基于壓縮感知的海洋監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)高能效傳輸方法.pdf

1、海洋是維持人類社會(huì)生存進(jìn)步的重要基地。作為探索海洋世界的關(guān)鍵設(shè)備，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著重要作用。面對(duì)三維海洋監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)與惡劣的水聲信道環(huán)境，設(shè)計(jì)高能效的數(shù)據(jù)傳輸算法尤為重要，這也是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)難題。壓縮感知理論集信號(hào)獲取與數(shù)據(jù)有效壓縮于一體，其為能量有限的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種創(chuàng)新性的研究突破方案。
　　壓縮感知利用待采集信號(hào)的稀疏性，通過(guò)少量的隨機(jī)投影值即可在誤差許可的范圍內(nèi)精確重構(gòu)原始信號(hào)。由于大部

2、分自然信號(hào)具備一定時(shí)空相關(guān)性，根據(jù)該理論，匯聚節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)一定路由準(zhǔn)則，利用所收集的遠(yuǎn)小于原始信息量的隨機(jī)觀測(cè)值重構(gòu)原始網(wǎng)絡(luò)圖譜，其應(yīng)用可顯著降低通信能耗與信道帶寬要求。本文主要研究了壓縮感知在三維海洋監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)中的應(yīng)用，以此設(shè)計(jì)高能效的數(shù)據(jù)傳輸算法。
　　首先，分析了復(fù)雜的水聲信道環(huán)境。根據(jù)水聲信道的衰減模型、噪聲模型與帶寬模型等，建立了單跳傳輸能耗模型，從而為路由算法的能耗評(píng)價(jià)方式作出了定義。并以該模型為基礎(chǔ)，仿真分析了壓縮感

3、知和多跳路由的性能優(yōu)勢(shì)。
　　其次，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于分布式壓縮感知的三維多跳路由算法，并討論了三種路由方案，其路由過(guò)程均可與壓縮感知觀測(cè)矩陣的設(shè)計(jì)進(jìn)行有效結(jié)合?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)信息傳輸方案，以上算法在節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，且均可實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的有效重構(gòu)。此外，完成了算法間性能的對(duì)比分析，選取出最優(yōu)算法。
　　最后，以壓縮感知為技術(shù)背景，將分簇協(xié)議與簇間多跳路由聯(lián)合設(shè)計(jì)，提出了

4、基于壓縮感知的分簇不均勻分層多跳路由算法CS-CULM。該算法以壓縮感知作為數(shù)據(jù)融合技術(shù)，簇內(nèi)傳輸采取改進(jìn)的三維分簇協(xié)議NEW-LEACH，簇間傳輸利用所選取的最優(yōu)算法將融合數(shù)據(jù)包通過(guò)多跳方式路由至匯聚節(jié)點(diǎn)?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果表明，CS-CULM算法在保證原始數(shù)據(jù)重構(gòu)精度的同時(shí)進(jìn)一步均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗。此外，本文對(duì)三維海洋監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)中原始信號(hào)分段頻域稀疏的問(wèn)題展開分析并提出了解決方案，對(duì)CS-CULM算法進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了提高數(shù)據(jù)重構(gòu)精