基于信息熵的无线传感器数据融合网络通信方法及系统

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成果名称: 基于信息熵的无线传感器数据融合网络通信方法及系统 关键字: 应用行业: 信息传输软件和信息技术
高新技术领域: 电子信息技术 所在地: 河北省 知识产权类型: 发明专利
知识产权编号: ZL202110126928.4 成果体现形式: 发明专利 成果属性:
成果所处阶段: 成果水平: 国内一般 研究形式:
学科分类: 战略新兴产业: 请选择... 课题来源:
第一完成单位名称: 河北科技大学 第一完成单位属性: 技术成熟度:
合作方式: 专利许可 交易价格(万): 3.00 所属十强产业:

本发明公开了一种基于信息熵的无线传感器数据融合网络通信方法及系统,方法包括:确定融合树的根节点,并按照节点的深度和坐标信息构建融合树;确定并计算融合树中所有节点集合、节点对应的所有边集合以及所有边的权值;以融合树的根节点作为最小生成树的根节点,以边集合中权值最小的边对应的节点逐级构建完成最小生成树;利用信息熵与预设的极小值常量之间的关系逐级判断最小生成树的节点是否需要向上层父节点传递数据,实现数据传递;最小生成树的每层节点对下层节点传递来的数据进行数据融合,根节点将融合数据通过基站传输至预设用户终端。通过本发明的技术方案,减小了节点之间的数据冗余,降低了网内的数据传输能量消耗。

本发明涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种基于信息熵的无线传感器数据融合网络通信方法和一种基于信息熵的无线传感器数据融合网络通信系统。

通过普里姆算法改进无线传感器数据融合网络结构以形成最小生成树,从而降低网内的传输能量消耗,并且在数据传输阶段利用信息熵策略减小节点之间的数据冗余,进一步降低了网内的数据传输能量消耗。


路由协议从网络拓扑组织的角度可以分为两类:平面型路由协议和层次型路由协议。这两种协议各有特点,平面型路由协议优点是容易扩展、协议实现简单;缺点是对通信资源的管理有待优化,应对网络中动态变化的速度反应比较慢。层次型路由协议集中管理网络资源,相比之下有很强的扩展性和灵活性,此外由于节点长时间的休眠可以使簇内网络的通信能量大大降低,使得整个网络的生命周期得以延长。以上优点使越来越多的研究者关注基于层次型的无线传感器网络路由协议。
 数据融合的研究重点是网络中的能量消耗,如何使路由协议的设计符合节能高效是层次型路由协议的重点。层次型路由协议分为簇状路由和树状路由。经典的簇状路由协议和树状路由协议分别是LEACH协议和TREEPSI协议。簇状网络路由协议的研究起源是LEACH协议,该协议把网络的生命以“轮”来计算,节点当选簇头的概率在每轮当中是相同的,簇头的个数在协议中是被预先指定好的;TREEPSI协议提出了构建数据融合树两种经典的方法,过程是首先构建出一棵树,然后在自下而上的数据传输过程中进行数据融合。为了弥补TREEPSI协议中未考虑剩余能量的缺点,作为簇状路由协议的HEED协议被提了出来,在该协议中节点中剩余能量和簇中通信代价被综合考虑了进去;后续的协议研究把能量感知策略引进来,研究了节点剩余能量,延长了网络中出现第一个死亡节点的时间。这些方法的特点是从簇头到基站通过最短路径连接或者通过多路径连接,来保证网内数据通信的高效性。但这些研究协议考虑能量消耗的出发点都是簇内或者某个节点,没有全面的考虑在数据融合过程中的数据本身与能量消耗的关系。
随着研究地深入,一些研究者发现层次型路由协议中存在网内的通信代价大和能耗不均衡性问题,相应的提出了很多解决方案。早期的簇状路由协议基于节点最大连通性的成簇算法,改进了簇头分布的均衡性,运用新的计算通信能耗代价的方法来延长网络的生命周期。而研究者们在构建数据融合树的过程中也考虑了剩余节点能量,把能量消耗作为数据融合过程中的重要参考因素,按照剩余能量原则即节点的剩余能量高的越容易担当簇头,来动态调整网络的拓扑结构。无线传感器网络是以数据为中心的网络,设计树状路由协议的时候应该考虑综合性能,运用概率模型和博弈论的方法力图达到通信负载、时间复杂性和能量消耗之间的平衡。但以上研究协议都是基于网内节点数据传输的通信代价,未考虑是否需要全部传输节点之间数据,以及运用什么方法发现这些节点之间的数据冗余。
因此,在综合考虑能量消耗、能量均衡、网络生命周期以及数据冗余问题的基础上,需要一种方法来减少网内的通信代价,并且在传输数据过程中判断节点之间是否存在着数据冗余,使数据传输过程的能量消耗得以降低,达到延长网络生命周期的目的。


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