CN105846960A

CN105846960A - 一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法

Info

Publication number: CN105846960A
Application number: CN201610253033.6A
Authority: CN
Inventors: 华钢; 黄冬勃; 刘海强; 徐永刚; 尹洪胜
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明公开了一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法。旨在降低采样信息在传输时对网络带宽及吞吐量需求，提高分布式信源在受限空间中信息传输有效性和可靠性，延长资源受限传感器节点寿命。编码时，每个节点无需与其他节点进行通信，直接根据参数分布的相关性对本地采集数据进行抗干扰压缩编码；解码时，以能够获得的最可靠采集数据（如有线传感器、信息汇聚节点采集的信息）作为边信息，采用簇间级联解码方法，逐级将每个簇恢复出一个边信息，再使用簇内联合解码方法，将全部节点的采集数据恢复。

Description

一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法

技术领域

本发明涉及数据压缩编码与可靠传输技术领域，尤其涉及一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法。

背景技术

近年来，随着我国煤矿开采强度、深度的增加，国家对于煤炭行业安全开采问题也高度重视。物联网技术的出现及发展，为解决煤矿安全问题提拱了一种新的思路和解决途径，通过对煤矿安全生产信息的全面、准确、可靠感知，可促进对煤矿灾害发生演化规律、致灾机理、预警预防理论及技术的研究，可望在解决煤矿安全问题上取得突破。煤矿物联网环境下，呈现给我们的是以往没有遇到的复杂的分布式信源，其在煤矿的应用推广会遇到一系列问题：一、大量传感器节点产生的海量数据汇入物联网综合接入网关时，可能产生大大超出网关吞吐能力的数据量***问题，造成网络崩溃，给煤矿安全生产带来极大隐患；二、大量无线传感器节点的使用，会出现无线信道严重干扰的情况，导致数据传输可靠性下降；三、无线传感器在计算、通信以及能量等方面资源受限，若传感器节点进行持续、大量的通信传输，节点能量将会很快耗尽，影响整个***效能的发挥。

分布式实时监控信源，往往涉及安全生产设备控制和调度，要求对环境中参数变化实时且可靠掌握，例如瓦斯、风速、负压等信源，传感器节点要求做到实时采样并可靠传输。因此，此类信源在传感网中的编码必须具有实时、简单、低码率、抗干扰、非对称等特点。

分布式信源编码最初是由Slepian和Wolf 于 1973 年提出，他们证明了两个互不通信的相关信源，可以以小于独立熵的，但大于条件熵的编码速率独立编码，只要两者的编码速率之和大于其联合熵，就可以无失真传输，理论上证明了相关信源独立无损压缩编码的可行性。Wyner和Ziv基于Slepian-Wolf定理进行了拓展研究，将信源编码与信道编码相结合，提出了解码端利用边信息的有损分布式编码理论。Chou和Petovic等人基于Slepian-Wolf以及Wyner和Ziv等的研究，提出了基于伴随式的分布式信源编码DISCUS(Distributed Source Coding Using Syndromes)。作为第一个非对称分布式信源编码实现方案，Chou和Petovic等人的研究为近年来分布式信源编码由理论到具体实现的多种尝试奠定了基础。分布式信源编码具有传感器端独立编码且编码计算复杂度低、接收端联合解码的特点，能够更好的提高分布式信源编码有效性和可靠性。分布式信源如果直接使用联合分布式编码，由于相距较远信号之间的相关性不强，对于编码可靠性以及计算复杂度都是很大的挑战；而采用分簇编码的方法，可最大程度利用参数分布的时空相关性，保障采集信息的可靠性前提下，提高信息压缩率。

发明内容

本发明目的：解决分布式信源实时压缩传输数据压缩率以及可靠性的问题；提供一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法，其特征在于：

S1、将一个信息汇聚节点和若干传感器节点组成传感网络，其中，所述信息汇聚节点和所述传感器节点具有数据采集、数据处理以及无线数据收发的功能；

S2、信息汇聚节点位于传感器网络的边缘，通过有线的方式与网关相连接，将所有传感器节点编码数据通过网关上传至上位机；

S3、将所有传感器节点划分为若干个编码簇，每个编码簇由一个簇头和若干个成员节点构成，每个所述传感器节点采集数据并将所采集的数据进行独立的抗干扰压缩编码；

S4、将步骤S3中压缩编码完成的数据通过无线中继传输方式或有线方式汇集到所述信息汇聚节点；

S5、所述步骤S4中所述信息汇聚节点通过有线传输方式将信息汇聚节点所采集数据以及所有传感器节点压缩编码数据通过网关上传至上位机计算机;

S6、上位计算机解码时，以信息汇聚节点采集数据作为边信息，进行簇头传感信息级联解码，获得各编码簇边信息；各簇再使用各自的边信息，对本簇成员节点信息进行联合解码。

进一步的，S3步骤中划分编码簇包括以下步骤：

S31：将传感器网络监控范围根据所采集参数分布的空间相关性，划分成多个相邻的小区域，每个小区域中的所有传感器节点组成一个编码簇，位于每个簇中央的节点被定义为该簇的簇头；该分簇方法是编解码概念上的逻辑分簇，与通信分簇无关；

S32：将这些簇头根据邻接关系构成一个级联结构，形成解码逻辑上的级联关系。

进一步的，S4步骤中，在编码阶段，各节点利用参数分布的时空相关性对各自的采集数据独立进行抗干扰编码，编码的方法为LDPC或Turbo抗干扰编码。

进一步的，S5步骤中，若某簇头信息传输出错无法恢复或丢失，则恢复出距离该簇头节点最近的一个成员节点的数据作为边信息，再对该簇其他成员节点进行解码，该簇头数据可用上一次恢复出的数据代替。

进一步的，S6步骤中，若簇内某成员节点编码传输出错无法恢复或丢失，该点数据可用上一次恢复出的数据代替。

本发明的有益效果是对通过对网络进行虚拟分簇，提高压缩率和编码可靠性；编码阶段不需要节点之间进行额外通信，有效降低了节点通信能耗；采用簇间级联解码，进一步利用了参数分布的时空相关性，提高了压缩率；簇内边信息备选方案，提高了解码方案的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明一种分布式实时监控信源的数据压缩与可靠传输方法***流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于下面所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法，其特征在于：

S3、将所有传感器节点划分为若干个编码簇，每个编码簇由一个簇头和若干个成员节点构成，每个所述传感器节点采集数据并将所采集的数据进行独立的抗干扰压缩编码，编码时，如图1所示，X_n表示第n簇的簇头节点的采集数据，C()表示编码函数，C(X_n)为经过编码后的编码数据，X_nn表示n簇中第n个成员节点的采集数据，编码后的编码数据为C(X_nn)；

S4、将步骤S3中压缩编码完成的数据通过无线中继传输方式汇集到所述信息汇聚节点；

S5、所述步骤S4中所述信息汇聚节点通过有线传输方式将信息汇聚节点所采集数据以及所有传感器节点压缩编码数据通过网关上传至上位机计算机。

S6、解码时，如图1所示，以能够获得的最可靠采集数据（如有线传感器、信息汇聚节点采集的信息）作为边信息X₀，进行簇间级联解码，逐级恢复出每个簇头的采集数据X_n；如图1所示，各簇以簇头解码后数据作为边信息，分别对各簇成员节点信息进行联合解码；

为了充分利用参数分布的时空相关性，且保证数据压缩的可靠性，本发明将传感网络虚拟分成若干个编码簇，每个簇内各节点的采集数据最大程度上保留了时空相关性。S3步骤中划分编码簇包括以下步骤：

步骤1：将传感器网络监控范围根据所采集参数分布的空间相关性，划分成多个相邻的小区域，每个小区域中的所有传感器节点组成一个编码簇，位于每个簇中央的节点被定义为该簇的簇头；该分簇方法是编解码概念上的逻辑分簇，与通信分簇无关，每个节点传输路径自由选择，具体实施过程在上位机端完成：

1、根据实际环境中参数分布，首先划分为若干个相关性最强的小区域，一个小区域内每两个传感器节点都可直接进行通信无需中继，即一跳可达，这样的一个小区域称为一个簇；

2、对每个簇都进行以下分析：

a、计算簇内每个节点与所有其他簇内节点的欧氏距离之和S；

b、选取该簇内S值最小节点作为该簇簇头；

步骤2：本发明模型使这些簇头在编解码逻辑上构成级联关系，各簇头节点在编码时可实现和成员节点一样的数据压缩率。

S4步骤中，每个编码簇各节点的采集数据有较强的空间相关性，每个节点相邻两个时刻的采集数据有较强的时间相关性，各节点联合利用采集数据的时空相关性独立进行抗干扰编码，编码的方法可以是LDPC或Turbo。

S6步骤中，如图1所示，设某簇头K_a的编码C(X_a)传输出错无法恢复或丢失，则以上一级簇头的采集数据作为边信息，恢复出距离K_a最近的一个成员节点的采集数据X_ab，再以X_ab作为边信息，对该簇其他成员节点进行解码，该簇头信息X_a可用上一次恢复出的数据代替。

S6步骤中，若某簇内某成员节点编码传输出错无法恢复或丢失，可使用该点上一次恢复出的数据代替。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种分布式实时监控信源的压缩编码与可靠传输方法，其特征在于S3步骤中划分编码簇包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法，其特征在于S4步骤中，在编码阶段，各节点利用参数分布的时空相关性对各自的采集数据独立进行抗干扰编码，编码的方法为LDPC或Turbo抗干扰编码。

4.根据权利要求1所述的一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法，其特征在于S5步骤中，若某簇头信息传输出错无法恢复或丢失，则恢复出距离该簇头节点最近的一个成员节点的数据作为边信息，再对该簇其他成员节点进行解码，该簇头数据可用上一次恢复出的数据代替。

5.根据权利要求1所述的一种分布式实时监控信源的数据压缩编码与可靠传输方法，其特征在于S6步骤中，若簇内某成员节点编码传输出错无法恢复或丢失，该点数据可用上一次恢复出的数据代替。