基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法，該方法包括如下步驟：傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)原始信號(hào)正常采樣后，將N個(gè)原始數(shù)據(jù)通過有損無線鏈路進(jìn)行傳輸；根據(jù)收到的缺損數(shù)據(jù)構(gòu)建測(cè)量矩陣；基于壓縮感知原理，選取合適的稀疏基對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行稀疏化表示；在信號(hào)重構(gòu)端通過求解一范數(shù)L1凸優(yōu)化問題將原始信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)；在信號(hào)重構(gòu)端將信號(hào)重構(gòu)狀況反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，使其相應(yīng)調(diào)整通信參數(shù)以保證重構(gòu)精度。本發(fā)明通過合理的設(shè)計(jì)測(cè)量矩陣，利用少量缺損數(shù)據(jù)就可以恢復(fù)重構(gòu)原始信號(hào)，與傳統(tǒng)的插值法相比重構(gòu)精度大大提高，很好地克服了在不可靠鏈路中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失-重傳機(jī)制導(dǎo)致的巨大能耗及時(shí)延。
【專利說明】基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)是以對(duì)物理世界的數(shù)據(jù)采集和信息處理為主要任務(wù)，以網(wǎng)絡(luò)為信息傳遞載體，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的信息交互，提供信息服務(wù)的智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使系統(tǒng)可以自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。
[0003]物聯(lián)網(wǎng)傳感器是感知物質(zhì)世界的“感覺器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號(hào)，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。傳感器節(jié)點(diǎn)一般都是由電池供電，且電池能量通常難以補(bǔ)充，這就要求節(jié)點(diǎn)處于高能效運(yùn)行狀態(tài)，以延長系統(tǒng)的使用壽命。考慮到無線模塊的能耗占據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能耗，物聯(lián)網(wǎng)采用低功耗無線網(wǎng)絡(luò)作為其信息、數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞?。但低功耗無線鏈路的不可靠性導(dǎo)致數(shù)據(jù)通過無線信道進(jìn)行傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失，從而影響終端信息的實(shí)時(shí)可靠傳輸。
[0004]低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路容易受到外界環(huán)境例如溫度，濕度的干擾，導(dǎo)致鏈路質(zhì)量的下降。同時(shí)天線高度，發(fā)送天線與接受天線的角度，不對(duì)稱鏈路，時(shí)間，空間變化等都會(huì)導(dǎo)致不同程度的鏈路質(zhì)量下降。
[0005]最為常用的針對(duì)不可靠鏈路導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題的解決方案是基于確認(rèn)幀的數(shù)據(jù)重傳機(jī)制。發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后會(huì)等待一段最小幀間間隔時(shí)間，如果在此期間沒有收到來自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)于該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)幀，發(fā)送節(jié)點(diǎn)默認(rèn)該數(shù)據(jù)包沒有成功發(fā)送。發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會(huì)再次通過載波偵聽多重訪問重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)重傳的次數(shù)可以設(shè)定。采用該機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能耗是與數(shù)據(jù)重傳次數(shù)成正比的。另一種方法是通過增強(qiáng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到來自接收節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)自己的發(fā)射功率再次進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。終端獲得缺損數(shù)據(jù)后進(jìn)一步通過插值法，根據(jù)已知數(shù)據(jù)構(gòu)造缺失數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合重構(gòu)出原始信號(hào)。
[0006]但是以上兩種方式都是通過增大能耗來應(yīng)對(duì)鏈路的不對(duì)稱性，這對(duì)于能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言是不切實(shí)際的。此外，上述兩種方式還會(huì)導(dǎo)致信息獲取時(shí)延的增大。
[0007]最新的壓縮感知原理證明了只要信號(hào)在某個(gè)域上具有稀疏性，就可以通過選取合適的稀疏基和測(cè)量矩陣，利用少量量測(cè)高精度重構(gòu)原始信號(hào)，這為不可靠無線鏈路上的信息傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)中很多被檢測(cè)信號(hào)具有稀疏性，即在某些域內(nèi)被采樣信號(hào)可以用極少數(shù)的參數(shù)表示，例如，聲信號(hào)在頻域具有稀疏性，圖像在小波域內(nèi)具有稀疏性等。壓縮感知理論的基本思想是通過合理設(shè)計(jì)觀測(cè)矩陣，使得原始信號(hào)投影為低維的觀測(cè)向量，并通過在計(jì)算能力強(qiáng)大的信號(hào)重構(gòu)端求解稀疏最優(yōu)化問題，將低維的觀測(cè)向量高概率的重構(gòu)高維原始信號(hào)。通過把不可靠鏈路模擬為測(cè)量矩陣，并加以合理選擇量測(cè)參數(shù)，就可以利用剩余的少量量測(cè)數(shù)據(jù)以較高的精度重構(gòu)原始信號(hào)，尤其適用于環(huán)境較為惡劣的低功耗無線信息傳輸場(chǎng)景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:一種基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法，該方法包括以下步驟:
[0010](I)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)原始信號(hào)正常采樣后，將N個(gè)原始數(shù)據(jù)通過有損無線鏈路進(jìn)行傳輸；
[0011](2)根據(jù)收到的缺損數(shù)據(jù)構(gòu)建測(cè)量矩陣；
[0012](3)基于壓縮感知原理，選取合適的稀疏基對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行稀疏化表示；
[0013](4)在信號(hào)重構(gòu)端根據(jù)步驟2得到的測(cè)量矩陣和步驟3得到的稀疏基，通過求解一范數(shù)LI凸優(yōu)化問題將原始信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)；
[0014](5)在信號(hào)重構(gòu)端將信號(hào)重構(gòu)狀況反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)相應(yīng)調(diào)整通信參數(shù)以保證重構(gòu)精度。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，通過合理的設(shè)計(jì)測(cè)量矩陣，利用少量缺損數(shù)據(jù)就可以恢復(fù)重構(gòu)原始信號(hào)，與傳統(tǒng)的插值法相比重構(gòu)精度大大提高，很好地克服了在不可靠鏈路中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失-重傳機(jī)制導(dǎo)致的巨大能耗及時(shí)延。通過大量仿真及物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方法能夠在收包率(packet reception rate, PRR)只有15%的情況下,無需數(shù)據(jù)重傳即可精度恢復(fù)原始信號(hào)，重構(gòu)誤差小于10% ;而同等條件下，傳統(tǒng)利用插值法即便是在三次數(shù)據(jù)重傳機(jī)制下重構(gòu)誤差約為70%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)用原始聲信號(hào)及稀疏化后信號(hào)表示；
[0018]圖3為本發(fā)明的無線鏈路空間特性(收包率隨節(jié)點(diǎn)間距離變化圖)；
[0019]圖4為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)I (PRR = 0.1)中信號(hào)重構(gòu)性能比較圖；
[0020]圖5為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)2 (PRR = 0.4)中信號(hào)重構(gòu)性能比較圖；
[0021]圖6為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)3 (PRR = 0.7)中信號(hào)重構(gòu)性能比較圖；
[0022]圖7為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)中等重構(gòu)精度下所需數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明基于一種運(yùn)用壓縮感知理論利用缺損數(shù)據(jù)對(duì)原始稀疏信號(hào)進(jìn)行精確高效重構(gòu)的方法，適用于有損鏈路下，對(duì)能效性及信息傳輸實(shí)時(shí)性有較高要求的可靠信息傳輸系統(tǒng)，包括如下步驟:
[0024]1.傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)原始信號(hào)正常采樣后，將N個(gè)原始數(shù)據(jù)通過有損無線鏈路進(jìn)行傳輸；具體無線傳輸過程中不采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟包-重傳機(jī)制，如果在規(guī)定的最短幀間間隔(Short interframe spacing, SIFS)內(nèi)沒有收到確認(rèn)巾貞,則忽略該數(shù)據(jù)可能沒有成功傳輸?shù)闹甘荆^續(xù)進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送，直至數(shù)據(jù)無線傳輸完成；
[0025]2.根據(jù)收到的缺損數(shù)據(jù)構(gòu)建測(cè)量矩陣；
[0026]對(duì)于現(xiàn)有的基于壓縮感知理論的觀測(cè)矩陣Φ的選取，不僅要保證Φ和Ψ (稀疏基)的不相干性，且要滿足約束等距性。本發(fā)明根據(jù)在有損無線鏈路環(huán)境下成功接收到的缺損數(shù)據(jù)，選取合適的測(cè)量矩陣Φ e R_(M<<N)，行數(shù)為M。M值的選取需要權(quán)衡重構(gòu)概率和重構(gòu)所需時(shí)間，以使得所設(shè)計(jì)的基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法能夠兼顧重構(gòu)信號(hào)性能及獲取信號(hào)的時(shí)延。同時(shí)根據(jù)缺損數(shù)據(jù)原始序列號(hào)決定對(duì)單位矩陣對(duì)應(yīng)抽取M行，構(gòu)成Φ。
[0027]3.基于壓縮感知原理，選取合適的稀疏基對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行稀疏化表示；
[0028]應(yīng)用壓縮感知的基礎(chǔ)就是被采樣信號(hào)要在某個(gè)域內(nèi)具有稀疏性。以聲信號(hào)為例，考慮到聲信號(hào)在時(shí)域上一般不具有稀疏特性，而聲信號(hào)通過離散余弦變換或者傅里葉變換后，絕大多數(shù)聲學(xué)信號(hào)在頻域上表現(xiàn)出較明顯的稀疏性。具體地，原始信號(hào)f等于稀疏基Ψ與其系數(shù)X的乘積，并估計(jì)該信號(hào)在稀疏域上的稀疏度H即非零元素)。
[0029]4.在信號(hào)重構(gòu)端根據(jù)步驟2得到的測(cè)量矩陣和步驟3得到的稀疏基，通過求解一范數(shù)LI凸優(yōu)化問題將原始信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)；
[0030]在壓縮感知中，信號(hào)的重構(gòu)在本質(zhì)上是解欠定方程的問題。一般情況下由于方程欠定，滿足方程的解有無數(shù)個(gè)，精確得到原信號(hào)是幾乎不可能的，但是當(dāng)信號(hào)具有稀疏性時(shí)，根據(jù)泛函分析和凸優(yōu)化理論我們可以知道對(duì)信號(hào)LO范數(shù)的最優(yōu)化求解等價(jià)于對(duì)信號(hào)的重構(gòu)過程。而求解LO范數(shù)是一個(gè)NP-hard問題，可以放寬約束條件通過對(duì)LI范數(shù)的優(yōu)化來逼近LO范數(shù)的解?？梢宰C明在信號(hào)具有稀疏性的情況下，目標(biāo)函數(shù)在LO和LI的約束空間的最優(yōu)點(diǎn)幾乎相同，所以在工程應(yīng)用中使用LI范數(shù)優(yōu)化算法能夠很快的完成對(duì)信號(hào)的重構(gòu)。
[0031]5.在信號(hào)重構(gòu)端將信號(hào)重構(gòu)狀況反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)相應(yīng)調(diào)整通信參數(shù)以保證重構(gòu)精度；
[0032]由于幾乎不可能提前知道能夠保證重構(gòu)原始信號(hào)的最小測(cè)量值數(shù)目，因此隨機(jī)丟包的前提下重構(gòu)原始信號(hào)的精度往往不能保證。從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，引入反饋機(jī)制以保證信號(hào)的重構(gòu)精度是十分必要的。在終端信號(hào)重構(gòu)精度不能滿足需要的時(shí)候可以由終端給發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸相應(yīng)信息使發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過增大發(fā)送功率等措施保證足以在一定誤差范圍內(nèi)重構(gòu)原始信號(hào)的測(cè)量值數(shù)目。
[0033]本發(fā)明的工作過程如下:首先，原始信號(hào)f經(jīng)過采樣后直接通過發(fā)送節(jié)點(diǎn)無線傳輸給接收節(jié)點(diǎn)。由于無線鏈路的不可靠性，在無線傳輸?shù)倪^程中會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的部分丟失，數(shù)據(jù)隨機(jī)丟失的過程即可視為隨機(jī)壓縮采樣的過程。信號(hào)重構(gòu)端根據(jù)接收到的缺損數(shù)據(jù)原始序列號(hào)，構(gòu)建測(cè)量矩陣Φ，從而建立測(cè)量值估計(jì)表達(dá)式I = Φ f。通過合理選擇稀疏基Ψ，將原始信號(hào)f稀疏化后得到I = Φ Ψχ，最后利用LI范數(shù)優(yōu)化算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。
[0034]如圖2所示，典型的時(shí)域上的原始信號(hào)，該域上幅值是連續(xù)變化的。經(jīng)過傅里葉變換后，只有少數(shù)頻率的系數(shù)幅值較大，即原始信號(hào)在頻域的具有稀疏性。信號(hào)稀疏性是壓縮感知理論的基礎(chǔ)，是應(yīng)用壓縮感知在不可靠鏈路信息可靠傳輸?shù)牡南葲Q條件。
[0035]如圖3所示，在無線通信場(chǎng)景中，隨著通信距離的變化，只有少部分鏈路(0_4m)處于高可靠連接區(qū)(PRR>90% )，而大部分鏈路(4-17m)處于過渡區(qū)(10% <PRR<90% )。傳統(tǒng)無線通信中，為了確?？煽啃畔鬏?，只利用連接區(qū)的高可靠鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而對(duì)處于過渡區(qū)的鏈路不加以利用。這造成了無線通信資源的極大浪費(fèi)。本發(fā)明將利用處于過渡區(qū)的鏈路進(jìn)行信息傳輸，以充分利用無線資源。
[0036]為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，分別以收包率為0.1，0.4，0.7三種鏈路狀況為背景，對(duì)本發(fā)明在信號(hào)(以聲信號(hào)為例)重構(gòu)精度及能效、傳輸時(shí)延上與傳統(tǒng)的多次數(shù)據(jù)重傳-插值法重構(gòu)的方法進(jìn)行對(duì)比。
[0037]如圖4所示，利用聲信號(hào)的頻域稀疏性及合理選擇測(cè)量矩陣，即便在PRR為0.15的過渡區(qū)下，本發(fā)明利用嚴(yán)重受損數(shù)據(jù)仍然可以精度恢復(fù)原始信號(hào)，重構(gòu)誤差小于10% ;采用傳統(tǒng)的插值法，即便是在三次數(shù)據(jù)重傳機(jī)制下重構(gòu)誤差約為70%。
[0038]如圖5所示，PRR為0.4的過渡區(qū)下，本發(fā)明利用受損數(shù)據(jù)可精度恢復(fù)原始信號(hào)，重構(gòu)誤差為5.8% ;采用傳統(tǒng)的插值法，即便是在三次數(shù)據(jù)重傳機(jī)制下重構(gòu)誤差約為23.6%。
[0039]如圖6所示，PRR為0.7的過渡區(qū)下，本發(fā)明利用受損數(shù)據(jù)可精度恢復(fù)原始信號(hào)，重構(gòu)誤差為3.7% ;采用傳統(tǒng)的插值法，即便是在三次數(shù)據(jù)重傳機(jī)制下重構(gòu)誤差約為6%。
[0040]如圖7所示，以本發(fā)明為參考，等重構(gòu)精度下，多次重傳-插值法達(dá)到本發(fā)明重構(gòu)精度所需數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)。由該圖可以得出，本發(fā)明利用過渡區(qū)鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不僅重構(gòu)精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，能耗及時(shí)延也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法，尤其是鏈路質(zhì)量較差的時(shí)候。
【權(quán)利要求】
1.一種基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)原始信號(hào)正常采樣后，將N個(gè)原始數(shù)據(jù)通過有損無線鏈路進(jìn)行傳輸； (2)根據(jù)收到的缺損數(shù)據(jù)構(gòu)建測(cè)量矩陣； (3)基于壓縮感知原理，選取合適的稀疏基對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行稀疏化表示； (4)在信號(hào)重構(gòu)端根據(jù)步驟2得到的測(cè)量矩陣和步驟3得到的稀疏基，通過求解一范數(shù)LI凸優(yōu)化問題將原始信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)； (5)在信號(hào)重構(gòu)端將信號(hào)重構(gòu)狀況反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)相應(yīng)調(diào)整通信參數(shù)以保證重構(gòu)精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法，其特征在于，所述步驟I具體為:具有稀疏性的原始信號(hào)通過正常采樣后，將采樣后的數(shù)據(jù)全部通過無線鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)包后發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)等待無線通信協(xié)議規(guī)定的SIFS時(shí)間以接收來自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的針對(duì)該數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)拇_認(rèn)幀；如果沒有收到確認(rèn)幀，發(fā)送節(jié)點(diǎn)忽略該數(shù)據(jù)可能沒有成功傳輸?shù)闹甘?，不再重傳?shù)據(jù)而是繼續(xù)進(jìn)行下一數(shù)據(jù)包的發(fā)送，直至數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信號(hào)稀疏特性的不可靠無線鏈路信息傳輸方法，其特征在于，所述步驟2具體為:根據(jù)在有損無線鏈路環(huán)境下成功接收到的缺損數(shù)據(jù)，選取測(cè)量矩陣Φ e R_ (Μ < < N)，行數(shù)為Μ，根據(jù)缺損數(shù)據(jù)原始序列號(hào)對(duì)單位矩陣抽取M行，構(gòu)成Φ。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103944680SQ201410165705
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】王智, 吳連濤, 余愷 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)