專利名稱：基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體而言，是一種基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism-System,簡稱MEMS)、無線通信、信息網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，低成本、低功耗以及多功能的傳感器在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些微型的傳感器節(jié)點集成了數(shù)據(jù)感知、處理與傳輸?shù)裙δ埽ㄟ^節(jié)點間的相互協(xié)作，組成一個自組織網(wǎng)絡(luò)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetworks,簡稱WSN)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)被稱為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，WSN最主要的任務(wù)就是監(jiān)測物理環(huán)境，并將節(jié)點感知的信息高效、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)到基站。這種數(shù)據(jù)交互模式將真實的物理世界和邏輯的信息世界融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通訊，資源勘探，環(huán)境監(jiān)測，軍事防御，災(zāi)難恢復(fù)，醫(yī)療護(hù)理等
坐寸ο在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，最重要的就是數(shù)據(jù)的無線傳輸技術(shù)，相比與有線的數(shù)據(jù)傳輸方法，無線網(wǎng)絡(luò)去掉了施工時間長、投資大且繁瑣的連接導(dǎo)線，從而省去了導(dǎo)線的安裝和校準(zhǔn)工作；去掉了原有用于連接導(dǎo)線和傳感器的儀器設(shè)備，減少了經(jīng)費投入，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)有標(biāo)準(zhǔn)作基礎(chǔ)，功能強，輕易安裝，組網(wǎng)靈活，即插即用的網(wǎng)絡(luò)連接，可移動性等優(yōu)點，提供了不受限制的應(yīng)用。無線數(shù)據(jù)傳輸已逐漸成為一種重要的數(shù)據(jù)傳輸方式?？傊瑹o線數(shù)據(jù)傳輸不僅可以作為有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难a充及延伸，而且還可以與有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境互為備份。在某種非凡環(huán)境下，無線數(shù)據(jù)傳輸是主要的甚至唯一的可行的傳輸方式。在有線網(wǎng)絡(luò)中丟包率非常低，而對于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)丟包是較普遍的事，美國麻省理工的校園無線網(wǎng)絡(luò)丟包率在2%左右，而在一輛快速行駛的火車上，丟包率會上升至5%左右。當(dāng)丟包率升高以后，隨之而來的延遲和重傳會令網(wǎng)絡(luò)傳輸性能大幅下降。這就是無線網(wǎng)絡(luò)在隔了一堵墻或者在一列高速行駛的列車上會變得緩慢的原因之一。在土木工程領(lǐng)域的長期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，無線傳感器與無線傳感網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測未來的發(fā)展趨勢，因其不僅可以提供與傳統(tǒng)有線傳感器類似的功能，而且可以用無線傳感器嵌入的處理器與程序進(jìn)行數(shù)據(jù)自動處理。相比有線的傳感器，無線傳感器可以大量節(jié)省布線成本的與傳感器安裝費用。傳統(tǒng)有線的數(shù)據(jù)采集方式不存在數(shù)據(jù)丟失問題，然而無線傳感器在數(shù)據(jù)無線傳輸過程中會丟失數(shù)據(jù)。無線傳感器數(shù)據(jù)丟失會影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，通過數(shù)值模擬和實驗研究了數(shù)據(jù)丟失的影響，結(jié)果表明O. 5%的數(shù)據(jù)丟失相當(dāng)于在功率譜估計時的5%的噪聲干擾。此外，數(shù)據(jù)丟失會直對模態(tài)分析引入額外的誤差，因此也會影響結(jié)構(gòu)的健康診斷。無線傳輸數(shù)據(jù)丟包其主要原因可以歸結(jié)為無線電的干擾，如其它電子設(shè)備以與無線傳感器相同頻率工作，天氣的原因如下雨、閃電等，無線傳感器安裝位置不合適、無線天線方向不合適，無線數(shù)據(jù)長距離傳輸，以及還有硬件等問題。因此各個領(lǐng)域的在實際工程應(yīng)用中，需要迫切解決數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膩G包問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對無線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)丟失的問題，結(jié)合應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的最新理論，提出了一種基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法。該方法將采集到的無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)在無線傳輸之前采用隨機矩陣進(jìn)行編碼，然后再經(jīng)無線傳感器節(jié)點發(fā)射信號進(jìn)行無線傳輸，在基站當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀接收到數(shù)據(jù)包之后，采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，即使在傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟包，則仍然可以完全恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。這樣可以避免因數(shù)據(jù)丟包需重復(fù)發(fā)送而造成的傳輸網(wǎng)絡(luò)擁堵，極大的增加了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜耘c傳輸速度。本發(fā)明采用如下技術(shù)
假設(shè) 通過線性 映射方式從 信號
xef]Ff中得到長度為數(shù)據(jù)向量yeST :
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，該方法為采集無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，將上述采集的數(shù)據(jù)在無線傳輸之前采用隨機矩陣進(jìn)行編碼，然后再經(jīng)無線傳感器節(jié)點發(fā)射信號進(jìn)行無線傳輸，在基站當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀接收到數(shù)據(jù)包之后采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，按照以下步驟實現(xiàn) 第一步在無線傳感器節(jié)點，將采集得到長度為《的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成長度為 的信號y , / = Φχ,其中》=/ , 矩陣中獨立同分布的元素為滿足均值為O,方差為1/ 的高 斯分布的隨機數(shù)；或為滿足獨立同分布的為服從對稱伯努利分布^^義^/ = ±1/^) = 1/2的數(shù)，然后在無線傳感器節(jié)點內(nèi)，將數(shù)據(jù)_7無線傳輸至基站； 第二步在基站，數(shù)據(jù)采集儀接收到的數(shù)據(jù)中有巧個數(shù)據(jù)點丟失，得到數(shù)據(jù)# ； 第三步根據(jù)數(shù)據(jù)包編碼，確定數(shù)據(jù)丟失的情況，然后確定矩陣φ,其維數(shù)為(rn-φ. ,是由φ矩陣去除掉A行元素之后得到，去除掉的行數(shù)和向量J中丟失的數(shù)據(jù)相對應(yīng)； 第四步建立數(shù)據(jù)重構(gòu)模型y = ΦΨα+e = a+e 式中α是基變換系數(shù)；ψ是一個基矩陣，可以是小波基，傅里葉基或其它的變換基；Θ = ΦΨ κ是數(shù)據(jù)測量與傳輸過程中的噪聲，通過測量得到； 第五步采用1'線性優(yōu)化的方法求解 = arg mm ||魂且卜 < ε得到最優(yōu)的系數(shù)d , S是求解過程中所有可能的解，^是測量誤差的上限值，e>\\42，噪聲g是數(shù)據(jù)測量與傳輸過程中的噪聲，通過測量得到，一般建議取C1 = IbI2 ； 第六步，通過下式計算得到重構(gòu)之后的原始數(shù)據(jù) 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其特征在于所述無線傳感器節(jié)點為加速度傳感器節(jié)點或速度傳感器節(jié)點或位移傳感器節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其特征在于采集無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)為加速度或速度或位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其應(yīng)用于土木健康監(jiān)測領(lǐng)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明主要針對無線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)丟失的問題，結(jié)合應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的最新理論，提出了一種基于壓縮感知的無線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法。該方法將采集到的無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)在無線傳輸之前采用隨機矩陣進(jìn)行編碼，然后再經(jīng)無線傳感器節(jié)點發(fā)射信號進(jìn)行無線傳輸，在基站當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀接收到數(shù)據(jù)包之后，采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，即使在傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟包，則仍然可以完全恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。這樣可以避免因數(shù)據(jù)丟包需重復(fù)發(fā)送而造成的傳輸網(wǎng)絡(luò)擁堵，極大的增加了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜耘c傳輸速度。
文檔編號H04W28/06GK102970707SQ201210557839
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者鮑躍全, 李惠 申請人:李惠