[發(fā)明專利]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同信息估計(jì)方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210560371.6
• 申請(qǐng)日: 2012-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN103067940A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉永桂;胥布工;高煥麗;潘創(chuàng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W24/00
• 分類號(hào): H04W24/00;H04W36/00
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)同信息處理方法，特別涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有多個(gè)測(cè)量信息的分布式協(xié)同信息估計(jì)方法。

背景技術(shù)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，通常部署大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)且采用無線通信方式，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)受到計(jì)算資源、通信帶寬和傳感范圍的限制。為了完成一個(gè)共同的目標(biāo)，需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)同工作來共同完成一個(gè)或多個(gè)任務(wù)。另外，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在復(fù)雜環(huán)境中，測(cè)量噪聲、信道噪聲和鏈路沖突等不確定性因素存在，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)從同一個(gè)感興趣的檢測(cè)點(diǎn)可能獲得不一致的信息，這將導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)估計(jì)性能變壞。這些問題使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)新的協(xié)同信號(hào)和信息處理理論及方法，對(duì)改善系統(tǒng)的可靠性和提高系統(tǒng)的魯棒性具有重要意義。

為了提高系統(tǒng)的魯棒性，有學(xué)者開發(fā)了一類能容忍丟包的卡爾曼濾波器，這類濾波器只考慮了系統(tǒng)的不確定性，比如系統(tǒng)的丟包和延時(shí)，沒有考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作和信息一致性。為了處理測(cè)量信息的不一致性，有學(xué)者提出了基于一致性(Consensus)策略的協(xié)同信息處理方法，該方法是全分布式的算法，能夠處理系統(tǒng)的不確定性和不一致性，但是該算法中一致性增益不是最優(yōu)的，因此不是最優(yōu)的信息處理方法。也有學(xué)者提出了基于擴(kuò)散策略(Diffusion?strategies)的分布式卡爾曼濾波方法，無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)只與他們的鄰居通信，且信息通過一系列卡爾曼迭代和數(shù)據(jù)融合來處理，并把信息擴(kuò)散到網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)，這類濾波器具有較高的估計(jì)精度，但是這類濾波器需要做多次迭代才能得到最后結(jié)果，具有一定的時(shí)延，且估計(jì)誤差具有較大的抖動(dòng)，不適合實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式最優(yōu)協(xié)同信息估計(jì)方法。在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)工作傳感器節(jié)點(diǎn)并行處理信息且只與自己的鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息，從而達(dá)到協(xié)同信息處理的目的。這種方法是分布式最優(yōu)算法，網(wǎng)絡(luò)中不需要信息融合中心，也不需要簇頭。對(duì)于單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)或者通信鏈路是魯棒的，對(duì)于隨機(jī)部署傳感器節(jié)點(diǎn)是靈活的，因此非常適合變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)不需要復(fù)雜的路由協(xié)議來傳遞信息。

由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)地位是對(duì)等的，以當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)s_i為例說明上述目標(biāo)，分布式協(xié)同信息估計(jì)方法采用以下技術(shù)方案：

1:在初始時(shí)刻k=0，初始化每個(gè)濾波器的各種參數(shù)；

2：為當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)s_i構(gòu)建鄰居表

3：當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)只和鄰居節(jié)點(diǎn)交換測(cè)量信息；

4：計(jì)算最優(yōu)的濾波器增益，根據(jù)步驟3中交換的測(cè)量信息，更新濾波器的估計(jì)值，并為下一時(shí)刻k+1預(yù)測(cè)濾波器的估計(jì)值；

5:如果當(dāng)前鄰居表變化，為下一時(shí)刻k+1更新鄰居表然后轉(zhuǎn)入到步驟3繼續(xù)執(zhí)行程序。

其中，上述所述的步驟1中，每個(gè)濾波器的參數(shù)包括狀態(tài)估計(jì)和協(xié)方差，且每個(gè)濾波器的狀態(tài)估計(jì)和協(xié)方差都服從均值為x₀，方差為P₀的高斯分布。

上述所述的步驟2中，構(gòu)建鄰居表的具體操作如下：

如果s_j位于s_i的通信范圍內(nèi)，則把s_j加入到s_i的鄰居表中；否則如果s_j不在s_i的通信范圍內(nèi)，或者鏈路失敗，則把s_j從s_i的鄰居表中刪除。如圖1所示，例如，對(duì)于s₁₁，它的鄰居表鄰居個(gè)數(shù)對(duì)于s₁₇，它的鄰居表鄰居個(gè)數(shù)等等。

上述所述的步驟3)中包括兩層含義：a)當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息具體過程包括：當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)廣播自己的測(cè)量信息給鄰居節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收來自所有鄰居節(jié)點(diǎn)的測(cè)量信息，因此，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)不僅擁有自己的測(cè)量信息，同時(shí)擁有鄰居節(jié)點(diǎn)的測(cè)量信息；b)當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)只與鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無關(guān)，因此該方法是全分布式算法。

上述所述的步驟4中進(jìn)一步包括：

4.1)計(jì)算濾波器增益包括當(dāng)前濾波器增益和鄰居濾波器增益當(dāng)前濾波器增益主要用于調(diào)節(jié)當(dāng)前預(yù)測(cè)值，鄰居濾波器增益主要用于補(bǔ)償鄰居節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)測(cè)量信息的不一致。

4.2)當(dāng)前濾波器增益和鄰居濾波器增益都是最優(yōu)的，即在濾波器設(shè)計(jì)目標(biāo)中，采用最小化濾波器估計(jì)誤差而得到的和因此本發(fā)明中的濾波器也為最優(yōu)濾波器。