[发明专利]基于压缩感知的无线传输数据丢失恢复方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线数据传输网络领域，具体而言，是一种基于压缩感知的无线传输数据丢失恢复方法。

背景技术

近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism-System，简称MEMS)、无线通信、信息网络与数字集成电路等技术的迅速发展，低成本、低功耗以及多功能的传感器在各个领域得到广泛应用。这些微型的传感器节点集成了数据感知、处理与传输等功能，通过节点间的相互协作，组成一个自组织网络，即无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)。无线传感网络被称为是21世纪最重要的技术之一，WSN最主要的任务就是监测物理环境，并将节点感知的信息高效、准确地转发到基站。这种数据交互模式将真实的物理世界和逻辑的信息世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式。无线传感器网络广泛地应用于网络通讯，资源勘探，环境监测，军事防御，灾难恢复，医疗护理等等。

在无线传感网络中，最重要的就是数据的无线传输技术，相比与有线的数据传输方法，无线网络去掉了施工时间长、投资大且繁琐的连接导线，从而省去了导线的安装和校准工作；去掉了原有用于连接导线和传感器的仪器设备，减少了经费投入，无线传输网络有标准作基础，功能强，轻易安装，组网灵活，即插即用的网络连接，可移动性等优点，提供了不受限制的应用。无线数据传输已逐渐成为一种重要的数据传输方式。总之，无线数据传输不仅可以作为有线数据传输的补充及延伸，而且还可以与有线网络环境互为备份。在某种非凡环境下，无线数据传输是主要的甚至唯一的可行的传输方式。

在有线网络中丢包率非常低，而对于无线传输网络，数据丢包是较普遍的事，美国麻省理工的校园无线网络丢包率在2%左右，而在一辆快速行驶的火车上，丢包率会上升至5%左右。当丢包率升高以后，随之而来的延迟和重传会令网络传输性能大幅下降。这就是无线网络在隔了一堵墙或者在一列高速行驶的列车上会变得缓慢的原因之一。

在土木工程领域的长期的结构健康监测中，无线传感器与无线传感网络是结构健康监测未来的发展趋势，因其不仅可以提供与传统有线传感器类似的功能，而且可以用无线传感器嵌入的处理器与程序进行数据自动处理。相比有线的传感器，无线传感器可以大量节省布线成本的与传感器安装费用。传统有线的数据采集方式不存在数据丢失问题，然而无线传感器在数据无线传输过程中会丢失数据。无线传感器数据丢失会影响数据分析的结果，通过数值模拟和实验研究了数据丢失的影响，结果表明0.5% 的数据丢失相当于在功率谱估计时的5%的噪声干扰。此外，数据丢失会直对模态分析引入额外的误差，因此也会影响结构的健康诊断。

无线传输数据丢包其主要原因可以归结为无线电的干扰，如其它电子设备以与无线传感器相同频率工作，天气的原因如下雨、闪电等，无线传感器安装位置不合适、无线天线方向不合适，无线数据长距离传输，以及还有硬件等问题。因此各个领域的在实际工程应用中，需要迫切解决数据无线传输的丢包问题。

发明内容

本发明主要针对无线数据传输数据丢失的问题，结合应用数学领域的最新理论，提出了一种基于压缩感知的无线传输数据丢失恢复方法。该方法将采集到的无线传感器节点的数据在无线传输之前采用随机矩阵进行编码，然后再经无线传感器节点发射信号进行无线传输，在基站当数据采集仪接收到数据包之后，采用算法进行数据重构，恢复原始数据，即使在传输的过程中有数据丢包，则仍然可以完全恢复丢失的数据包。这样可以避免因数据丢包需重复发送而造成的传输网络拥堵，极大的增加了无线数据传输的鲁棒性与传输速度。

本发明采用如下技术：

假设通过线性映射方式从信号                                                中得到长度为数据向量:

                                                                                 (1)

式中是原始n×1维数据向量；是维的矩阵，称为采样矩阵。

考虑向量在无线传输过程中有数据丢失，基站接收到的数据为数据长度为，其中是丢失的数据数量。因此公式（1）变成

                                                                                  (2)