[發明專利]傳感器網絡物理信號協同壓縮感知系統及感知方法

有效

• 申請號: 200910198056.1
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN101795501A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 潘強;邱依昕;王營冠;劉海濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H04W84/18
• 分類號: H04W84/18
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 余明偉;尹麗云

技術領域

本發明屬于無線傳感技術領域，涉及一種傳感器網絡物理信號處理系統，尤 其涉及一種傳感器網絡物理信號協同壓縮感知系統；此外，本發明還涉及上述傳 感器網絡物理信號協同壓縮感知系統的感知方法。

背景技術

無線傳感網絡是由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元、控制模塊和通 信單元等的微小節點，通過自組織的方式構成的無線網絡。這些節點通過測量諸 如溫度、壓力和相對濕度等物理參數來監控環境或系統。無線傳感網絡技術是典 型的具有交叉學科性質的軍民兩用戰略高技術，可廣泛應用于軍事、國家安全、 環境科學、交通管理、災害預測、醫療衛生、制造業、城市信息化建設等領域。 由于無線傳感器網絡巨大的科學意義和應用價值，它已經引起了世界發達國家的 學術界、軍事部門等的極大關注。

由于無線傳感器網絡以感知并獲取有關客觀物理世界的知識和狀態為根本 目的，節點間如何高效節能的傳送數據尤為重要。無線傳感器網絡中的節點是微 型電子裝置，只裝配有限能源，而無線傳感網絡節點的功耗直接影響著節點壽命。 無線傳感器網絡節點的功耗可分成三個方面：感知功耗，通信功耗，數據處理功 耗。其中感知功耗隨應用的特性而變化。三個功耗中，節點在數據通信方面消耗 的能量最大，相比較下，數據處理能耗比數據通信能耗小得多。假定瑞利衰落和 四階功率距離損耗，那么在100m距離上發送1KB信息的能耗約等于100萬條指 令每瓦每秒處理器執行300萬條指令的能耗。

綜上所述，傳統算法的無線傳感器網絡各物理信號感知節點采樣信號的數據 量很大，在這種情況下各感知節點的通信傳播功耗相對較大，使用壽命也較短。

壓縮感知(CS，compressed?sampling?or?compressed?sensing)，該方法是 在采樣過程的同時，實現信號壓縮，以低于奈奎斯特速率的采樣率進行采樣，并 能以極高的準確率恢復出原信號。利用壓縮感知技術對數據處理的前提為數據的 稀疏性。有關文獻對此有詳細的解釋。例如，給定N×N的矩陣Ψ＝[ψ₁|ψ₂|…|ψ_N]時， 其中ψ₁表示矩陣的i列時，一個長度為N的信號x可以表示為：

x=Σi=1Nsiψi---(1).]]>

當上述公式(1)中的s_i系數中只有K個不等于零時，信號x可以被稱為K- 稀疏信號。在壓縮感知技術中，可以對信號x進行欠采樣(低于奈奎斯特速率進 行采樣)，并在接收端進行恢復。在實現時，通過引入第二個M×N(K＜M＜N)的 矩陣Φ₁，并計算y＝Фx，得到：y＝Φx＝ΦΨs＝Θs(2)。

式中，s＝[s₁，s₂，...，s_N]^T，T為矩陣轉置。由于M＜N，y即為采樣并壓縮后的信 號。在接收端，先根據接收信號y恢復s，進而恢復x。但由于上述公式(2)中 的方程組個數小于未知變量個數，因此，s_i的解有無窮多組。考慮到信號的稀疏 性，對信號的恢復問題等價于尋找上述公式(2)的一個最稀疏的解。對信號進 行重建的方法在此處用正交匹配追蹤算法(OMP)。

綜上所述，利用壓縮感知的理論結合無線傳感網絡的特性，可大大減少每個 節點的數據通信量，使其能在強衰落信道環境、局部節點失效及高數據丟包率情 況下通過物理信號重構節點實現物理信號重構。

發明內容