基于壓縮感知的傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理研究.pdf

1、集成電路的發(fā)展使傳感器節(jié)點擁有感知、處理和通信的功能，這使得無線傳感網(wǎng)絡得以快速發(fā)展并且廣泛應用于遠程環(huán)境監(jiān)測、目標跟蹤等領(lǐng)域。但無線傳感網(wǎng)絡的發(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)絡重要的研究目標。考慮到上述傳感網(wǎng)絡的特殊性，找到傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)壓縮方法以減少存儲和通信壓力是十分必要的，這一直是人們研究的重點難題。壓縮感知的出現(xiàn)為無線傳感網(wǎng)絡數(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用于傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理中，可以同時實現(xiàn)對數(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)絡能量。利用壓縮感知和分布式壓縮感知技術(shù)對信號進行編碼與傳輸，最后在計算能力較強的終端重構(gòu)信號，就可以保證系統(tǒng)性能并延長網(wǎng)絡壽命。性能仿真實驗分析驗證了此方法的可行性和有效性。
　　本文利用傳感器節(jié)點感知數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性、空間相關(guān)性和時

3、空相關(guān)性結(jié)合壓縮感知和分布式壓縮感知技術(shù)，研究了不同應用場景下相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和壓縮算法。分析了不同的稀疏模型，研究適用于不同場景模型的測量矩陣、稀疏矩陣、采樣頻次，采樣時刻等。在保證收集數(shù)據(jù)精確度的前提下，達到減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量，降低網(wǎng)絡能耗的目的。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)對無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了詳細分析，重點描述了該網(wǎng)絡的體系結(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用到傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收

4、集和壓縮中。從稀疏表示、觀測投影與信號重構(gòu)三個方面進行原理分析建立了壓縮感知數(shù)據(jù)收集模型。對無線傳感網(wǎng)絡和水下傳感網(wǎng)絡的壓縮感知數(shù)據(jù)采集方法進行建模分析。仿真驗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)絡效率。
　　(3)從稀疏和觀測兩方面優(yōu)化壓縮感知在無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)壓縮中的應用。在此基礎(chǔ)上提出基于快速傅立葉變換(FFT)基和分數(shù)階傅立葉變換基（FRFT)實現(xiàn)數(shù)據(jù)稀疏化的方法，并進行算法仿真。提出基于改進的幾種測量矩

5、陣，包括隨機矩陣、二進制矩陣、確定性隨機矩陣和動態(tài)采樣矩陣，利用仿真實驗驗證各測量矩陣的可行性，并將其進行了性能對比分析。
　　(4)研究傳感網(wǎng)絡單節(jié)點采集數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性，并將壓縮感知利用到單節(jié)點的數(shù)據(jù)采集過程，提出一種基于壓縮感知的分段動態(tài)采樣策略。從采樣次數(shù)和采樣時刻兩方面設計采樣策略，消除時間冗余，并對不同的采樣策略進行了性能對比分析。
　　(5)詳細分析了分布式壓縮感知的基本原理，針對相鄰傳感節(jié)點感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)