[發明專利]用于無線傳感器網絡的小波漸進數據壓縮方法

無效

• 申請號: 200810031647.5
• 申請日: 2008-07-02
• 公開（公告）號: CN101350827A
• 公開（公告）日: 2009-01-21
• 發明（設計）人: 林亞平;周四望;胡玉鵬;葉松濤;章健軍;謝智德
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L29/06;H03M7/30
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司
• 代理人: 馬強

技術領域

本發明涉及數據壓縮方法，具體是一種用于無線傳感器網絡的小波漸進數據壓縮方法。

背景技術

無線傳感器網絡(WSN，wireless?sensor?networks)是當前在國際上備受關注的、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、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時感知監測對象，并采集相應數據。這些數據多跳的網絡方式傳送到基站(稱之為Sink節點)，交給用戶做進一步處理。傳感器網絡出于節省能量的需要，有一部分節點處于休眠狀態，不參與接收和發送數據，稱之為休眠節點；其余節點處于工作狀態，可以正常收發數據，稱之為工作節點。

大規模無線傳感器網絡中的數據收集主要采用基于分簇(cluster)的網絡模型(圖1)。在基于分簇的數據傳送模型中，簇內各工作節點將收集到的數據傳送到簇頭(cluster?head)，如圖1的節點S₁、S₂和S₃。簇頭節點進行數據壓縮等處理后向上一級簇頭(如圖1的節點S₄)傳送數據，直至Sink節點。傳感器網絡中眾多的工作節點產生了大量的傳感數據，而簇頭只有有限的存儲容量，從而形成了傳感數據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，其本質是通過對一個小波函數進行伸縮和平移來表示一個能量有限的信號。小波函數是具有波動性、衰減性和時間平均為零特性的實值函數。但由于待處理的數據常常囿于一個有限的區域，因此用小波處理會產生“邊界效應”，造成還原的數據在邊界處產生失真。

數據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，人們開發出了各種各樣的數據壓縮方法。數據壓縮的主要編碼技術包括霍夫曼編碼、算術編碼、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。小波數據壓縮是以小波變換為工具對數據進行壓縮。其基本思想是先對數據進行小波變換，將原始數據轉換到小波域，然后對小波系數進行量化和編碼，實現數據壓縮。現有的小波壓縮技術主要涉及如何選取參與小波變換的基函數以及如何對小波系數進行量化和編碼。

發明內容

基于現有技術，本發明目的旨在提供一種用于無線傳感器網絡的小波漸進數據壓縮方法，能夠解決無線傳感器網絡中簇頭存儲容量與傳感數據總量不匹配的問題，以及小波變換帶來了邊界效應問題。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是，一種用于無線傳感器網絡的小波漸進數據壓縮方法，簇頭在接收傳感數據的同時進行小波變換，產生小波系數；當小波系數達到一個數據單元后，簇頭對其編碼壓縮并傳送編碼壓縮結果；簇頭繼續產生的小波系數生成下一個數據單元，如此循環，形成漸進的數據壓縮傳送。

本發明的具體步驟如下：

第一步，初始化。簇內各工作節點對自身存儲的時間序列數據做K級時間維上的小波變換，并對小波系數進行編碼，初始化濾波器緩存矩陣Matrix_f₁，Matrix_f₂，...，Matrix_f_K，以及邊界延拓緩存矩陣Matrix_e和小波系數緩存矩陣Matrix_w；

第二步，建立數據傳送協議模型。將簇內工作節點結成環，并對環上節點編號成S₀-S_N-1，從節點S₀開始到S_L-1依次向簇頭傳送編碼后的數據；

第三步，簇頭對收到的數據進行解碼，并按行存入Matrix_f₁，將S₀至S_L-3傳送的數據按行存入Matrix_e，并將其看作是新增假想的節點S_N到S_N+L-3存儲的數據；

第四步，對Matrix_f_k進行第k級列變換(1≤k≤K)，生成的一行高頻小波系數和一行低頻小波系數，將高頻小波系數存入Matrix_w，矩陣Matrix_f_k中的元素依次上移2行。若k＜K，則將低頻小波系數存入Matrix_f_k+1，否則將低頻小波存入Matrix_w；