基于压缩感知和网络编码联合的高能效无线传输技术研究

In the wireless sensor networks (WSNs), the power consumption is a bottleneck restricting its development, and the data transmission accounts for the largest part in the energy consumption, so the energy-efficient wireless transmission scheme, which can maximize the lifetime and improve the performance of network, has been an urgent demand in the wireless sensor networks. By the spatiotemporal correlation of the measurements and the wireless broadcast, the high energy-efficient wireless transmission technology coupling the compressed sensing and network coding is carried out in the project. In the joint program, an efficient the encoding method for the source node and intermediate forwarding node is presented, and then the construction method of the measurement matrix/random projection, which meets the requirement of the Restricted Isometry Property (RIP) condition, is given. For the varying correlation of WSNs data caused by transmission, the anti-correlation variation decoding algorithm with high-precision is proposed, and the analysis of performance including energy consumption, capacity, and signal quality is also discussed. Meanwhile, the design scheme of the packet format is given to address the header explosion problem in the WSNs, where the communication is predominantly uplink. The results have a very important significance for improving the energy efficiency and network performance for the wireless sensor networks.

在无线传感器网络中，能量是制约其发展的瓶颈问题，而数据传输占据了节点能耗的主要部分，无线传感器网络迫切的需要高能效的无线传输方案，使得网络生命期最大化和提高网络性能。本项目针对无线传感器网络中感测数据的时空相关性与无线传输的广播特性，开展压缩感知与网络编码联合的高能效无线传输技术研究；在联合方案中，提出高效的源节点和中间转发节点的编码方法，给出满足压缩感知约束等距条件（RIP）的测量矩阵/随机投影的构建方法；针对网络数据相关性变化，提出高精度的抗相关性变化的联合方案译码算法，并建立相应的能耗、容量、信号质量等性能指标的解析分析方法；针对无线传感器网络以上行链路通信为主的特点，给出防止包头爆炸的数据包格式设计方案；该项目的研究对提高无线传感器网络能效和网络性能具有非常重要的意义。

本项目以无线传感器网络中的能效问题为研究背景，其研究的目标是在无线传感器网络中建立高能效的无线传输方案。针对无线传感器网络中感测数据的时空相关性与无线传输的广播特性，充分的利用压缩感知与网络编码两种技术的特点，提出高能效的压缩感知与网络编码联合的无线传输方案。主要解决的关键技术与创新点包括：.（1）针对能耗指标，研究节点处理数据包的多种场景，提出高能效的联合方案编码算法，其包括：.i. 针对网络中中继节点盲选引起的数据冗余传输，提出了一种基于压缩网络编码的高能效数据传输方法，在保证数据重构性能的前提下，通过最优中继节点的选择设计来尽可能减少传输次数，降低了节点收发数据消耗的能量。.ii. 利用无线传感网中数据的时间与空间相关性，提出一种联合双重预测和混合压缩感知的高能效无线传感网数据传输方法，并设计了一种自适应的预测阈值选取方法，既降低了能耗同时保证了数据恢复的精确，具有较好的实用性。.iii. 提出一种基于时空压缩网络编码的高能效和高精度无线传感网数据传输与恢复方法，该方法采用改进的压缩网络编码来最大可能的避免数据的冗余传输；通过利用KSVD思想，获得最佳的时间观测矩阵，使得数据更好的稀疏化，从而提高数据恢复的准确性。.（2）针对包头过长引起的包头爆炸问题，提出了有效的数据包格式设计方法，便于中继节点选取其下一跳节点。.（3）分析了联合方案的理论性能，给出了节点发送数据总次数与接收数据总次数的理论表达式；给出了无线信道时变场景下系统容量与能效的分析。.（4）针对分簇无线传感网，提出了一种新型的节能簇头选择方法，该方法考虑了死亡节点的影响，并通过引入可变系数来平衡网络密度和剩余能量的影响，其可以进一步提高网络的负载均衡，延长网络生命周期。.（5）针对无线传感网中无线信道的多变性和随机性，基于简单的信道模型，研究了无线信道获取方法，提出了几种低复杂度和高精度的信道获取方法，其包括静态信道与时变信道的获取。