[發(fā)明專利]一種生命期受限的無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化方法

在審

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• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106961692A
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發(fā)明（設計）人: 趙聞博;許錄平;何小川;張華;馮冬竹;劉清華
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W24/10;H04W84/18
• 代理公司: 北京天奇智新知識產(chǎn)權代理有限公司11340
• 代理人: 陳新勝

技術領域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡領域，具體涉及一種生命期受限的無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化方法。

背景技術

無線傳感器網(wǎng)絡由密集部署的無線傳感器節(jié)點構成。這種網(wǎng)絡通常被安置在自然區(qū)域中，通過節(jié)點之間的互相協(xié)作，對目標環(huán)境中物理量的變化進行監(jiān)測。傳感器節(jié)點由電池供電，基站由電源供電，傳感器節(jié)點和基站通過無線通信的方式，自組織為一個網(wǎng)絡。

在傳感器節(jié)點的所有能量消耗中，無線傳輸占據(jù)著最大的比重。如果將所有采樣到的數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)報送給中心節(jié)點，節(jié)點有限的電能很快會被耗干，并影響整個網(wǎng)絡的工作。幸運的是，在很多應用場景中，用戶能夠容忍采集到的數(shù)據(jù)存在一定程度的模糊(不精確性)，去換取無線傳輸中數(shù)據(jù)量的下降。數(shù)據(jù)近似是一種節(jié)能策略，它通過降低采集到的數(shù)據(jù)的精度來節(jié)省傳感器節(jié)點的能量消耗。

傳感器數(shù)據(jù)的時間相關性和空間相關性是數(shù)據(jù)近似的基礎。時間相關性指：對某個傳感器節(jié)點而言，在相鄰的周期中，它所采集到的數(shù)據(jù)往往較為平穩(wěn)，只在一定的范圍內波動。所以，對某個節(jié)點，當它采集到數(shù)據(jù)后，首先計算本次采集到的數(shù)據(jù)與上次報送的數(shù)據(jù)之間的偏差。只有當偏差較大的時候(大過某個給定的誤差范圍)，才需要向中心節(jié)點發(fā)送本次采集到的數(shù)據(jù)。否則，此節(jié)點不需要發(fā)送任何數(shù)據(jù)，而此時中心節(jié)點則認為本周期此節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)與它上次報送的數(shù)值相同。另外，由于傳感器節(jié)點部署的往往較為密集，分布在相鄰區(qū)域的節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)在很大程度上是相似的，這是數(shù)據(jù)的空間相關性。利用這個特性，在互相臨近的幾個區(qū)域中，只需要挑選出其中一個區(qū)域作為代表，讓部屬在此區(qū)域的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包給中心節(jié)點即可。中心節(jié)點則認為其他臨近區(qū)域的采樣值與代表值相同。

目前，也有在生命期的限制下優(yōu)化數(shù)據(jù)精度的報道，其主要是考慮單點數(shù)據(jù)收集，即網(wǎng)絡中只有一個傳感器節(jié)點的情況。而實際中的網(wǎng)絡拓撲通常是由多個節(jié)點組成的多跳結構，因此傳統(tǒng)報道的方法不再適用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的就是提供一種生命期受限的無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化方法，其可針對普遍采用的樹型網(wǎng)絡拓撲結構，根據(jù)節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，計算出最優(yōu)解。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種生命期受限的無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化方法，其特征在于：包括如下操作步驟：

S1：將數(shù)據(jù)精度問題轉化為單點數(shù)據(jù)收集；

S2：用A(t,m)表示最優(yōu)解，用B(t,m)表示最優(yōu)解中最后一次上報數(shù)據(jù)的時刻；其中：t表示需要維持的生命期，m表示上報次數(shù)的限制；

S3：采用以下動態(tài)規(guī)劃方法進行迭代計算，先求出a值，再求解A(t,m)與B(t,m)；

上述技術方案中，在一定網(wǎng)絡生命期的限制下，根據(jù)節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，計算出最優(yōu)解，即在哪些采樣周期，傳感器節(jié)點上報數(shù)據(jù)給基站，從而使得基站處獲得的數(shù)據(jù)誤差最小。

附圖說明

圖1是一個簡單的樹形網(wǎng)絡結構圖；

圖2將多層樹變換為兩層樹形結構的圖示，用于證明左圖和右圖的拓撲結構對解決數(shù)據(jù)精度最優(yōu)化問題是等效的；

圖3展示了將圖2右圖中的節(jié)點按照寬度優(yōu)先的順序進行訪問，將訪問到的節(jié)點數(shù)據(jù)依次鏈接形成的一條數(shù)據(jù)鏈的示意圖，時間從1至6T；

圖4為歸一化的100個節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲圖；

圖5是某傳感器前5000個溫度和太陽能輻射的數(shù)據(jù)圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例對本發(fā)明進行具體說明。應當理解，以下文字僅僅用以描述本發(fā)明的一種或幾種具體的實施方式，并不對本發(fā)明具體請求的保護范圍進行嚴格限定。

本發(fā)明所解決的問題是，當需要維持的網(wǎng)絡生命期(網(wǎng)絡中第一個節(jié)點耗干能量之時)給定時,如何選擇報送數(shù)據(jù)的時間，使收集到的數(shù)據(jù)的精確度最大化。特別需要指出，本發(fā)明用于處理不帶有數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)融合是指，在數(shù)據(jù)傳輸中，每個中間節(jié)點首先對收集到的數(shù)據(jù)，與自己的本地采集到的數(shù)據(jù)做計算(比如求最大值MAX，最小值MIN，平均值AVG等等操作)，再發(fā)送計算出的數(shù)值給父節(jié)點。而本發(fā)明關注不帶有任何數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)收集，每個中間節(jié)點對數(shù)據(jù)包不進行任何處理，僅僅將接收到的數(shù)據(jù)包原封不動的發(fā)送出去，它的用途更廣泛，應用場景也更普遍。