[發明專利]基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法

有效

• 申請號: 201611123863.3
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN108173620B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 楊余旺;李玉波;王穎;辛智斌;韓晨;葉磊;柯亞琪;夏吉安
• 申請（專利權）人: 南京海道普數據技術有限公司
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04W24/04;H04W40/22;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 王瑋

1.一種基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于：該方法應用于WSN數據傳輸階段，載體是WSN末梢數據終端和Spark計算平臺；步驟如下：

(1)構建WSN末梢數據終端；WSN中數據節點綜合稱為WSN末梢數據終端，包含有測量節點、中繼節點和匯聚節點；其中，測量節點和中繼節點的物理結構一致，按照在網絡中角色的不同劃分分為測量和中繼功能；

(2)WSN數據終端中各類型節點按簇匯聚數據組網和選舉簇頭，本簇內的數據在簇頭上執行壓縮感知操作，進行數據壓縮后上傳數據到中繼節點；不同簇的數據在中繼節點上采用網絡編碼的方式對數據包進行組合計算，將計算結果進行傳輸，進入匯聚節點；匯聚節點不處理數據，直接將收集的各簇內的環境數據通過GPRS互聯網接入模塊發送到數據云網關；

(3)云網關進行環境數據的時隙內緩存，整時隙的全部數據被輸入流式計算框架SparkStream進行數據的譯碼和重構，重構后的數據進行異常數據發現的流式k-means程序，進行快速聚類。

2.根據權利要求1所述的基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于：步驟(1)中所述各節點組成結構包含傳感器模塊、WSN網內通信模塊、供電模塊以及控制器模塊。

3.根據權利要求1中所述的基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于:步驟(1)中各節點基礎通信方式和成簇協議是按簇匯聚路由協議。

4.根據權利要求1中所述的基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于:步驟(2)中所述數據執行壓縮感知操作的實現流程如下：

第1步：確定分簇方式，并進行簇內的時鐘初始化；WSN末梢數據終端被劃分為多個數據測量的簇；

第2步：測量節點感知環境數據并將本簇數據匯聚到簇頭；

第3步：測量時間被劃分為測量周期，每個周期內測量內容包括五個測量時隙，每個時隙分別按順序測量節點所在位置的光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫室和土壤濕度；

第4步：每個時隙的測量數據被發送到簇頭，簇頭執行壓縮感知后進行網絡廣播。

5.根據權利要求4所述的基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于：第4步中所述的壓縮感知方法實現步驟如下：

步驟4.1：簇頭對每個時隙內的簇內環境數據采用離散余弦變換，將時空相關性較強的原始環境測量數據x執行稀疏處理x＝Ψ×θ，使環境數據的稀疏結果θ滿足壓縮感知的k-稀疏要求，Ψ為稀疏向量；

步驟4.2：對稀疏結果執行壓縮感知操作，使時隙內數據長度從節點個數N變成壓縮結果M，M＜＜N；網絡鏈路中傳輸內容為y＝Φx＝ΦΨθ，觀測矩陣Φ為高斯隨機矩陣；

步驟4.3：簇頭壓縮數據向上層中繼節點匯聚，返回步驟4.2，等待下一時隙的數據輸入。

6.根據權利要求1所述的基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于：步驟(2)中所述的網絡編碼方法實現流程如下：

第1步：上層中繼節點接收到壓縮感知數據包，將同時隙內不同簇的數據包進行隨機線性網絡編碼組合，記錄編碼向量；

第2步：壓縮網絡編碼數據包最終到達匯聚節點，匯聚節點把所有數據全部轉發到數據云網關，進行數據同步；

第3步：數據云網關將一個時隙的全部數據輸入流式計算框架進行壓縮網絡編碼數據包的譯碼重構。

7.根據權利要求6所述的基于壓縮網絡編碼的WSN異常數據發現系統實現方法，其特征在于：第1步所述的隨機線性網絡編碼組合的實現步驟如下：

步驟1.1：構造隨機線性網絡編碼向量；編碼向量由M個單精度浮點數表示，M值是壓縮WSN中無線傳感器節點數后的數據長度；若某數據包是第i時隙的環境測量數據，則編碼向量初始化單位向量為第i個元素為1；

步驟1.2：設計數據包格式；WSN網內傳輸的數據包含包頭配置信息與壓縮環境測量數據兩部分，數據包設計需要同時滿足壓縮感知和網絡編碼進行原始測量數據重構的條件；包頭配置包含時間戳和鏈路的編碼向量，其中時間戳標記該數據的打包時間，在簇頭節點中使用時間戳排序數據包的測量時間，減少重復數據包的冗余接收；壓縮環境測量數據是經過壓縮感知處理的WSN環境數據的稀疏壓縮結果；

步驟1.3：將WSN末梢數據終端中的中繼節點作為網絡編碼廣義蝶形網絡的信源節點，對不同簇內的時隙壓縮感知數據乘以隨機編碼向量進行組合，計算結果向指定的匯聚節點傳輸；

步驟1.4：返回步驟1.1，等待新的時隙壓縮結果輸入。