[发明专利]一种分簇水声传感器网络数据采集和传输的方法

权利要求书

1.一种分簇水声传感器网络数据采集和传输的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）建立一分簇水声传感器网络，分簇水声传感器网络内分布有k个分簇，则同时有k个簇首，并冠以序号1、2、3，……，k，同时定义分簇ID为每个分簇区别于其他分簇的唯一标识号，该ID为簇首所拥有；又设分簇内传感器节点个数为n，同一时刻采集的原始数据个数为n，分簇水声传感器网络内同一时刻采集的原始数据个数定义为N，N=k×n，每簇获得m个测量值，则汇聚中心获得M个测量值，M=k×m，此时有M<<N；

2）各簇首首先从分簇内的传感器节点中获得原始数据，采集的原始数据以一长度为n的向量X_i表示，下标i表示所在分簇的序号，且1≤i≤k；

3）簇首以分簇ID为随机种子，产生维度为M×n的高斯矩阵，以符号Φ_i表示；并对Φ_i进行稀疏化处理得到矩阵Φ'_i，对应不同的测量过程设计分块高斯、分块对角高斯和分块上三角高斯三种测量矩阵结构，不同测量矩阵结构对应了不同的稀疏化过程；最后将测量矩阵Φ'_i与原始数据X_i相乘获得本地测量值并以符号Y_i表示，即Y_i=Φ_i·X_i，Y_i的长度为M，下标i表示所在分簇的序号，且1≤i≤k；

4）定义长度M的向量Y_i'为第i个簇首向第i+1个簇首传输的测量值，1≤i≤k，第k+1个簇首实际为汇聚中心；第1个簇首待传输的测量值与计算的本地测量值相同，即Y₁'＝Y₁，第2个簇首待传输的测量值为本地计算的测量值与第1个簇首传输而来的测量值之和，即Y₂'＝Y₂+Y₁'，称此过程为更新测量值过程；依次类推，第k个簇首待传输的测量值为Y′_k＝Y_k+Y′_k-1；

5）尽管矩阵Y_i'长度为M,但随着测量矩阵结构的不同，Y_i'包含了数目不一的规范排列的零值，这些零值不需要传输到下一簇首，称之为去零传输；因此各簇传输的数据量不大于M，当M<<N时，传输消耗的能量要远远小于传统方法传输所消耗的能量；

6）汇聚中心接收的测量值为Y_k'，并通过路由获得这些测量值所经过簇首的ID，用这些ID作为随机种子，生成重构所需要的测量矩阵，定义为符号Φ，此时的测量矩阵具有分块高斯、分块对角高斯和分块上三角高斯的结构形式，以Y_k'和Φ作为输入参数，采用平滑l₀算法（SL0）恢复原始数据。

2.如权利要求1所述一种分簇水声传感器网络数据采集和传输的方法，其特征在于在步骤3）中，所述稀疏化处理的具体步骤为：

3-1）在第i个簇首产生的测量矩阵Φ_i为一随机高斯矩阵；若以符号φ_uv(1≤u≤M,1≤v≤n)表示矩阵Φ_i的元素，则Φ_i可以表示为下式：

3-2)若测量矩阵结构为分块高斯结果，则不作稀疏化处理，Φ'_i＝Φ_i；

3-3）若测量矩阵结构为分块对角高斯结构，保留测量矩阵Φ_i中由第(i-1)*m+1行开始的m行数值，其余为0，这样每个簇首获取的有效测量值为m个，其余为0。稀疏化后的Φ_i可以表示为下式，并以符号Φ'_i表示；

3-4）若测量矩阵结构为分块上三角高斯结构，保留测量矩阵Φ_i中由第1行开始的i×m行数值，其余为0，这样每个簇首获取的有效测量值为i×m个，其余为0；稀疏化后的Φ_i可以表示为下式，并以符号Φ'_i表示；

3.如权利要求1所述一种分簇水声传感器网络数据采集和传输的方法，其特征在于在步骤6）中，所述测量矩阵具有分块高斯、分块对角高斯和分块上三角高斯的结构形式为：

6-1）若为分块高斯结构，则测量矩阵如下式所示结构形式：

6-2）若为分块对角高斯结构，则测量矩阵如下式所示结构形式：

6-3）若为分块上三角高斯结构，则测量矩阵如下式所示结构形式：