基于壓縮感知的海洋監(jiān)測傳感網(wǎng)高能效傳輸方法.pdf

1、海洋是維持人類社會生存進步的重要基地。作為探索海洋世界的關鍵設備，水下傳感器網(wǎng)絡發(fā)揮著重要作用。面對三維海洋監(jiān)測傳感網(wǎng)復雜的體系結構與惡劣的水聲信道環(huán)境，設計高能效的數(shù)據(jù)傳輸算法尤為重要，這也是水下傳感器網(wǎng)絡研究的重點難題。壓縮感知理論集信號獲取與數(shù)據(jù)有效壓縮于一體，其為能量有限的水下傳感器網(wǎng)絡提供了一種創(chuàng)新性的研究突破方案。
　　壓縮感知利用待采集信號的稀疏性，通過少量的隨機投影值即可在誤差許可的范圍內(nèi)精確重構原始信號。由于大部

2、分自然信號具備一定時空相關性，根據(jù)該理論，匯聚節(jié)點可以依據(jù)一定路由準則，利用所收集的遠小于原始信息量的隨機觀測值重構原始網(wǎng)絡圖譜，其應用可顯著降低通信能耗與信道帶寬要求。本文主要研究了壓縮感知在三維海洋監(jiān)測傳感網(wǎng)中的應用，以此設計高能效的數(shù)據(jù)傳輸算法。
　　首先，分析了復雜的水聲信道環(huán)境。根據(jù)水聲信道的衰減模型、噪聲模型與帶寬模型等，建立了單跳傳輸能耗模型，從而為路由算法的能耗評價方式作出了定義。并以該模型為基礎，仿真分析了壓縮感

3、知和多跳路由的性能優(yōu)勢。
　　其次，以延長網(wǎng)絡生存周期為目標，設計了基于分布式壓縮感知的三維多跳路由算法，并討論了三種路由方案，其路由過程均可與壓縮感知觀測矩陣的設計進行有效結合?；趯崪y數(shù)據(jù)的仿真結果表明，相比于傳統(tǒng)信息傳輸方案，以上算法在節(jié)約網(wǎng)絡能耗方面具有顯著優(yōu)勢，且均可實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的有效重構。此外，完成了算法間性能的對比分析，選取出最優(yōu)算法。
　　最后，以壓縮感知為技術背景，將分簇協(xié)議與簇間多跳路由聯(lián)合設計，提出了

4、基于壓縮感知的分簇不均勻分層多跳路由算法CS-CULM。該算法以壓縮感知作為數(shù)據(jù)融合技術，簇內(nèi)傳輸采取改進的三維分簇協(xié)議NEW-LEACH，簇間傳輸利用所選取的最優(yōu)算法將融合數(shù)據(jù)包通過多跳方式路由至匯聚節(jié)點。基于實測數(shù)據(jù)的仿真結果表明，CS-CULM算法在保證原始數(shù)據(jù)重構精度的同時進一步均衡了網(wǎng)絡能耗。此外，本文對三維海洋監(jiān)測傳感網(wǎng)中原始信號分段頻域稀疏的問題展開分析并提出了解決方案，對CS-CULM算法進行了改進，達到了提高數(shù)據(jù)重構精