一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法。旨在降低采樣信息在傳輸時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬及吞吐量需求,提高分布式信源在受限空間中信息傳輸有效性和可靠性,延長(zhǎng)資源受限傳感器節(jié)點(diǎn)壽命。編碼時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)需與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,直接根據(jù)參數(shù)分布的相關(guān)性對(duì)本地采集數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾壓縮編碼;解碼時(shí),以能夠獲得的最可靠采集數(shù)據(jù)(如有線傳感器、信息匯聚節(jié)點(diǎn)采集的信息)作為邊信息,采用簇間級(jí)聯(lián)解碼方法,逐級(jí)將每個(gè)簇恢復(fù)出一個(gè)邊信息,再使用簇內(nèi)聯(lián)合解碼方法,將全部節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)恢復(fù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái),隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度、深度的增加,國(guó)家對(duì)于煤炭行業(yè)安全開(kāi)采問(wèn)題也高度重視。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展,為解決煤礦安全問(wèn)題提拱了一種新的思路和解決途徑,通過(guò)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)信息的全面、準(zhǔn)確、可靠感知,可促進(jìn)對(duì)煤礦災(zāi)害發(fā)生演化規(guī)律、致災(zāi)機(jī)理、預(yù)警預(yù)防理論及技術(shù)的研究,可望在解決煤礦安全問(wèn)題上取得突破。煤礦物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,呈現(xiàn)給我們的是以往沒(méi)有遇到的復(fù)雜的分布式信源,其在煤礦的應(yīng)用推廣會(huì)遇到一系列問(wèn)題:一、大量傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)匯入物聯(lián)網(wǎng)綜合接入網(wǎng)關(guān)時(shí),可能產(chǎn)生大大超出網(wǎng)關(guān)吞吐能力的數(shù)據(jù)量爆炸問(wèn)題,造成網(wǎng)絡(luò)崩潰,給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患;二、大量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的使用,會(huì)出現(xiàn)無(wú)線信道嚴(yán)重干擾的情況,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸可靠性下降;三、無(wú)線傳感器在計(jì)算、通信以及能量等方面資源受限,若傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)、大量的通信傳輸,節(jié)點(diǎn)能量將會(huì)很快耗盡,影響整個(gè)系統(tǒng)效能的發(fā)揮。
[0003]分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源,往往涉及安全生產(chǎn)設(shè)備控制和調(diào)度,要求對(duì)環(huán)境中參數(shù)變化實(shí)時(shí)且可靠掌握,例如瓦斯、風(fēng)速、負(fù)壓等信源,傳感器節(jié)點(diǎn)要求做到實(shí)時(shí)采樣并可靠傳輸。因此,此類(lèi)信源在傳感網(wǎng)中的編碼必須具有實(shí)時(shí)、簡(jiǎn)單、低碼率、抗干擾、非對(duì)稱(chēng)等特點(diǎn)。
[0004]分布式信源編碼最初是由Slepian和Wolf于1973年提出,他們證明了兩個(gè)互不通信的相關(guān)信源,可以以小于獨(dú)立熵的,但大于條件熵的編碼速率獨(dú)立編碼,只要兩者的編碼速率之和大于其聯(lián)合熵,就可以無(wú)失真?zhèn)鬏敚碚撋献C明了相關(guān)信源獨(dú)立無(wú)損壓縮編碼的可行性。Wyner和Zi V基于Slepian-Wolf定理進(jìn)行了拓展研究,將信源編碼與信道編碼相結(jié)合,提出了解碼端利用邊信息的有損分布式編碼理論。Chou和Petovic等人基于Slepian-Wolf以及Wyner和Ziv等的研究,提出了基于伴隨式的分布式信源編碼D ISCUS(Distributed Source Coding Using Syndromes)。作為第一個(gè)非對(duì)稱(chēng)分布式信源編碼實(shí)現(xiàn)方案,Chou和Petovic等人的研究為近年來(lái)分布式信源編碼由理論到具體實(shí)現(xiàn)的多種嘗試奠定了基礎(chǔ)。分布式信源編碼具有傳感器端獨(dú)立編碼且編碼計(jì)算復(fù)雜度低、接收端聯(lián)合解碼的特點(diǎn),能夠更好的提高分布式信源編碼有效性和可靠性。分布式信源如果直接使用聯(lián)合分布式編碼,由于相距較遠(yuǎn)信號(hào)之間的相關(guān)性不強(qiáng),對(duì)于編碼可靠性以及計(jì)算復(fù)雜度都是很大的挑戰(zhàn);而采用分簇編碼的方法,可最大程度利用參數(shù)分布的時(shí)空相關(guān)性,保障采集信息的可靠性前提下,提高信息壓縮率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明目的:解決分布式信源實(shí)時(shí)壓縮傳輸數(shù)據(jù)壓縮率以及可靠性的問(wèn)題;提供一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于:
S1、將一個(gè)信息匯聚節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成傳感網(wǎng)絡(luò),其中,所述信息匯聚節(jié)點(diǎn)和所述傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的功能;
52、信息匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣,通過(guò)有線的方式與網(wǎng)關(guān)相連接,將所有傳感器節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī);
53、將所有傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)編碼簇,每個(gè)編碼簇由一個(gè)簇頭和若干個(gè)成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,每個(gè)所述傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的抗干擾壓縮編碼;
54、將步驟S3中壓縮編碼完成的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線中繼傳輸方式或有線方式匯集到所述信息匯聚節(jié)點(diǎn);
55、所述步驟S4中所述信息匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線傳輸方式將信息匯聚節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)以及所有傳感器節(jié)點(diǎn)壓縮編碼數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)計(jì)算機(jī);
56、上位計(jì)算機(jī)解碼時(shí),以信息匯聚節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)作為邊信息,進(jìn)行簇頭傳感信息級(jí)聯(lián)解碼,獲得各編碼簇邊信息;各簇再使用各自的邊信息,對(duì)本簇成員節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行聯(lián)合解碼。
[0006]進(jìn)一步的,S3步驟中劃分編碼簇包括以下步驟:
S31:將傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控范圍根據(jù)所采集參數(shù)分布的空間相關(guān)性,劃分成多個(gè)相鄰的小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)編碼簇,位于每個(gè)簇中央的節(jié)點(diǎn)被定義為該簇的簇頭;該分簇方法是編解碼概念上的邏輯分簇,與通信分簇?zé)o關(guān);
S32:將這些簇頭根據(jù)鄰接關(guān)系構(gòu)成一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),形成解碼邏輯上的級(jí)聯(lián)關(guān)系。
[0007]進(jìn)一步的,S4步驟中,在編碼階段,各節(jié)點(diǎn)利用參數(shù)分布的時(shí)空相關(guān)性對(duì)各自的采集數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行抗干擾編碼,編碼的方法為L(zhǎng)DPC或Turbo抗干擾編碼。
[0008]進(jìn)一步的,S5步驟中,若某簇頭信息傳輸出錯(cuò)無(wú)法恢復(fù)或丟失,則恢復(fù)出距離該簇頭節(jié)點(diǎn)最近的一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為邊信息,再對(duì)該簇其他成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解碼,該簇頭數(shù)據(jù)可用上一次恢復(fù)出的數(shù)據(jù)代替。
[0009]進(jìn)一步的,S6步驟中,若簇內(nèi)某成員節(jié)點(diǎn)編碼傳輸出錯(cuò)無(wú)法恢復(fù)或丟失,該點(diǎn)數(shù)據(jù)可用上一次恢復(fù)出的數(shù)據(jù)代替。
[0010]本發(fā)明的有益效果是對(duì)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬分簇,提高壓縮率和編碼可靠性;編碼階段不需要節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行額外通信,有效降低了節(jié)點(diǎn)通信能耗;采用簇間級(jí)聯(lián)解碼,進(jìn)一步利用了參數(shù)分布的時(shí)空相關(guān)性,提高了壓縮率;簇內(nèi)邊信息備選方案,提高了解碼方案的魯棒性。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ]圖1為本發(fā)明一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮與可靠傳輸方法系統(tǒng)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了便于理解本發(fā)明,下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。但是,本發(fā)明可以通過(guò)許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn),并不限于下面所描述的實(shí)施方式。相反地,提供這些實(shí)施方式的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容理解的更加透徹全面。
[0013]除非另有定義,本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的,不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[0014]如圖1所示,一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于:
51、將一個(gè)信息匯聚節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成傳感網(wǎng)絡(luò),其中,所述信息匯聚節(jié)點(diǎn)和所述傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的功能;
52、信息匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣,通過(guò)有線的方式與網(wǎng)關(guān)相連接,將所有傳感器節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī);
53、將所有傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)編碼簇,每個(gè)編碼簇由一個(gè)簇頭和若干個(gè)成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,每個(gè)所述傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的抗干擾壓縮編碼,編碼時(shí),如圖1所示,Xn表示第η簇的簇頭節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù),CO表示編碼函數(shù),C(Xn)為經(jīng)過(guò)編碼后的編碼數(shù)據(jù),X?表示η簇中第η個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù),編碼后的編碼數(shù)據(jù)為C(Xnn);
54、將步驟S3中壓縮編碼完成的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線中繼傳輸方式匯集到所述信息匯聚節(jié)占.V ,
55、所述步驟S4中所述信息匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線傳輸方式將信息匯聚節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)以及所有傳感器節(jié)點(diǎn)壓縮編碼數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)計(jì)算機(jī)。
[0015]S6、解碼時(shí),如圖1所示,以能夠獲得的最可靠采集數(shù)據(jù)(如有線傳感器、信息匯聚節(jié)點(diǎn)采集的信息)作為邊信息Xe,進(jìn)行簇間級(jí)聯(lián)解碼,逐級(jí)恢復(fù)出每個(gè)簇頭的采集數(shù)據(jù)Xn^圖1所示,各簇以簇頭解碼后數(shù)據(jù)作為邊信息,分別對(duì)各簇成員節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行聯(lián)合解碼;
為了充分利用參數(shù)分布的時(shí)空相關(guān)性,且保證數(shù)據(jù)壓縮的可靠性,本發(fā)明將傳感網(wǎng)絡(luò)虛擬分成若干個(gè)編碼簇,每個(gè)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)最大程度上保留了時(shí)空相關(guān)性。S3步驟中劃分編碼簇包括以下步驟:
步驟1:將傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控范圍根據(jù)所采集參數(shù)分布的空間相關(guān)性,劃分成多個(gè)相鄰的小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)編碼簇,位于每個(gè)簇中央的節(jié)點(diǎn)被定義為該簇的簇頭;該分簇方法是編解碼概念上的邏輯分簇,與通信分簇?zé)o關(guān),每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸路徑自由選擇,具體實(shí)施過(guò)程在上位機(jī)端完成:
1、根據(jù)實(shí)際環(huán)境中參數(shù)分布,首先劃分為若干個(gè)相關(guān)性最強(qiáng)的小區(qū)域,一個(gè)小區(qū)域內(nèi)每?jī)蓚€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可直接進(jìn)行通信無(wú)需中繼,即一跳可達(dá),這樣的一個(gè)小區(qū)域稱(chēng)為一個(gè)簇;
2、對(duì)每個(gè)簇都進(jìn)行以下分析:
a、計(jì)算簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)與所有其他簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的歐氏距離之和S;
b、選取該簇內(nèi)S值最小節(jié)點(diǎn)作為該簇簇頭;
步驟2:本發(fā)明模型使這些簇頭在編解碼邏輯上構(gòu)成級(jí)聯(lián)關(guān)系,各簇頭節(jié)點(diǎn)在編碼時(shí)可實(shí)現(xiàn)和成員節(jié)點(diǎn)一樣的數(shù)據(jù)壓縮率。
[0016]S4步驟中,每個(gè)編碼簇各節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的空間相關(guān)性,每個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰兩個(gè)時(shí)刻的采集數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性,各節(jié)點(diǎn)聯(lián)合利用采集數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性獨(dú)立進(jìn)行抗干擾編碼,編碼的方法可以是LDPC或Turbo。
[0017]S6步驟中,如圖1所示,設(shè)某簇頭Ka的編碼C(Xa)傳輸出錯(cuò)無(wú)法恢復(fù)或丟失,則以上一級(jí)簇頭的采集數(shù)據(jù)作為邊信息,恢復(fù)出距離Ka最近的一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)Xab,再以Xab作為邊信息,對(duì)該簇其他成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解碼,該簇頭信息Xa可用上一次恢復(fù)出的數(shù)據(jù)代替。
[0018]S6步驟中,若某簇內(nèi)某成員節(jié)點(diǎn)編碼傳輸出錯(cuò)無(wú)法恢復(fù)或丟失,可使用該點(diǎn)上一次恢復(fù)出的數(shù)據(jù)代替。
[0019]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式,其描述較為具體和詳細(xì),但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn),這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此,本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于: 51、將一個(gè)信息匯聚節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成傳感網(wǎng)絡(luò),其中,所述信息匯聚節(jié)點(diǎn)和所述傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的功能; 52、信息匯聚節(jié)點(diǎn)位于傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣,通過(guò)有線的方式與網(wǎng)關(guān)相連接,將所有傳感器節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī); 53、將所有傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)編碼簇,每個(gè)編碼簇由一個(gè)簇頭和若干個(gè)成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,每個(gè)所述傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的抗干擾壓縮編碼; 54、將步驟S3中壓縮編碼完成的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線中繼傳輸方式或有線方式匯集到所述信息匯聚節(jié)點(diǎn); 55、所述步驟S4中所述信息匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線傳輸方式將信息匯聚節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)以及所有傳感器節(jié)點(diǎn)壓縮編碼數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)計(jì)算機(jī); 56、上位計(jì)算機(jī)解碼時(shí),以信息匯聚節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)作為邊信息,進(jìn)行簇頭傳感信息級(jí)聯(lián)解碼,獲得各編碼簇邊信息;各簇再使用各自的邊信息,對(duì)本簇成員節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行聯(lián)合解碼。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于S3步驟中劃分編碼簇包括以下步驟: S31:將傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控范圍根據(jù)所采集參數(shù)分布的空間相關(guān)性,劃分成多個(gè)相鄰的小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)編碼簇,位于每個(gè)簇中央的節(jié)點(diǎn)被定義為該簇的簇頭;該分簇方法是編解碼概念上的邏輯分簇,與通信分簇?zé)o關(guān); S32:將這些簇頭根據(jù)鄰接關(guān)系構(gòu)成一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),形成解碼邏輯上的級(jí)聯(lián)關(guān)系。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于S4步驟中,在編碼階段,各節(jié)點(diǎn)利用參數(shù)分布的時(shí)空相關(guān)性對(duì)各自的采集數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行抗干擾編碼,編碼的方法為L(zhǎng)DPC或Turbo抗干擾編碼。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于S5步驟中,若某簇頭信息傳輸出錯(cuò)無(wú)法恢復(fù)或丟失,則恢復(fù)出距離該簇頭節(jié)點(diǎn)最近的一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為邊信息,再對(duì)該簇其他成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解碼,該簇頭數(shù)據(jù)可用上一次恢復(fù)出的數(shù)據(jù)代替。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控信源的數(shù)據(jù)壓縮編碼與可靠傳輸方法,其特征在于S6步驟中,若簇內(nèi)某成員節(jié)點(diǎn)編碼傳輸出錯(cuò)無(wú)法恢復(fù)或丟失,該點(diǎn)數(shù)據(jù)可用上一次恢復(fù)出的數(shù)據(jù)代替。
【文檔編號(hào)】H04L1/00GK105846960SQ201610253033
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】華鋼, 黃冬勃, 劉海強(qiáng), 徐永剛, 尹洪勝
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)