一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)能壓縮方案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)能壓縮方案，在節(jié)點處，首先應用數(shù)據(jù)判別機制，評判是否采用一種基于小波變換的數(shù)據(jù)壓縮方式；在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中，由于采集的數(shù)據(jù)存在較大的相關性，對收到的數(shù)據(jù)進行分裂、預測、更新三個步驟的小波提升變換，有效的減少了數(shù)據(jù)處理的運算量，較為良好的提高了數(shù)據(jù)的壓縮效率；對任意基于分布式的傳感器網(wǎng)絡，都可以應用此壓縮算法，較大程度提高了壓縮效率，進而明顯的降低傳感器網(wǎng)絡中的能量損耗。
【專利說明】一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)能壓縮方案
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)壓縮【技術(shù)領域】，涉及一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)能壓縮方案。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(tǒng)以及無線通信技術(shù)快速發(fā)展，直接推動著傳感器網(wǎng)絡低成本化、高智能化、無線網(wǎng)絡化的方向不斷轉(zhuǎn)變，極大的豐富了各種無線傳感器網(wǎng)絡理論的學習資源和學習手段。同時，這種轉(zhuǎn)變所帶來的機遇與挑戰(zhàn)也吸引了國內(nèi)外廣大學者的關注，促成了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量降低新概念的提出以及基于節(jié)點采集數(shù)據(jù)的壓縮方式的研究討論和實際應用。
[0003]目前，對無線傳感器網(wǎng)絡學習行為的研究大都集中在低功耗學習的相關理論研究，例如拓撲控制、路由協(xié)議、低功耗MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)壓縮方式等，即對無線傳感器網(wǎng)絡學習環(huán)境下的節(jié)點與網(wǎng)絡組成以及數(shù)據(jù)處理和傳輸過程進行研究，從而為節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡能量有效利用提供理論依據(jù)；
[0004]無線傳感器網(wǎng)絡平臺的構(gòu)建，即研究如何在相關理論的基礎上，使用無線通信技術(shù)將傳感器節(jié)點進行組網(wǎng)整合，從而方便對數(shù)據(jù)信息實時的采集和傳輸，并通常提供一定的反饋機制；傳感器與新領域的交叉結(jié)合，即研究如何將傳感器節(jié)點與無線通信網(wǎng)絡領域的現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合，從而為無線傳感器網(wǎng)絡平臺系統(tǒng)的構(gòu)建提供技術(shù)支持。
[0005]由此可見，無線傳感器網(wǎng)絡研究重點也逐漸從數(shù)據(jù)信息采集轉(zhuǎn)向無線傳感器網(wǎng)絡能量消耗問題上。尤其是無線傳感網(wǎng)絡變得越來越低成本化、高智能化、無線網(wǎng)絡化，呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)完全不同的特性。對無線傳感器網(wǎng)絡進行深入全面地研究，有利于傳感網(wǎng)絡感知數(shù)據(jù)的開發(fā)；有利于環(huán)境監(jiān)測及災害對策領域的研究；有利于提高有限資源的合理利用；有利于人類認知世界的能力。
[0006]當前對于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)壓縮的研究要么是處于初級的、理論的、輔助性的研究，在數(shù)據(jù)的壓縮效率上和還原上還存在著一定的不足之處，真正地對基于分布式無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)的壓縮進行系統(tǒng)的研究則很少。
[0007]在現(xiàn)有的研究中，國內(nèi)外學者所采取的數(shù)據(jù)壓縮方式大致上可以分為兩種方法:
a.基于數(shù)據(jù)傳輸特性的壓縮方法。b.基于節(jié)點采集數(shù)據(jù)間相關性的壓縮方法。第一種壓縮方法的不足之處在于:雖然計算簡單，但是沒有充分的利用傳感器數(shù)據(jù)自身的相關性，壓縮率低；第二種方法屬于分布式信源編碼，不足之處在于:對傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力有一定的要求，基于現(xiàn)階段的傳感器節(jié)點各自的處理能力低、能量有限致使對分布式信源編碼技術(shù)研究有所限制。
[0008]而由于受節(jié)點計算能力弱和存儲空間小的限制，現(xiàn)有研究對無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)壓縮的一些問題沒有給出令人滿意的研究結(jié)論，如何無失真的傳輸數(shù)據(jù)？如何充分的利用傳感器數(shù)據(jù)自身的相關性？如何最大化的節(jié)約節(jié)點信息能量損耗問題等。
[0009]本方法以數(shù)據(jù)判別機制和小波提升理論為基礎，構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡仿真平臺，應用數(shù)據(jù)判別機制分析與評價節(jié)點新舊數(shù)據(jù)時間相關性的新特征；利用小波提升變換對節(jié)點數(shù)據(jù)進行壓縮，揭示了無線傳感器數(shù)據(jù)時-空相關性的新特征，對于解決當前無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)壓縮瓶頸問題具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)能壓縮方案，解決了現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)壓縮傳輸中網(wǎng)絡能耗量大的問題。
[0011]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進行:
[0012]步驟1:初始化，將傳感器網(wǎng)絡分為多個簇，并且假定簇內(nèi)節(jié)點間可以直接通信，每個簇選舉一個節(jié)點作為簇頭，簇頭收集簇內(nèi)各成員節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)報文發(fā)送到基站；
[0013]步驟2:將所有簇劃分為網(wǎng)格，每個網(wǎng)格選取一個節(jié)點構(gòu)建成一個環(huán)，環(huán)上鄰近的節(jié)點屬于空間相鄰的虛擬網(wǎng)格，環(huán)上的節(jié)點從鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)，與自身的數(shù)據(jù)進行對比處理后將數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點。
[0014]步驟3:對每一網(wǎng)格中的節(jié)點加裝晶體振蕩器；系統(tǒng)晶振周期性的進入低功耗模式，計數(shù)周期性間斷；晶體振蕩器周期性的喚醒休眠節(jié)點，網(wǎng)格中所有的節(jié)點喚醒時間不同，保證一定時間間隔輪流喚醒，每次喚醒后發(fā)射信息，得到工作節(jié)點回應，則再次進入休眠狀態(tài)，如果工作節(jié)點故障，沒有回應，則接入環(huán)狀網(wǎng)絡代替工作節(jié)點工作；
[0015]步驟4:將虛擬網(wǎng)格采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)上的節(jié)點，由環(huán)首開始，環(huán)首由初始設置決定，而后環(huán)上節(jié)點依次進行小波提升變換的數(shù)據(jù)壓縮，同時更新節(jié)點的所存數(shù)據(jù)。
[0016]進一步，所述步驟2中，環(huán)上的節(jié)點從鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)，與自身的數(shù)據(jù)進行對比處理過程為:如果其差值滿足一定的閾值，那么該節(jié)點采集的數(shù)據(jù)就不再次參與小波提升變換，而只具有路由功能，即如果該節(jié)點所處位置采集到的數(shù)據(jù)沒有變化或者變化比較小的情況下，節(jié)點將僅作為一個數(shù)據(jù)傳遞節(jié)點，如果節(jié)點采集的數(shù)據(jù)變化超過一定的閾值，則表示網(wǎng)絡內(nèi)部需要進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸,此時節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵痪W(wǎng)格的環(huán)上節(jié)點。
[0017]本發(fā)明的有益效果是采用構(gòu)建環(huán)狀節(jié)點壓縮數(shù)據(jù)，對多余節(jié)點采用休眠機制，節(jié)省了網(wǎng)絡能量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明基于無線傳感器數(shù)據(jù)選擇機制示意框圖；
[0019]圖2為本發(fā)明基于小波提升算法的數(shù)據(jù)壓縮機制流程示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明基于環(huán)狀的虛擬網(wǎng)格圖；
[0021 ] 圖4為本發(fā)明WLT與Huffman平均能耗對比；
[0022]圖5為本發(fā)明WLT與Huffman算法總體耗能對比；
[0023]圖6為本發(fā)明中提出的算法與Huffman算法平均能耗對比；
[0024]圖7為本發(fā)明中提出的算法與Huffman算法總體能耗對比；
[0025]圖8為本發(fā)明中提出的算法與Huffman算法壓縮率對比。【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0027]本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡能量的方法，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)之間的時-空相關性，設計一種基于環(huán)模型的虛擬網(wǎng)絡(Ring Topology based onVirtual Grid，簡稱VGRT)，以簇為單位，將簇內(nèi)各虛擬網(wǎng)絡中的工作節(jié)點結(jié)成一個環(huán)，初步解決傳感器數(shù)據(jù)空間相關性的問題。進而通過節(jié)點采集數(shù)據(jù)前后進行閾值判斷，看數(shù)據(jù)是否發(fā)生大的變化，進行數(shù)據(jù)選擇方案，而后在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)上節(jié)點，本發(fā)明采用WLT方式，即通過對節(jié)點數(shù)據(jù)進行小波提升變換來降低傳輸數(shù)據(jù)所需要的能量。
[0028]技術(shù)實現(xiàn)方案總體分為術(shù)語說明、無線傳感器數(shù)據(jù)判別機制與基于小波提升算法的數(shù)據(jù)壓縮機制3個部分:
[0029]1.術(shù)語說明:
[0030]DffT:離散小波變換，
[0031]SN:Sensor Node,傳感器節(jié)點，
[0032]Sink:網(wǎng)關節(jié)點，
[0033]Cluster Node:族頭節(jié)點，
[0034]Δ I:Delta information,信息量閾值，
[0035]WSN:ffireless sensor networks 無線傳感器網(wǎng)絡，
[0036]Mobile ad-hoc network:無線自組織網(wǎng)絡，
[0037]Odd samples:奇米樣，
[0038]Even samples:偶米樣，
[0039]VGRT:Ring topology based on virtual grid,環(huán)狀的虛擬網(wǎng)格，
[0040]LWT:Lazy Wavelet Transformation,懶惰性小波變換，
[0041]Data compressing:數(shù)據(jù)壓縮，
[0042]Split stage:分裂階段，
[0043]date selecting:數(shù)據(jù)選擇，
[0044]Prediction stage:預測階段，
[0045]Update stage:更新階段，
[0046]WLT:ffavelet lifting transform,小波提升算法。
[0047]本發(fā)明按照以下步驟進行:
[0048]步驟1:初始化，由于網(wǎng)絡部署的隨機性(如飛機隨即投放)等原因，為了有效地進行數(shù)據(jù)處理，將傳感器網(wǎng)絡分為多個簇(cluster)，并且假定簇內(nèi)節(jié)點間可以直接通信，每個簇選舉一個節(jié)點作為簇頭(cluster head),簇頭收集簇內(nèi)各成員節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)報文發(fā)送到基站。簇與簇之間可以形成超級簇。由于傳感器網(wǎng)絡部署的隨機性等原因，使得簇內(nèi)的成員節(jié)點分布不均勻，因此存在冗余，這些冗余節(jié)點因偵聽、接收和傳送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡帶來了額外的能耗。
[0049]步驟2:將所有簇劃分為網(wǎng)格，每個網(wǎng)格選取一個節(jié)點構(gòu)建成一個環(huán)，環(huán)上鄰近的節(jié)點屬于空間相鄰的虛擬網(wǎng)格，環(huán)上的節(jié)點從鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)，與自身的數(shù)據(jù)進行對比處理后將數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點。具體內(nèi)容如下:將所有簇劃分為小的區(qū)域，每一個小區(qū)域就是一個小的虛擬網(wǎng)格，任意的兩個相鄰的虛擬網(wǎng)格可以互相通信，這里假設每個虛擬網(wǎng)格內(nèi)同時工作的節(jié)點數(shù)只有一個，其他節(jié)點處于休眠狀態(tài)。
[0050]步驟3:休眠和喚醒方式可采用以下方式:對每一網(wǎng)格中的節(jié)點加裝晶體振蕩器；系統(tǒng)晶振周期性的進入低功耗模式，計數(shù)周期性間斷；晶體振蕩器周期性的喚醒休眠節(jié)點，網(wǎng)格中所有的節(jié)點喚醒時間不同，保證一定時間間隔輪流喚醒，每次喚醒后發(fā)射信息，得到工作節(jié)點回應，則再次進入休眠狀態(tài)，如果工作節(jié)點故障，沒有回應，則接入環(huán)狀網(wǎng)絡代替工作節(jié)點工作。這樣，構(gòu)建的環(huán)路不會中斷，并且使其余節(jié)點進入休眠狀態(tài)節(jié)省了網(wǎng)絡能量。
[0051]這樣當工作節(jié)點故障時，不需要構(gòu)建新的環(huán)。所以，這樣就能保證網(wǎng)絡的正常工作，達到延長網(wǎng)絡生存時間的目的，
[0052]本發(fā)明構(gòu)建的網(wǎng)格如圖3所示，圖中網(wǎng)格A與虛擬網(wǎng)格B相鄰，A中任意的節(jié)點可以與B中任意節(jié)點通信，反之亦然。環(huán)上相鄰的節(jié)點屬于空間相鄰的網(wǎng)絡，環(huán)上的節(jié)點從鄰居節(jié)點接受數(shù)據(jù)，與自身數(shù)據(jù)進行處理后傳送到下一個鄰居節(jié)點，只有“合適”的節(jié)點才向環(huán)上的簇頭節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，在環(huán)上進行小波提升變換，“合適”的節(jié)點就是存儲著低頻小波系數(shù)和大于某一閾值的高頻小波系數(shù)的節(jié)點。網(wǎng)絡初始狀態(tài)中，選擇一個節(jié)點作為環(huán)首節(jié)點，小波提升變換在環(huán)首節(jié)點開始執(zhí)行。隨后輪次的變更，環(huán)上各節(jié)點依次成為環(huán)首節(jié)點。當環(huán)上某個節(jié)點由于能耗或其他原因失效時，可以讓同一網(wǎng)格中的醒休眠節(jié)點代替，無需重新構(gòu)建一個新的環(huán)，即節(jié)省網(wǎng)絡能耗，且能保證網(wǎng)絡相對穩(wěn)定的運行。
[0053]步驟4:如圖1所示為本發(fā)明無線傳感器數(shù)據(jù)選擇機制。圖2為本發(fā)明小波提升算法的數(shù)據(jù)壓縮機制流程示意圖。由于分布式數(shù)據(jù)壓縮方式需要節(jié)點之間進行信息交互，節(jié)點距離大則需要更多的能量損耗來傳輸交互信息。所以，本發(fā)明建立一個環(huán)狀的虛擬網(wǎng)絡，由環(huán)上的節(jié)點進行小波提升變換，環(huán)上的節(jié)點更新則由上段介紹的方式進行。環(huán)不包括所有節(jié)點，環(huán)上節(jié)點對各自所在的虛擬網(wǎng)格節(jié)點進行信息收集，而后在環(huán)上進行數(shù)據(jù)壓縮。環(huán)主要的作用是減少小波提升變換各個節(jié)點之間信息交互所需的能量損耗。
[0054]將虛擬網(wǎng)格采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)上的節(jié)點，由環(huán)首開始，環(huán)首由初始設置決定。而后環(huán)上節(jié)點依次進行小波提升變換的數(shù)據(jù)壓縮。
[0055]引入對比閾值分析法將傳感器數(shù)據(jù)時間相關性上的新特征分析與評價。構(gòu)建一個基于節(jié)點單元的數(shù)據(jù)選擇機制，以逐步減少節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的能耗、節(jié)約整個無線傳感器網(wǎng)絡的功耗。在基于環(huán)狀虛擬網(wǎng)格的WSN基礎上，為了節(jié)約節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)所損耗的能力，在各個網(wǎng)格中的節(jié)點需要對數(shù)據(jù)進行初步的處理，本專利提出一種基于節(jié)點采集數(shù)據(jù)的選擇方案。由于傳感器采集數(shù)據(jù)量大，節(jié)點自身電源能量、存儲能力和計算能力有限等缺點。我們需要在WSN網(wǎng)格中各節(jié)點采集數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)進一步處理，通過數(shù)據(jù)選擇方案除去采集數(shù)據(jù)中冗余的信息量。本發(fā)明對已采集的數(shù)據(jù)和原有的數(shù)據(jù)進行一個比較:如果其差值滿足一定的閾值(該閾值的設定根據(jù)所取環(huán)境而定)，那么該節(jié)點采集的數(shù)據(jù)就不再次參與小波提升變換，而只具有路由功能，即如果該節(jié)點所處位置采集到的數(shù)據(jù)沒有變化或者變化比較小的情況下，節(jié)點將僅作為一個數(shù)據(jù)傳遞節(jié)點。如果節(jié)點采集的數(shù)據(jù)變化超過一定的閾值，則表示網(wǎng)絡內(nèi)部需要進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，此時節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵痪W(wǎng)格的環(huán)上節(jié)點，在環(huán)上節(jié)點進一步進行小波提升變換，同時更新節(jié)點的所存數(shù)據(jù)。
[0056]節(jié)點的數(shù)據(jù)選擇代碼過程如下:
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)壓縮節(jié)能方案，其特征在于按照以下步驟進行: 步驟1:初始化，將傳感器網(wǎng)絡分為多個簇，并且假定簇內(nèi)節(jié)點間可以直接通信，每個簇選舉一個節(jié)點作為簇頭，簇頭收集簇內(nèi)各成員節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)報文發(fā)送到基站; 步驟2:將所有簇劃分為網(wǎng)格，每個網(wǎng)格選取一個節(jié)點構(gòu)建成一個環(huán)，環(huán)上鄰近的節(jié)點屬于空間相鄰的虛擬網(wǎng)格，環(huán)上的節(jié)點從鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)，與自身的數(shù)據(jù)進行對比處理后將數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點； 步驟3:對每一網(wǎng)格中的節(jié)點加裝晶體振蕩器；系統(tǒng)晶振周期性的進入低功耗模式，計數(shù)周期性間斷；晶體振蕩器周期性的喚醒休眠節(jié)點，網(wǎng)格中所有的節(jié)點喚醒時間不同，保證一定時間間隔輪流喚醒，每次喚醒后發(fā)射信息，得到工作節(jié)點回應，則再次進入休眠狀態(tài)，如果工作節(jié)點故障，沒有回應，則接入環(huán)狀網(wǎng)絡代替工作節(jié)點工作； 步驟4:將虛擬網(wǎng)格采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)上的節(jié)點，由環(huán)首開始，環(huán)首由初始設置決定，而后環(huán)上節(jié)點依次進行小波提升變換的數(shù)據(jù)壓縮，同時更新節(jié)點的所存數(shù)據(jù)。
2.按照權(quán)利要求1所述一種改良的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)壓縮節(jié)能方案，其特征在于:所述步驟2中，環(huán)上的節(jié)點從鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)，與自身的數(shù)據(jù)進行對比處理過程為:如果其差值滿足一定的閾值，那么該節(jié)點采集的數(shù)據(jù)就不再次參與小波提升變換，而只具有路由功能，即如果該節(jié)點所處位置采集到的數(shù)據(jù)沒有變化或者變化比較小的情況下，節(jié)點將僅作為一個數(shù)據(jù)傳遞節(jié)點，如果節(jié)點采集的數(shù)據(jù)變化超過一定的閾值，則表示網(wǎng)絡內(nèi)部需要進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，此時節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵痪W(wǎng)格的環(huán)上節(jié)點。
【文檔編號】H04W84/18GK103974393SQ201410206732
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】沈重, 葉大偉, 張永輝, 伊戈爾·斯查加耶夫, 任佳 申請人:海南大學