專利名稱：基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體而言，是一種基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism-System,簡(jiǎn)稱MEMS)、無(wú)線通信、信息網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，低成本、低功耗以及多功能的傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些微型的傳感器節(jié)點(diǎn)集成了數(shù)據(jù)感知、處理與傳輸?shù)裙δ埽ㄟ^(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作，組成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetworks,簡(jiǎn)稱WSN)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被稱為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，WSN最主要的任務(wù)就是監(jiān)測(cè)物理環(huán)境，并將節(jié)點(diǎn)感知的信息高效、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)到基站。這種數(shù)據(jù)交互模式將真實(shí)的物理世界和邏輯的信息世界融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通訊，資源勘探，環(huán)境監(jiān)測(cè)，軍事防御，災(zāi)難恢復(fù)，醫(yī)療護(hù)理等
坐寸ο在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，最重要的就是數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸技術(shù)，相比與有線的數(shù)據(jù)傳輸方法，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)去掉了施工時(shí)間長(zhǎng)、投資大且繁瑣的連接導(dǎo)線，從而省去了導(dǎo)線的安裝和校準(zhǔn)工作；去掉了原有用于連接導(dǎo)線和傳感器的儀器設(shè)備，減少了經(jīng)費(fèi)投入，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)有標(biāo)準(zhǔn)作基礎(chǔ)，功能強(qiáng)，輕易安裝，組網(wǎng)靈活，即插即用的網(wǎng)絡(luò)連接，可移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，提供了不受限制的應(yīng)用。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸已逐漸成為一種重要的數(shù)據(jù)傳輸方式?？傊瑹o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸不僅可以作為有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难a(bǔ)充及延伸，而且還可以與有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境互為備份。在某種非凡環(huán)境下，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是主要的甚至唯一的可行的傳輸方式。在有線網(wǎng)絡(luò)中丟包率非常低，而對(duì)于無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)丟包是較普遍的事，美國(guó)麻省理工的校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)丟包率在2%左右，而在一輛快速行駛的火車上，丟包率會(huì)上升至5%左右。當(dāng)丟包率升高以后，隨之而來(lái)的延遲和重傳會(huì)令網(wǎng)絡(luò)傳輸性能大幅下降。這就是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在隔了一堵墻或者在一列高速行駛的列車上會(huì)變得緩慢的原因之一。在土木工程領(lǐng)域的長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，無(wú)線傳感器與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因其不僅可以提供與傳統(tǒng)有線傳感器類似的功能，而且可以用無(wú)線傳感器嵌入的處理器與程序進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。相比有線的傳感器，無(wú)線傳感器可以大量節(jié)省布線成本的與傳感器安裝費(fèi)用。傳統(tǒng)有線的數(shù)據(jù)采集方式不存在數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，然而無(wú)線傳感器在數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸過(guò)程中會(huì)丟失數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)丟失會(huì)影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了數(shù)據(jù)丟失的影響，結(jié)果表明O. 5%的數(shù)據(jù)丟失相當(dāng)于在功率譜估計(jì)時(shí)的5%的噪聲干擾。此外，數(shù)據(jù)丟失會(huì)直對(duì)模態(tài)分析引入額外的誤差，因此也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的健康診斷。無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟包其主要原因可以歸結(jié)為無(wú)線電的干擾，如其它電子設(shè)備以與無(wú)線傳感器相同頻率工作，天氣的原因如下雨、閃電等，無(wú)線傳感器安裝位置不合適、無(wú)線天線方向不合適，無(wú)線數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸，以及還有硬件等問(wèn)題。因此各個(gè)領(lǐng)域的在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要迫切解決數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)膩G包問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，結(jié)合應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的最新理論，提出了一種基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法。該方法將采集到的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸之前采用隨機(jī)矩陣進(jìn)行編碼，然后再經(jīng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，在基站當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀接收到數(shù)據(jù)包之后，采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，即使在傳輸?shù)倪^(guò)程中有數(shù)據(jù)丟包，則仍然可以完全恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。這樣可以避免因數(shù)據(jù)丟包需重復(fù)發(fā)送而造成的傳輸網(wǎng)絡(luò)擁堵，極大的增加了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜耘c傳輸速度。本發(fā)明采用如下技術(shù)
假設(shè) 通過(guò)線性 映射方式從 信號(hào)
xef]Ff中得到長(zhǎng)度為數(shù)據(jù)向量yeST :
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，該方法為采集無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將上述采集的數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸之前采用隨機(jī)矩陣進(jìn)行編碼，然后再經(jīng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，在基站當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀接收到數(shù)據(jù)包之后采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，按照以下步驟實(shí)現(xiàn) 第一步在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，將采集得到長(zhǎng)度為《的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為 的信號(hào)y , / = Φχ,其中》=/ , 矩陣中獨(dú)立同分布的元素為滿足均值為O,方差為1/ 的高 斯分布的隨機(jī)數(shù)；或?yàn)闈M足獨(dú)立同分布的為服從對(duì)稱伯努利分布^^義^/ = ±1/^) = 1/2的數(shù)，然后在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)，將數(shù)據(jù)_7無(wú)線傳輸至基站； 第二步在基站，數(shù)據(jù)采集儀接收到的數(shù)據(jù)中有巧個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)丟失，得到數(shù)據(jù)# ； 第三步根據(jù)數(shù)據(jù)包編碼，確定數(shù)據(jù)丟失的情況，然后確定矩陣φ,其維數(shù)為(rn-φ. ,是由φ矩陣去除掉A行元素之后得到，去除掉的行數(shù)和向量J中丟失的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)； 第四步建立數(shù)據(jù)重構(gòu)模型y = ΦΨα+e = a+e 式中α是基變換系數(shù)；ψ是一個(gè)基矩陣，可以是小波基，傅里葉基或其它的變換基；Θ = ΦΨ κ是數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸過(guò)程中的噪聲，通過(guò)測(cè)量得到； 第五步采用1'線性優(yōu)化的方法求解 = arg mm ||魂且卜 < ε得到最優(yōu)的系數(shù)d , S是求解過(guò)程中所有可能的解，^是測(cè)量誤差的上限值，e>\\42，噪聲g是數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸過(guò)程中的噪聲，通過(guò)測(cè)量得到，一般建議取C1 = IbI2 ； 第六步，通過(guò)下式計(jì)算得到重構(gòu)之后的原始數(shù)據(jù) 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其特征在于所述無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)為加速度傳感器節(jié)點(diǎn)或速度傳感器節(jié)點(diǎn)或位移傳感器節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其特征在于采集無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為加速度或速度或位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其應(yīng)用于土木健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，其應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明主要針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，結(jié)合應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的最新理論，提出了一種基于壓縮感知的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法。該方法將采集到的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸之前采用隨機(jī)矩陣進(jìn)行編碼，然后再經(jīng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，在基站當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀接收到數(shù)據(jù)包之后，采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，即使在傳輸?shù)倪^(guò)程中有數(shù)據(jù)丟包，則仍然可以完全恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。這樣可以避免因數(shù)據(jù)丟包需重復(fù)發(fā)送而造成的傳輸網(wǎng)絡(luò)擁堵，極大的增加了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜耘c傳輸速度。
文檔編號(hào)H04W28/06GK102970707SQ201210557839
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者鮑躍全, 李惠 申請(qǐng)人:李惠