传感器网络节点数据发送方法及装置、重构方法及装置的制作方法
专利名称：传感器网络节点数据发送方法及装置、重构方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种传感器网络节点数据发送方法及装置、重构方法及装置。
背景技术：
无线传感器网络广泛应用于高密度的雷达阵列，电子围墙、智能停车场等领域，面对复杂的感知环境，一个理想的无线传感器网络需要传感器节点具有较强的信号获取、计算处理能力以及高能量储存空间和高效稳定的无线传输能力，但通常为满足这些条件需要付出巨大的软硬件代价，却未必得到理想的效果。现有技术中通常采用压缩传感技术进行传感器网络的信号处理，图I为现有技术中传感器网络系统的结构框架示意图，如图I所示，无线传感器网络系统中存在一个融合中心(Fusion Center，简称FC)，传感器网络中包含大量的无线传感器节点，分布在所要观测的物理环境中，无线传感器节点的最终目的节点都是FC，FC执行数据的融合与重构。假设传感器网络中有nw个传感器节点，每个节点的数据为Xj，j代表第j个网络节
点，j的取值范围为，j = 1,2, , nwo将所有节点的数据汇聚在一起为=P1,...,,
称为网络数据(network data)，如果节点数目较大，网络数据Xw就会很大，每个节点处理Xw 至少需要nw次通信，这对于数据在网络中的流动和处理带来很大困难，而且还关乎传感数据的安全问题。如何既快速又有效地实现数据的传输和处理是现有的传感器网络迫切需要解决的问题。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何减小数据在传感器网络中的传输量。( 二 )技术方案为解决上述技术问题一种传感器网络节点数据发送方法，包括以下步骤SI :采集传感器网络中共nw个网络节点的节点数据X」，其中， 1一11'_/+ = 1,2,...八，其中1 表示实数，采集到的数据属于实数域，111)表示节点数据&的维数，nw表示传感器网络中的节点个数，j表示共nw个网络节点的第j个网络节点；S2:应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据&进行压缩处理，得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据\，并对所述\组成的网络数据
L =[n…人]T进行传输次数的压缩，得到mw个数据G ,其中i取值为i = I，2，···，mw，代
表i次传输，且mw < nw ;S3 :同时将nw个网络节点的压缩数据经mw次传输发送至融合中心，每一次融合中心接收的数据为nw个节点发送的mw个信号的混合，每个信号都是j = 1，2，. . .，nw个网
5络节点发送压缩数据t的混合数据，表示为V=，其中上标i为第i次传输，i的取值范
1J；=1
围为i = 1，2，. . .，mw，共经历mw次传输，完成整个网络数据tw的传输。其中，所述随机压缩矩阵是由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子而随机生成的mw个mpXnp阶的高斯随机矩阵 , 包含两个随机变量第一随机变量为随机压缩矩阵Aj, j = 1,2, , nw，Aj是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生器的种子所产生的nw个mpXnp维的随机压缩矩阵；第二随机变量为是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生
器的种子产生的Hlw个随机数。其中，步骤S2具体包括利用随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据\进行压缩处理的，得到每一个网络节点的节点压缩数据tj = Aj ·χ」，其中下标j代表第j个网络节点，j的取值范围为 j — I，2，· · ·，nw ;利用所述第二随机变量O；.，压缩整个网络数据tw的传输次数，得到每一个网络节点的第i次传输的压缩数据G =CC)t3 =^Aj -Xj淇中；Xj表示第j个网络节点的节点数据， 所述节点数据Xj的维度为np。本发明还提供了一种传感器网络节点数据重构方法，用于重构上述的传感器网络节点数据发送方法发送的数据，包括以下步骤Al :根据mw次融合中心接收到的数据yjP所述随机压缩矩阵的第二随机变量 < 重构所述传感器网络的压缩数据tw ；A2 :根据所述传感器网络的压缩数据、和所述随机压缩矩阵的第一随机变量Aj, 应用交替重构算法，重构所述传感器网络中每一个网络节点的节点数据Xj。其中，融合中心根据事先预知的每个传感器网络节点的物理地址，恢复所述随机压缩矩阵由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子随机生成所述
aJ^j。其中,所述步骤Al具体包括融合中心接收到mw次传输的数据f，i的取值范围为i = 1,2,. . .，mw。应用所述高斯随机矩阵j = 1,2, . . .，nw的应用第二随机变量恢复网络压缩数据tw，应用压缩传
感算法，最小化数学运算I1范数，应用公式tw = argminltJi,约束条件为V = YjxYj，恢复
;=1
网络数据匕=^,^,…,、]7。其中，所述步骤A2具体包括A2. I :第一次迭代，迭代次数iter = 1，初始化残余矩阵Ritelr为所述网络数据tw， 如Ritelr = tw，预设运算的中间变量逼近矩阵L为mpXnw的全零矩阵；A2. 2 :第iter次迭代，迭代次数iter > 1，计算残余矩阵Riter与所述随机压缩矩阵第一随机变量 中相关度(相关度的概念是两个向量做内积的系数之和)最大的列号 inditer
权利要求
1.一种传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，包括以下步骤51:采集传感器网络中共1\个网络节点的节点数据Xj，其中，Xy eR'_/+ = l,2,..., w，其中R表示实数，采集到的数据属于实数域，np表示节点数据\的维数，nw表示传感器网络中的节点个数，j表示共nw个网络节点的第j个网络节点；52:应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据Xj进行压缩处理， 得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据\_，并对所述\组成的网络数据I =[H··人]T进行传输次数的压缩，得到mw个数据其中i取值为i = I，2，···，mw，代表i次传输，且mw < nw ;53:同时将~个网络节点的压缩数据经队次传输发送至融合中心，每一次融合中心接收的数据为nw个节点发送的mw个信号的混合，每个信号都是j = 1，2，. . .，nw个网络节点发送压缩数据y的混合数据，表示为V = ，其中上标i为第i次传输，i的取值范围为1J；=1i = 1,2, , mw，共经历mw次传输，完成整个网络数据tw的传输。
2.如权利要求I所述的传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，所述随机压缩矩阵是由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子而随机生成的mw AmpXnpM 的高斯随机矩阵 包含两个随机变量第一随机变量为随机压缩矩阵Aj, j = 1，2，...，nw，Aj是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生器的种子所产生的~个mpXnp维的随机压缩矩阵；第二随机变量为是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生器的种子产生的mw个随机数。
3.如权利要求2所述的传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，步骤S2具体包括利用随机压缩矩阵八」对每一个网络节点的节点数据\进行压缩处理的，得到每一个网络节点的节点压缩数据tj = Aj ·χ」，其中下标j代表第j个网络节点，j的取值范围为j =I，2，...，Hw;利用所述第二随机变量压缩整个网络数据tw的传输次数，得到每一个网络节点的第i次传输的压缩数据G = ；Α; ·χ淇中；Xj表示第j个网络节点的节点数据，所述节点数据Xj的维度为np。
4.一种传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，用于重构如权利要求I 3中任一项所述的传感器网络节点数据发送方法发送的数据，包括以下步骤Al :根据mw次融合中心接收到的数据yjP所述随机压缩矩阵的第二随机变量重构所述传感器网络的压缩数据tw ；A2 :根据所述传感器网络的压缩数据tw和所述随机压缩矩阵的第一随机变量Ap应用交替重构算法，重构所述传感器网络中每一个网络节点的节点数据Xj。
5.如权利要求4所述的传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，融合中心根据事先预知的每个传感器网络节点的物理地址，恢复所述随机压缩矩阵由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子随机生成所述
6.如权利要求5所述的传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，所述步骤Al具体包括融合中心接收到mw次传输的数据y1，i的取值范围为
7.如权利要求5所述的传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，所述步骤Α2具体包括Α2. I :第一次迭代，迭代次数iter = 1，初始化残余矩阵Rite为所述网络数据1，如Ritw=tw，预设运算的中间变量逼近矩阵 -为％ 的全零矩阵；A2. 2 :第iter次迭代，迭代次数iter > 1，计算残余矩阵Ritw与所述随机压缩矩阵第一随机变量Aj中相关度最大的列号indltar "
8.如权利要求7所述的传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，所述门限值为
9.一种传感器网络节点数据发送装置，其特征在于，包括数据采集模块，用于采集传感器网络中共nw个网络节点的节点数据&，其中， 1一11'_/+ = 1，2，...，~，其中1 表示实数，采集到的数据属于实数域，111)表示节点数据&的维 数，nw表示传感器网络中的节点个数，j表示共nw个网络节点的第j个网络节点；数据压缩模块，用于应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据X]进行压 缩处理，得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据，并对所述tj组成的网络数据气=[^2,…人]T进行传输次数的压缩，得到mw个数据，其中i取值为i = I，2， ，mw， 代表i次传输，且mw < nw ;数据发送模块，用于同时将nw个网络节点的压缩数据七.经mw次传输发送至融合中心， 每一次融合中心接收的数据为^个节点发送的mw个信号的混合，每个信号都是j = 1，.2，. . .，nw个网络节点发送压缩数据的混合数据，表示为y，其中上标i为第i次传；=1输，i的取值范围为i = 1，2，. . .，mw，共经历mw次传输，完成整个网络数据tw的传输。
10.一种传感器网络节点数据重构装置，其特征在于，用于重构如权利要求9所述的传 感器网络节点数据发送装置发送的数据，包括发送次数重构模块，用于根据mw次融合中心接收到的数据yi和所述随机压缩矩阵的第 二随机变量重构所述传感器网络的压缩数据tw ；发送数据重构模块，用于根据所述传感器网络的压缩数据tw和所述随机压缩矩阵的第 一随机变量A」，应用交替重构算法，重构所述传感器网络中每一个网络节点的节点数据Xj。
全文摘要
本发明公开了一种传感器网络节点数据发送方法，涉及无线传感器网络技术领域，传感器网络中共包含nw个网络节点，包括步骤S1S1采集传感器网络中共nw个网络节点的节点数据xj；S2应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据xj进行压缩处理，得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据tj，并对所述tj组成的网络数据进行传输次数的压缩，得到mw个数据其中i取值为i＝1，2，...，mw，代表i次传输，且mw＜nw；S3同时将nw个网络节点的压缩数据经mw次传输发送至融合中心。在融合中心，利用传感器网络节点数据重构方法恢复原始每个传感器采集的数据xj。本发明减小了数据在传感器网络中的传输和处理的数据量。
文档编号H04W84/18GK102594515SQ20121009125
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者杜冰, 陆建华 申请人:清华大学
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种传感器网络节点数据发送方法及装置、重构方法及装置。
背景技术：
无线传感器网络广泛应用于高密度的雷达阵列，电子围墙、智能停车场等领域，面对复杂的感知环境，一个理想的无线传感器网络需要传感器节点具有较强的信号获取、计算处理能力以及高能量储存空间和高效稳定的无线传输能力，但通常为满足这些条件需要付出巨大的软硬件代价，却未必得到理想的效果。现有技术中通常采用压缩传感技术进行传感器网络的信号处理，图I为现有技术中传感器网络系统的结构框架示意图，如图I所示，无线传感器网络系统中存在一个融合中心(Fusion Center，简称FC)，传感器网络中包含大量的无线传感器节点，分布在所要观测的物理环境中，无线传感器节点的最终目的节点都是FC，FC执行数据的融合与重构。假设传感器网络中有nw个传感器节点，每个节点的数据为Xj，j代表第j个网络节
点，j的取值范围为，j = 1,2, , nwo将所有节点的数据汇聚在一起为=P1,...,,
称为网络数据(network data)，如果节点数目较大，网络数据Xw就会很大，每个节点处理Xw 至少需要nw次通信，这对于数据在网络中的流动和处理带来很大困难，而且还关乎传感数据的安全问题。如何既快速又有效地实现数据的传输和处理是现有的传感器网络迫切需要解决的问题。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何减小数据在传感器网络中的传输量。( 二 )技术方案为解决上述技术问题一种传感器网络节点数据发送方法，包括以下步骤SI :采集传感器网络中共nw个网络节点的节点数据X」，其中， 1一11'_/+ = 1,2,...八，其中1 表示实数，采集到的数据属于实数域，111)表示节点数据&的维数，nw表示传感器网络中的节点个数，j表示共nw个网络节点的第j个网络节点；S2:应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据&进行压缩处理，得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据\，并对所述\组成的网络数据
L =[n…人]T进行传输次数的压缩，得到mw个数据G ,其中i取值为i = I，2，···，mw，代
表i次传输，且mw < nw ;S3 :同时将nw个网络节点的压缩数据经mw次传输发送至融合中心，每一次融合中心接收的数据为nw个节点发送的mw个信号的混合，每个信号都是j = 1，2，. . .，nw个网
5络节点发送压缩数据t的混合数据，表示为V=，其中上标i为第i次传输，i的取值范
1J；=1
围为i = 1，2，. . .，mw，共经历mw次传输，完成整个网络数据tw的传输。其中，所述随机压缩矩阵是由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子而随机生成的mw个mpXnp阶的高斯随机矩阵 , 包含两个随机变量第一随机变量为随机压缩矩阵Aj, j = 1,2, , nw，Aj是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生器的种子所产生的nw个mpXnp维的随机压缩矩阵；第二随机变量为是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生
器的种子产生的Hlw个随机数。其中，步骤S2具体包括利用随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据\进行压缩处理的，得到每一个网络节点的节点压缩数据tj = Aj ·χ」，其中下标j代表第j个网络节点，j的取值范围为 j — I，2，· · ·，nw ;利用所述第二随机变量O；.，压缩整个网络数据tw的传输次数，得到每一个网络节点的第i次传输的压缩数据G =CC)t3 =^Aj -Xj淇中；Xj表示第j个网络节点的节点数据， 所述节点数据Xj的维度为np。本发明还提供了一种传感器网络节点数据重构方法，用于重构上述的传感器网络节点数据发送方法发送的数据，包括以下步骤Al :根据mw次融合中心接收到的数据yjP所述随机压缩矩阵的第二随机变量 < 重构所述传感器网络的压缩数据tw ；A2 :根据所述传感器网络的压缩数据、和所述随机压缩矩阵的第一随机变量Aj, 应用交替重构算法，重构所述传感器网络中每一个网络节点的节点数据Xj。其中，融合中心根据事先预知的每个传感器网络节点的物理地址，恢复所述随机压缩矩阵由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子随机生成所述
aJ^j。其中,所述步骤Al具体包括融合中心接收到mw次传输的数据f，i的取值范围为i = 1,2,. . .，mw。应用所述高斯随机矩阵j = 1,2, . . .，nw的应用第二随机变量恢复网络压缩数据tw，应用压缩传
感算法，最小化数学运算I1范数，应用公式tw = argminltJi,约束条件为V = YjxYj，恢复
;=1
网络数据匕=^,^,…,、]7。其中，所述步骤A2具体包括A2. I :第一次迭代，迭代次数iter = 1，初始化残余矩阵Ritelr为所述网络数据tw， 如Ritelr = tw，预设运算的中间变量逼近矩阵L为mpXnw的全零矩阵；A2. 2 :第iter次迭代，迭代次数iter > 1，计算残余矩阵Riter与所述随机压缩矩阵第一随机变量 中相关度(相关度的概念是两个向量做内积的系数之和)最大的列号 inditer
权利要求
1.一种传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，包括以下步骤51:采集传感器网络中共1\个网络节点的节点数据Xj，其中，Xy eR'_/+ = l,2,..., w，其中R表示实数，采集到的数据属于实数域，np表示节点数据\的维数，nw表示传感器网络中的节点个数，j表示共nw个网络节点的第j个网络节点；52:应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据Xj进行压缩处理， 得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据\_，并对所述\组成的网络数据I =[H··人]T进行传输次数的压缩，得到mw个数据其中i取值为i = I，2，···，mw，代表i次传输，且mw < nw ;53:同时将~个网络节点的压缩数据经队次传输发送至融合中心，每一次融合中心接收的数据为nw个节点发送的mw个信号的混合，每个信号都是j = 1，2，. . .，nw个网络节点发送压缩数据y的混合数据，表示为V = ，其中上标i为第i次传输，i的取值范围为1J；=1i = 1,2, , mw，共经历mw次传输，完成整个网络数据tw的传输。
2.如权利要求I所述的传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，所述随机压缩矩阵是由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子而随机生成的mw AmpXnpM 的高斯随机矩阵 包含两个随机变量第一随机变量为随机压缩矩阵Aj, j = 1，2，...，nw，Aj是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生器的种子所产生的~个mpXnp维的随机压缩矩阵；第二随机变量为是由每一个网络节点各自的物理地址作为伪随机数发生器的种子产生的mw个随机数。
3.如权利要求2所述的传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，步骤S2具体包括利用随机压缩矩阵八」对每一个网络节点的节点数据\进行压缩处理的，得到每一个网络节点的节点压缩数据tj = Aj ·χ」，其中下标j代表第j个网络节点，j的取值范围为j =I，2，...，Hw;利用所述第二随机变量压缩整个网络数据tw的传输次数，得到每一个网络节点的第i次传输的压缩数据G = ；Α; ·χ淇中；Xj表示第j个网络节点的节点数据，所述节点数据Xj的维度为np。
4.一种传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，用于重构如权利要求I 3中任一项所述的传感器网络节点数据发送方法发送的数据，包括以下步骤Al :根据mw次融合中心接收到的数据yjP所述随机压缩矩阵的第二随机变量重构所述传感器网络的压缩数据tw ；A2 :根据所述传感器网络的压缩数据tw和所述随机压缩矩阵的第一随机变量Ap应用交替重构算法，重构所述传感器网络中每一个网络节点的节点数据Xj。
5.如权利要求4所述的传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，融合中心根据事先预知的每个传感器网络节点的物理地址，恢复所述随机压缩矩阵由每一个网络节点的物理地址作为随机数发生器的种子随机生成所述
6.如权利要求5所述的传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，所述步骤Al具体包括融合中心接收到mw次传输的数据y1，i的取值范围为
7.如权利要求5所述的传感器网络节点数据重构方法，其特征在于，所述步骤Α2具体包括Α2. I :第一次迭代，迭代次数iter = 1，初始化残余矩阵Rite为所述网络数据1，如Ritw=tw，预设运算的中间变量逼近矩阵 -为％ 的全零矩阵；A2. 2 :第iter次迭代，迭代次数iter > 1，计算残余矩阵Ritw与所述随机压缩矩阵第一随机变量Aj中相关度最大的列号indltar "
8.如权利要求7所述的传感器网络节点数据发送方法，其特征在于，所述门限值为
9.一种传感器网络节点数据发送装置，其特征在于，包括数据采集模块，用于采集传感器网络中共nw个网络节点的节点数据&，其中， 1一11'_/+ = 1，2，...，~，其中1 表示实数，采集到的数据属于实数域，111)表示节点数据&的维 数，nw表示传感器网络中的节点个数，j表示共nw个网络节点的第j个网络节点；数据压缩模块，用于应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据X]进行压 缩处理，得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据，并对所述tj组成的网络数据气=[^2,…人]T进行传输次数的压缩，得到mw个数据，其中i取值为i = I，2， ，mw， 代表i次传输，且mw < nw ;数据发送模块，用于同时将nw个网络节点的压缩数据七.经mw次传输发送至融合中心， 每一次融合中心接收的数据为^个节点发送的mw个信号的混合，每个信号都是j = 1，.2，. . .，nw个网络节点发送压缩数据的混合数据，表示为y，其中上标i为第i次传；=1输，i的取值范围为i = 1，2，. . .，mw，共经历mw次传输，完成整个网络数据tw的传输。
10.一种传感器网络节点数据重构装置，其特征在于，用于重构如权利要求9所述的传 感器网络节点数据发送装置发送的数据，包括发送次数重构模块，用于根据mw次融合中心接收到的数据yi和所述随机压缩矩阵的第 二随机变量重构所述传感器网络的压缩数据tw ；发送数据重构模块，用于根据所述传感器网络的压缩数据tw和所述随机压缩矩阵的第 一随机变量A」，应用交替重构算法，重构所述传感器网络中每一个网络节点的节点数据Xj。
全文摘要
本发明公开了一种传感器网络节点数据发送方法，涉及无线传感器网络技术领域，传感器网络中共包含nw个网络节点，包括步骤S1S1采集传感器网络中共nw个网络节点的节点数据xj；S2应用预设的随机压缩矩阵对每一个网络节点的节点数据xj进行压缩处理，得到每一个网络节点的每一次传输的节点压缩数据tj，并对所述tj组成的网络数据进行传输次数的压缩，得到mw个数据其中i取值为i＝1，2，...，mw，代表i次传输，且mw＜nw；S3同时将nw个网络节点的压缩数据经mw次传输发送至融合中心。在融合中心，利用传感器网络节点数据重构方法恢复原始每个传感器采集的数据xj。本发明减小了数据在传感器网络中的传输和处理的数据量。
文档编号H04W84/18GK102594515SQ20121009125
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者杜冰, 陆建华 申请人:清华大学
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