基于壓縮感知的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理研究.pdf

1、集成電路的發(fā)展使傳感器節(jié)點(diǎn)擁有感知、處理和通信的功能，這使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)得以快速發(fā)展并且廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。但無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展受到了能量和環(huán)境的制約，因此以節(jié)省能耗為目的通過消除數(shù)據(jù)冗余獲得高效的數(shù)據(jù)采集壓縮方案是無線傳感網(wǎng)絡(luò)重要的研究目標(biāo)。考慮到上述傳感網(wǎng)絡(luò)的特殊性，找到傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓縮方法以減少存儲(chǔ)和通信壓力是十分必要的，這一直是人們研究的重點(diǎn)難題。壓縮感知的出現(xiàn)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集提供了一種創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)收

2、集方案，突破了傳統(tǒng)信號(hào)處理中奈奎斯特采樣定理的限制。將壓縮感知和分布式壓縮感知應(yīng)用于傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理中，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與壓縮，減少了采集、處理及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，能有效的提高傳輸效率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量。利用壓縮感知和分布式壓縮感知技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼與傳輸，最后在計(jì)算能力較強(qiáng)的終端重構(gòu)信號(hào)，就可以保證系統(tǒng)性能并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。性能仿真實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了此方法的可行性和有效性。
　　本文利用傳感器節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)性、空間相關(guān)性和時(shí)

3、空相關(guān)性結(jié)合壓縮感知和分布式壓縮感知技術(shù)，研究了不同應(yīng)用場(chǎng)景下相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和壓縮算法。分析了不同的稀疏模型，研究適用于不同場(chǎng)景模型的測(cè)量矩陣、稀疏矩陣、采樣頻次，采樣時(shí)刻等。在保證收集數(shù)據(jù)精確度的前提下，達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)描述了該網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，特征，及數(shù)據(jù)收集模型。
　　(2)將壓縮感知和分布式壓縮感知應(yīng)用到傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收

4、集和壓縮中。從稀疏表示、觀測(cè)投影與信號(hào)重構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行原理分析建立了壓縮感知數(shù)據(jù)收集模型。對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)和水下傳感網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行建模分析。仿真驗(yàn)證該方法能保證性能的前提下，有效減少數(shù)據(jù)采集量，提高網(wǎng)絡(luò)效率。
　　(3)從稀疏和觀測(cè)兩方面優(yōu)化壓縮感知在無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上提出基于快速傅立葉變換(FFT)基和分?jǐn)?shù)階傅立葉變換基（FRFT)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)稀疏化的方法，并進(jìn)行算法仿真。提出基于改進(jìn)的幾種測(cè)量矩

5、陣，包括隨機(jī)矩陣、二進(jìn)制矩陣、確定性隨機(jī)矩陣和動(dòng)態(tài)采樣矩陣，利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各測(cè)量矩陣的可行性，并將其進(jìn)行了性能對(duì)比分析。
　　(4)研究傳感網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)性，并將壓縮感知利用到單節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集過程，提出一種基于壓縮感知的分段動(dòng)態(tài)采樣策略。從采樣次數(shù)和采樣時(shí)刻兩方面設(shè)計(jì)采樣策略，消除時(shí)間冗余，并對(duì)不同的采樣策略進(jìn)行了性能對(duì)比分析。
　　(5)詳細(xì)分析了分布式壓縮感知的基本原理，針對(duì)相鄰傳感節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)