專利名稱：用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進數(shù)據(jù)壓縮方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)壓縮方法，具體是一種用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進數(shù) 據(jù)壓縮方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN， wireless sensor networks)是當前在國際上備受關(guān)注 的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感 器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等， 能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時感知監(jiān)測對象，并采集相應數(shù)據(jù)。 這些數(shù)據(jù)多跳的網(wǎng)絡方式傳送到基站(稱之為Sink節(jié)點)，交給用戶做進一步處 理。傳感器網(wǎng)絡出于節(jié)省能量的需要，有一部分節(jié)點處于休眠狀態(tài)，不參與接 收和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱之為休眠節(jié)點；其余節(jié)點處于工作狀態(tài)，可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)， 稱之為工作節(jié)點。
大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)收集主要采用基于分簇(cluster)的網(wǎng)絡模 型(圖l)。在基于分簇的數(shù)據(jù)傳送模型中，簇內(nèi)各工作節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳 送到簇頭(clusterhead)，如圖1的節(jié)點&、 &和&。簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)壓縮等處理 后向上一級簇頭(如圖1的節(jié)點&)傳送數(shù)據(jù)，直至Sink節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡中眾多 的工作節(jié)點產(chǎn)生了大量的傳感數(shù)據(jù)，而簇頭只有有限的存儲容量，從而形成了 傳感數(shù)據(jù)總量與簇頭存儲容量不匹配的問題。
小波(Wavelet)理論是近幾十年興起的一個科學分支。小波變換(WT)起源于 傅利葉變換，其思想來源于伸縮平移方法，其本質(zhì)是通過對一個小波函數(shù)進行
伸縮和平移來表示一個能量有限的信號。小波函數(shù)是具有波動性、衰減性和時 間平均為零特性的實值函數(shù)。但由于待處理的數(shù)據(jù)常常囿于一個有限的區(qū)域， 因此用小波處理會產(chǎn)生"邊界效應"，造成還原的數(shù)據(jù)在邊界處產(chǎn)生失真。
數(shù)據(jù)壓縮的基本原理來源于20世紀40年代末Shannon提出的信息理論。
在此理論框架下，人們開發(fā)出了各種各樣的數(shù)據(jù)壓縮方法。數(shù)據(jù)壓縮的主要編
碼技術(shù)包括霍夫曼編碼、算術(shù)編碼、游程編碼和基于字典的編碼等熵編碼，以
及預測編碼、量化編碼、變換編碼等。小波數(shù)據(jù)壓縮是以小波變換為工具對數(shù)
據(jù)進行壓縮。其基本思想是先對數(shù)據(jù)進行小波變換，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到小波域，
然后對小波系數(shù)進行量化和編碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮?，F(xiàn)有的小波壓縮技術(shù)主要涉
及如何選取參與小波變換的基函數(shù)以及如何對小波系數(shù)進行量化和編碼。

發(fā)明內(nèi)容
基于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的旨在提供一種用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進 數(shù)據(jù)壓縮方法，能夠解決無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭存儲容量與傳感數(shù)據(jù)總量不匹 配的問題，以及小波變換帶來了邊界效應問題。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是， 一種用于無線傳感器 網(wǎng)絡的小波漸進數(shù)據(jù)壓縮方法，簇頭在接收傳感數(shù)據(jù)的同時進行小波變換，產(chǎn) 生小波系數(shù)；當小波系數(shù)達到一個數(shù)據(jù)單元后，簇頭對其編碼壓縮并傳送編碼 壓縮結(jié)果；簇頭繼續(xù)產(chǎn)生的小波系數(shù)生成下一個數(shù)據(jù)單元，如此循環(huán)，形成漸 進的數(shù)據(jù)壓縮傳送。
本發(fā)明的具體步驟如下
第一步，初始化。簇內(nèi)各工作節(jié)點對自身存儲的時間序列數(shù)據(jù)做^級時間 維上的小波變換，并對小波系數(shù)進行編碼，初始化濾波器緩存矩陣^fow:rJi, M"Wx_/2, ...， 7kfafn'xJ^，以及邊界延拓緩存矩陣ikfo^x—e和小波系數(shù)緩存矩
第二步，建立數(shù)據(jù)傳送協(xié)議模型。將簇內(nèi)工作節(jié)點結(jié)成環(huán)，并對環(huán)上節(jié)點 編號成S。-Sw-,，從節(jié)點S。開始到依次向簇頭傳送編碼后的數(shù)據(jù)；
第三步，簇頭對收到的數(shù)據(jù)進行解碼，并按行存入A^WxJl，將5。至&^ 傳送的數(shù)據(jù)按行存入A/"^'x一e，并將其看作是新增假想的節(jié)點&.到5;+w存儲 的數(shù)據(jù)；
第四步，對7ktor/xJ^進行第A級列變換(1^/^A0，生成的一行高頻小波系 數(shù)和一行低頻小波系數(shù)，將高頻小波系數(shù)存入M^W;c一w，矩陣MflW;cJ^中的元 素依次上移2行。若^:<夂，則將低頻小波系數(shù)存入M"W;cJm，否則將低頻小 波存入MnWx—w;
第五步，環(huán)上依次下兩個節(jié)點，設為第"2和第Z-1個節(jié)點，向簇頭傳送數(shù) 據(jù)，簇頭對接收的數(shù)據(jù)進行解碼，并將其分別存入的第￡-2和第￡-1 行；
'A/-K(2丄-2)Z)
第六步，如果/m。d
為0，其中l(wèi)」表示向下取整運算，那么
— D
簇頭對M"&&—w存儲的小波系數(shù)進行編碼，將編碼結(jié)果向上一級簇頭傳送； 第七步，如果/〈iV +丄-3，重復第三步、第四步和第五步，否則簇內(nèi)工作
節(jié)點一輪數(shù)據(jù)傳送完畢，從第一步起開始下一輪數(shù)據(jù)傳送。
漸進傳送數(shù)據(jù)單元Ma/Wx一w大小為M^n'x—w = Af-K(2Z-2)/)。因此，漸
進傳送數(shù)據(jù)單元7kfaWx一vi;由簇頭的存儲容量^T、小波函數(shù)的支撐長度Z、小波
變換的級數(shù)A:和單個傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)量D來確定，與傳感數(shù)據(jù)總量無關(guān)，
解決了無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭存儲容量與傳感數(shù)據(jù)總量不匹配的問題。在上述 歩驟中，M^n'jc e存放的傳感數(shù)據(jù)和小波系數(shù)解決了小波變換帶來的邊界效應問題。
本發(fā)明所述用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進數(shù)據(jù)壓縮方法，基于小波變換
局部性的特點，即生成一個小波系數(shù)，只需要有限個傳感數(shù)據(jù)，從而使得海量
傳感數(shù)據(jù)得以分割，形成漸進傳送的數(shù)據(jù)單元。本發(fā)明適用于基于分簇的傳感
器網(wǎng)絡模型。


圖1是基于分簇(duster)的網(wǎng)絡模型；
圖2是簇頭的存儲進程圖3是基于環(huán)的數(shù)據(jù)傳送示意圖4是簇頭接收的數(shù)據(jù)形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)圖5是實施例所述漸進數(shù)據(jù)壓縮方法的流程圖。
具體實施例方式
本實施例采用一級小波變換時，簇頭的存儲情況如圖2所示，其中￡> 為簇 內(nèi)工作節(jié)點&,傳送的數(shù)據(jù)，丄為小波函數(shù)的支撐長度。
具體實施方式
如下
首先對簇頭的存儲器進行劃分，共分為三部分，分別稱之為濾波器緩存， 邊界延拓緩存和小波系數(shù)緩存。其中，濾波器緩存用于存儲增加一級小波分解
所需緩存的傳感數(shù)據(jù)或小波系數(shù)；邊界延拓緩存用于存儲處理邊界效應問題所
需緩存的傳感數(shù)據(jù)；小波系數(shù)緩存用于存儲小波系數(shù)。即Ma的XJi， Mwr/x_/-2，...，M^n'xJi^存放于濾波器緩存，M^n'x—e存放于邊界延拓緩存，漸進傳送的 數(shù)據(jù)單元Afo^x—w存放于小波系數(shù)緩存。
設小波變換的級數(shù)為^，小波函數(shù)的支撐長度為丄，簇內(nèi)工作節(jié)點的數(shù)目 為見單個傳感器節(jié)點一輪傳送的數(shù)據(jù)量為D。則各緩存的大小為M^hxj;= 丄D (0 ^ ");她的'x一e =雄-2)D;她Wx一w = M -《(21-2)￡)。
再將簇內(nèi)工作節(jié)點結(jié)成環(huán)，如圖3所示，對環(huán)上節(jié)點編號So-S,p形成 基于環(huán)的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，環(huán)上節(jié)點依次向簇頭傳送數(shù)據(jù)。簇頭接收的數(shù)據(jù)形成 了一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其中AnDw分別為節(jié)點6V6^傳送的數(shù)據(jù)， M^r(e存放的是5。至&.3傳送的數(shù)據(jù)，相當于對數(shù)據(jù)做了周期延拓，因此解 決了邊界效應問題。
如圖5，簇頭進行小波漸進數(shù)據(jù)壓縮操作，形成漸進的數(shù)據(jù)傳送
簇內(nèi)各工作節(jié)點對自身存儲的時間序列數(shù)據(jù)做《級小波變換，并對小波系
數(shù)進行編碼；環(huán)上節(jié)點依次向簇頭傳送編碼后的數(shù)據(jù)，簇頭接收的數(shù)據(jù)形成了 一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從節(jié)點S。開始到Sw依次向簇頭傳送數(shù)據(jù)，簇頭對收到的數(shù)據(jù) 進行解碼，并按行存入濾波器緩存7W^n'xJ^設節(jié)點5*0-6^傳送的數(shù)據(jù)分別為 A-Am，并將所述ArA^數(shù)據(jù)存儲于邊界延拓緩存^fo/n:、"并將其看作是新 增假想的節(jié)點&到&"-3存儲的數(shù)據(jù)；對上述7W^WxJ^進行第A級列變換
(12/^"，生成一行高頻小波系數(shù)和一行低頻小波系數(shù)，將高頻小波系數(shù)存入
小波系數(shù)緩存M"/r/x—w;矩陣Ma/WxJ^中的元素依次上移2行。若A: <《，則 將低頻小波系數(shù)存入M^n';cJw，否則將低頻小波存入M^n'x—w;環(huán)上依次下 兩個節(jié)點設為第f-2和第"l個節(jié)點，向簇頭傳送數(shù)據(jù)，簇頭對接收的數(shù)據(jù)進行
解碼，并將其分別存入Ma的';cJl的第丄-2和第Z-1行；如果—"(:"2)D
為0，那么簇頭對M&Wx一vt;存儲的小波系數(shù)進行編碼，將編碼結(jié)果向上一級簇 頭傳送；如果/ < TV + Z - 3，簇頭繼續(xù)對收到的數(shù)據(jù)進行解碼，并按行存入 MaWx一/k，重復上述操作，直到簇內(nèi)工作節(jié)點一輪數(shù)據(jù)傳送完畢，再開始下一 輪數(shù)據(jù)傳送。
權(quán)利要求
1、一種用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征是，簇頭在接收傳感節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)的同時進行小波變換，產(chǎn)生小波系數(shù)；當小波系數(shù)達到一個數(shù)據(jù)單元后，簇頭對其編碼壓縮并傳送編碼壓縮結(jié)果，簇頭繼續(xù)產(chǎn)生的小波系數(shù)生成下一個數(shù)據(jù)單元，循環(huán)進行上述操作，形成漸進的數(shù)據(jù)壓縮傳送。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征是，設上述小波變換的級數(shù)為K，小波函數(shù)的支撐長度為丄+1，簇內(nèi)工作節(jié)點的數(shù)目為W，分別為S(nSw-i，單個傳感器節(jié)點一輪傳送的數(shù)據(jù)量為D，漸 進的數(shù)據(jù)壓縮傳送包括如下步驟1) 對簇頭的存儲器劃分成三部分濾波器緩存AfaW;cj;，大小為 Maf〃'xJ^ZZ)(0^/^iO;邊界延拓緩存^faWx—e,大小為AfaWx—e =《(丄-2)Z)和小波系數(shù)緩存MaWx—w，大小為Ma&ix一w = M -K(2丄畫2)D;2) 簇內(nèi)各工作節(jié)點對自身存儲的時間序列數(shù)據(jù)做《級小波變換，并對 小波系數(shù)進行編碼；3) 將簇內(nèi)工作節(jié)點結(jié)成環(huán)，并對環(huán)上節(jié)點編號成5"o-5^，形成基于環(huán) 的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，環(huán)上節(jié)點依次向簇頭傳送編碼后的數(shù)據(jù)，簇頭接 收的數(shù)據(jù)形成了一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從節(jié)點^開始到5^依次向簇頭傳 送數(shù)據(jù)，簇頭對收到的數(shù)據(jù)進行解碼，并按行存入濾波器緩存 Ma/WxJ;設節(jié)點H,傳送的數(shù)據(jù)分別為A-Av-i，并將所述Ar"w-i 數(shù)據(jù)存儲于邊界延拓緩存M"Wx一。并將其看作是新增假想的節(jié)點^v到5V+w存儲的數(shù)據(jù)；4) 對上述AfoWxJ^進行第Ar級列變換(l2^iQ，生成一行高頻小波系數(shù) 和一行低頻小波系數(shù)，將高頻小波系數(shù)存入小波系數(shù)緩存A/^n'x一w; 矩陣A^WxJ^中的元素依次上移2行。若^:<《，則將低頻小波系數(shù) 存入MaWx ，否則將低頻小波存入MaWx一w; 環(huán)上依次下兩個節(jié)點設為第/-2和第個節(jié)點，向簇頭傳送數(shù)據(jù)， 簇頭對接收的數(shù)據(jù)進行解碼，并將其分別存入^^n';cJi的第丄-2和 第Z-1行；6) 如果'modA/-K(2i-2)￡)為o，其中l(wèi)」表示向下取整運算，那么簇頭對Afo^x一w存儲的小波系數(shù)進行編碼，將編碼結(jié)果向上一級簇頭傳送；7)如果/〈iV +丄-3，重復第三步、第四步和第五步，否則簇內(nèi)工作節(jié) 點一輪數(shù)據(jù)傳送完畢，從第一步起開始下一輪數(shù)據(jù)傳送。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡的小波漸進數(shù)據(jù)壓縮方法，簇頭在接收傳感數(shù)據(jù)的同時進行小波變換，產(chǎn)生小波系數(shù)；當小波系數(shù)達到一個數(shù)據(jù)單元后，簇頭對其編碼壓縮并傳送編碼壓縮結(jié)果，簇頭繼續(xù)產(chǎn)生的小波系數(shù)生成下一個數(shù)據(jù)單元，循環(huán)進行上述操作，形成漸進的數(shù)據(jù)壓縮傳送。本發(fā)明解決了無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭存儲容量與傳感數(shù)據(jù)總量不匹配的問題，以及小波變換帶來了邊界效應問題。本發(fā)明適用于基于分簇的傳感器網(wǎng)絡模型。
文檔編號H04L29/06GK101350827SQ20081003164
公開日2009年1月21日 申請日期2008年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者葉松濤, 周四望, 林亞平, 章健軍, 胡玉鵬, 謝智德 申請人:湖南大學