基于壓縮感知的傳感網絡數據處理研究.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、目標跟蹤等領域。但無線傳感網絡的發(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據冗余獲得高效的數據采集壓縮方案是無線傳感網絡重要的研究目標?？紤]到上述傳感網絡的特殊性，找到傳感網絡的數據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。壓縮感知的出現為無線傳感網絡數據收集提供了一種創(chuàng)新性的數據收

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絡的數據處理中，可以同時實現對數據的采集與壓縮，減少了采集、處理及傳輸的數據量，能有效的提高傳輸效率，節(jié)約網絡能量。利用壓縮感知和分布式壓縮感知技術對信號進行編碼與傳輸，最后在計算能力較強的終端重構信號，就可以保證系統(tǒng)性能并延長網絡壽命。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)點感知數據的時間相關性、空間相關性和時

3、空相關性結合壓縮感知和分布式壓縮感知技術，研究了不同應用場景下相關數據的采集和壓縮算法。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。在保證收集數據精確度的前提下，達到減少網絡數據傳輸量，降低網絡能耗的目的。本文主要研究內容如下:
　　(1)對無線傳感網絡系統(tǒng)進行了詳細分析，重點描述了該網絡的體系結構，特征，及數據收集模型。
　　(2)將壓縮感知和分布式壓縮感知應用到傳感網絡的數據收

4、集和壓縮中。從稀疏表示、觀測投影與信號重構三個方面進行原理分析建立了壓縮感知數據收集模型。對無線傳感網絡和水下傳感網絡的壓縮感知數據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，有效減少數據采集量，提高網絡效率。
　　(3)從稀疏和觀測兩方面優(yōu)化壓縮感知在無線傳感網絡數據壓縮中的應用。在此基礎上提出基于快速傅立葉變換(FFT)基和分數階傅立葉變換基（FRFT)實現數據稀疏化的方法，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)研究傳感網絡單節(jié)點采集數據的時間相關性，并將壓縮感知利用到單節(jié)點的數據采集過程，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)點感知數據的空間相關