这些采集点时，通过限制转发跳数以节省能量并降低数据收集延迟。考虑到节点存储容量与节点能量等资源受限的特征，且传感器节点传递的数据具有高度的时间和空间相关性，通过引入压缩感知技术，以降低采集的数据流，从而降低节点能耗并提高网络的生命周期。根据相邻阶段重建信号的能量差，通过变步长逐步分阶段实现对稀疏度的逼近，提出一种变步长自适应匹配追踪算法。一系列仿真实验验证了算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 无线传感器网络概述

1．2．1 无线传感器网络的起源和发展

1．2．2 无线传感器网络的体系结构

1．2．3 无线传感器网络的特点

1．2．4 无线传感器网络的应用

1．3 压缩感知技术概述

1．4 课题来源

1．5 本文的主要内容和结构

第2章 无线传感器网络的数据收集技术

2．1 无线传感器网络中的数据收集协议

2．2 无线传感器网络中数据收集过程中的能量消耗

2．2．1 基于多任务数据共享的数据收集方法

2．2．2 基于采样的数据收集方法

2．3 无线传感器网络移动数据收集问题

2．4 无线传感器网络数据压缩

2．4．1 基于节点问数据相关性的压缩算法

2．4．2 基于数据传输特tl生和封包结构的压缩算法

2．4．3 基于预编码的压缩算法

2．4．4 压缩感知在无线传感器网络中的应用

2．5 本章小结

第3章 基于移动收集器的单跳数据收集

3．1 问题描述

3．2 网络模型

3．3 启发式移动数据收集算法

3．3．1 基于最小集合覆盖的启发式采集点选择算法

3．3．2 基于邻居集的启发式采集点选择算法

3．3．3 基于最短距离的启发式采集点选择算法

3．4 基于遗传算法与蚁群算法的移动数据收集路线规划

3．4．1 遗传算法概述

3．4．2 基于遗传算法与蚁群算法的移动数据收集路线规划

3．5 仿真结果和性能分析

3．6 本章小结

第4章 基于压缩感知的多跳数据压缩收集

4．1 问题描述

4．2 有限多跳转发数据收集算法

4．2．1 网络模型

4．2．2 最短路径树生成算法描述

4．3 压缩感知与重建算法

4．3．1 信号的稀疏表示

4．3．2 压缩感知的线性测量过程

4．3．3 压缩感知的重建过程及常用算法

4．4 变步长自适应匹配追踪算法

4．5 仿真结果与性能分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研情况