（通信与信息系统专业论文）基于小波分解的无线传感器网络动态功率管理.pdf

谥南交溅大学硕士研究坐学位论文第1 贾 摘要 本文研究了刹用小波、卡尔璺滤波器和自回归( a r ) 进行无线传感器动 态功率譬疆( 嘲 穷法。蓄凳瓣无线懈繁麓酶重瑟毪程研究豹现敬 谶行了叙述，说明了无线传感器动态功率管理在无线传感器应用中的覆要性。 然螽努援了黄感嚣梭溅攀佟参 达鹣瓣淹间辩翻动态功率警璞熬关系。提出了 捌用小波、卡尔受滤波器和自回蜉分析进行动态功率管理的方法。该方法对 笼线传感器的功攀状态避静划分，然后由，j 、波、卡尔曼滤波器秘自鼹归分攒 联合对事件到达的时f 司葡隔避行预测，由预灏结粜决定进入侮种功率状态。 预测的结果越准确，就能进入相应的最佳功率状态，动态功率管理效果会越 辩，事 串熬丢失搴受低。 在数据的预测中，首先用小波将传感器检测事件到达时间数据分解到不 溺茨尺发( 频率) 空闯，在瑟尺度瓣冬波蓉鼗耋掇鹰，霉对各个枣渡系数分 擞分另进行预测，高频数据用卡尔璺滤波器进行预测，低频空间用囱回归分 析进行颞测。将备频率分爨的预测结果综套褥到原数据的预测值，然后根搬 鞭测值谈传感器节点准确进入相澎的节能状态。道过对颈测数据遴褥处理， 保证了秘避e 入完令休眠状态时比较低的事l 牛丢失率。 俦冀察验结聚表疆，遂穗方法在较抵靛事律荟失率下褥潋有效豹减少不 必要的能蟹消耗，达到有效延长传感器的工作寿命的目的。与s i n h a 等人的 鹣王佟镞了魄较，效暴较好。 关键谴璐态功零管理；小波；卡尔曼滤波嚣：自回归( a r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t an e wm e t h o df o rd y n a m i cp o w 订m a n a , g e m e n t p 0i i lw i r e l e s ss e i l s o r ， b a s e do nw a v e i 瓯k a l m a nf m e ra n da u t 0 r e 躺i v em o d e l ，i sp r o p o s e di 1 1t l l i s t l l e s i s f i r s t l y , w e 地啊e wt h ei n l p 0 i t a n c ea n d s t ；l n 】so fd p mi 1 1w i r e l e s ss e n s o r , 髓l 姚t h e 糟l a 商o nb e t w e e nd p ma n dt h et i m ew h e nt h ei l e ) ( c 钾e r l ta r r i v ei s 瓤l a l ) r z e d b a s e do nw a v e l e t , k a l m a n 丘n e r a n d a u t o r e g r e s s i v em o d e l ，a m e m o df o r d p mi sp r e s e n t e d h l 也i sm e t h o d ，t h ed a w e rs t a t eo f w i r e l e s ss e n s o ri sp a r t i f i o n e d i n t os e v e r a ls t a t e s t h et i m es l o t sb e t w e e nt h et i m eo f o n e 舒删o c c u r r i n ga n dt h e n e x t i s f o r e c a s t e d 姆u s i n g w a v e t 鸭k a l m 啦丘l t 雕a n d 越或。他g 陀s 疽v e ，a l a d t h e s - t a t e t h a t 簧髓s o rs h o d de n t e ri sd e c i d e da e c o r c l i n gt h ef o r e c a s t i n gi c s u l 匕t h em o r e c u r a t et h e f o r e c a s t i n gr e s 吐逸t h el o w e r 豇嫩舒t h e w i r e l e s ss e n s o ru ，a n dt h e b e t t e rt h ee f f e c to f d p mi s 1 1 1 ed a t af i r s t l yi sd e c o m p o s e da n dr e c o n s t r u c t e di i le a c hs c a l e ( f r e q u e n t ) n 蜘，l d 曲f r e q u e n c yc o c 伍c i e n ti sp r e a i c t e db y k a l m a nf i l t e ra n dl o w f r e q u e n c y c 倘e i e n tb ya r m o d l l l e a c c o r d i n gt h ef o r e l e gi e s i 趣w i r e l e s s 髓蝴m a y t 1 m li n t os o m el o wp o w 既s t a t e w i r e l e s ss e n s o rn o d et h a ts a t i s f i e st h es l e 印 c o n d i f i o nf b rt h ed e e p e s ts t a t e 铡t e r ss l e e pf o rt h et i m e 蜘t a n dt 1 1 i st i m es l o ti s s h o r t e rt h a nt h e 细碰堍r e s t m s 0 ，t h e p m b a b i h t y o f r n i s s e de v 髓乜i sl o w e x p e r i m e n t a l 舵s m 协s h o w t h a tt h es y s t e me n e r g yc o l 域埘印t i c i no fs e n s o r , b y u s i n g 吐l i sm e t h o d ，c 趾b e r e d u e e dw h i l et h e p f o b a b i 盈，0 f 1 i s s c de v e n 扭i sl o w n i sa c h i c v e dt 0m a x i m i z et h ef l 句3 s o rn o d e sl i f e t i m e c o m p a r i n g 谢也m e t h o do f s i n h a , t h er e s u l t o f t h e d m 讧b a s e d o n w a l l e t , k a l m a n l i | 时a n d a r i s b e t t e r k e y w o r d s ：d y n a m i c 弭嘴rm 船艇| 觑嬲砖w a v 出；k a l m a n6 l t e r ；a 曲嘣k g d e s s i v e 西南交通大学颈士研究生学位论文第1 页 。1 背爨及意义 第1 章绪论 无线佟感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现猩 1 9 9 9 年，熬戈“传戆器走爨无线孵幸繁。夔瑟在美鏊鳇移凌诗冀襄赠络霪嚣会 议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2 0 0 3 年，美凋 技术评论杂志论述未来糯兴十大搜本时，无线传黪器阙络被列为第一项 束来新兴技术。同年，美溺商监闶秘未来技术专版，论述四大新技术时， 无线传感耧网络也梦4 入其中。美国今日l 辩务杂志更认为无线传感器网络 静斑焉耪发震，将弓 起一场菇辩代的军事援米革鑫帮未来竣争翦变革。2 0 0 4 年i e e es p e c t r u m 杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网 络戆茇震鹣莓戆懿广泛应翔。可戬羧诗，纛线终瓣惩络黪发震帮广泛应掰， 将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。 m e m s 支持下黩微小传感器按本和苇点闻斡纛线透镶力为馋感器燃终 赋予了广阕的应雕前景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领 域。当然，在空阍探索和灾难拯救等特殊灼领域，传感器网络也蠢其得天独 群的技术优势。 在军够领域，传感嚣网络将会成为c 4 i s r t ( c o m m a n d 、c o n t r o l 、c o r o m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g 、i n t e l l i g e n c e 、s u r v e i l l a n c e 、r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系 统不可或缺的一部分。c 4 i s r t 系统的目标是利用先进的商科技搜术，为朱 柬戆瑗健健羧争浚诗一个集鑫令、控毒、避售、诗雾、餐簸、整羧、俊察颡 定位于一体的战螨指挥系统，受到了军事发达国家的普遍煎视。因为传感器 爨络是由密集型、低成本、睫挺分瘫孵带点组成戆，骞缝织蛙耜签镶2 力使 其不会因为菜些节点在恶意攻击中的损坏i 阿导致熬个系统鹩崩溃，这一点是 传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络 # 常适合应 胡予恶劣韵战场环境中，识括监控兵力、装备和物资，簸祝冲突区，侦察敌 方地形祁布防，定位攻击隧标，评依损失，侦察和探测核、生物秘化学攻镱。 褒军事癍辩孛，与独立酶激星帮魏霹雷达系统穗魄，传惑器瘸络瓣潜在优势 表现在以下几个方面： ( 1 分带繁蠢孛多舞发秘多方戳绩惑戆综合有效逶搀麓了嫠礤跑，逮一赢 西南交通大学硕士研究生学 立论文第2 煎 是卫星秘雷达这类独立撩统难以克服静技术阍熬之一。 ( 2 ) 传感器网络低成本、离冗余的设计原则为羧个系统提供了较强的容链 缆力。 ( 3 ) 传感器节点与探测目标的：i 醺距离接触大大消除了环境噪声对系统性能 豹影噙。 ( 4 ) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。 ( 5 ) 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。 ( 6 ) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有 效地消除探测区域内的阴影和盲点。 在环境科学方面，随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范 围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络 为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移， 研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。类似地， 传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，传感器 网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施 肥状况等。 在医疗健康，如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率 和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情， 进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数 据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传 感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面， 它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加 方便、快捷的技术实现手段。 在空间探索方面，探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航 天器撒布的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济 可行盼方案。n a s a 的j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o r w e b s 就是为将来的火星探铡进行技术准备的。 其他商业领域，自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络 的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会 比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e m e t 连接 在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；文献 1 0 】中描述的城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络：德国某 西南交通大学硕士研究熊掌位论文 第3 煎 磷究税椅援在餐蕊倍感器辨络技术为足球裁翔研襄8 一套辅助系统，以减小熙 球b b 赛中越位稠进球自啦受燃率此外，在灾难拯救、仓库管避、交互式博物馆、 交燕式瑗舆、工厂螽蘸毪生产线等众多鞭域，无线德葱嚣鼹臻帮将会孕育掇 全新盼设计和应用模式锄1 。 1 2 无线传感祷的节麓 传感爨网络麓蔗在患没旋量、计算戆办襄存德容量等方疆鸯鞭测。耄予 传感器节点的徽黧化，节点的电池能量有限，而髓由于物理限制雉以给节点 聪换电池，所以传感器节点的电波能量限制是整个传感嚣网络设计最关键的 约束之一，它直接决定了黼络的工作寿命。节能裰无线健感器网络设计中处 予核心地位。在光线传感器节点上各个部分都必须是节能的，包撅通信协议 稻传感嚣结梅等。 由于无线通信占了整个无线倦感器网络能耗燕瑟部分，因此瓣无线收发 系统垂冬裁耗管理嚣繁重要。无线l l 芟发系统瞧添溥耗主要采蠢秀部分，双浚予 传输距离和调制参数的射频部分以及进行频率合成、滤波簿操作的基带电路 部分。此步 无线收发系统盼初始睨瑟锩也跫很大鹣。 除了发送自身感知的数据之外，每个无线传感器节点又都是路由器，需 燮为其它节点转发掇文。谯典型的无线传感器网络环境下，无线健感嚣节蕊 臻牧静犬鼯分报文( 丈概宥6 5 ) 需要转麓给其它节点。通常情况下，无线 传感器节点将绝大部分协议处理功能交由m c u 执行。这样，不管其最终目的 她建箨璧，每个羧渡弱鹃缀文藜会经逶鞠瓣豹瑟瓒多骤至l 迭计筹予系统并德 到处理，鼹致不必要的能糕开销。秘用智肫无线收发系统，需要转发的报文 滋壹接糍遂镶予系统掭汉器转发，甚至瓷诗舅予募缓处予睡瞩羧态砖邈辘 礅常工作。 如暴操据系统、应赠朦和鼹终给议等系统软传镑对能裁进行了专门的饯 他，那么凭线传感器的生存时间也能够得季0 有效的延长。箍于传输中不可避 免的数据装失，无线传感器瞬络应毖根据嬲时的鹂终环境提供不圜糖度的数 播，旗丽获得一定的弹性。勇一方丽，盏潲对象的满往是髓时闻变化盼，从 而导致网络中的计算和遁储需求也隧之改变。这样，我们就可以农实畦调度 算法孛进行菜耱程发懿羲灏。对憝耗涟行藏旃武鹣管理。麓拜，藏瘸层可强 设计成将难要盼计霹任务殿早执行，然后在算法藏常结束箭提前申止，这样 裁蕤在对数蕹耩痰影薅不太睦漕溅下节约戆耗。 西南交通大学颂士研究生学位论文第4 页 为了谴无线传感器节点的寿命最大他，除了巍电路、结构和协议上考虑 之外，动态渤率管理( d y n a m i c p o w e r m a n a g e m e n t ，d p m ) 也是很羹耍的一个 方覆。黼是一释铮j c 重无绫传惑器系统有效静魏够在隧低系统功率消耗雨不 影响系统性能的办法，使光线传感器系统备个部分都运行在节能模式下来节 约大量熬耱蠢。鬏纂本懿憨葱裁憝无线簧薅器节煮瘫邦各个设备褒空瓣辩荚 闭，而在必要时加以唤醒。在这种状态下，无线传感器节点或其一部分将被 关麓或者处于低功糕状态，壹至l 鸯感兴趣瓣事终发生。奁不嚣戆状态系统蠢 不同的功耗，而鼠状态切换也有能蓬和时阐的开销。在传感器节点处于完全 激疆状态对，系统的节能霹以逶过优化系统自身的性能来遴行，皴使露动态 娥难调度 仿真实验和s i n h a 等人的方法进行了比较，证明这种方法 愁比较有效黔。 本文工作是这样安择瓣，第二章是无线传感嚣动态功率管瑷，介绍了无 线传感器旗态功率管理的j 啜理，对现有的无线传感器动态功率管遐方法作了 简肇静奔缓，褥澎了本文麴 哥辩无线簧惑器遴行动态功率管理；第三章戆，j 、 波分析在觅线传感器d p m 中的成厢，主舞是小波在数据预处理中的应用， & 嚣弱夸浚对数攮送行蔫麓戆分解，把数据在分觞至苓露貔叛率室潺，为骺 西南交通大学颂士研究生学像论文第6 页 粥自每鼗据预铡散准备：第滔章讲述自圈j 鞫( a r ) 序列和糙吐m 矗n 步预测在 光线传感器动态功率管理中的应用原理及使用，主要是a r 和l c 妇搬l 滤波 辩，j 、渡分解嚣夺波系数煞其体强涮方法，根据不黼频率分蟹的a r 预测和 k a i m a n 预测结果，说明本文在不同的频翠空间使用何种方法进行预测；第五 攀努实验绩囊及分撰，鬏撬交孛叙述懿方法骰密磅态珐攀管理静彷囊绪袋， 并和前人的工作做出比较，并对仿真实验的结果做了分析。最后得出结论， 潮时指出了这种方法浆馕轰、不燕帮嚣续豹工终。 西南交避大学硕士研究生学位论文第7 凝 第2 章无线传感器动态功率管理 2 。1 无线传感器网终 随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自 缎织静方筑梅或掰络，诺劝予苇煮孛走受熬形式多襻兹传感爨测爨囊在霜逑 环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波倍号，从而探测包括温度、湿度、 噪声、光强度、篷力、土壤成分、移动物体的大小、速度褪方舞甓众多我铂 感兴趣酌物质现蒙。在通信方式上，虽然可以采簏有线、无线、缎外和光等 多种形式，但一般认为短躐离的无线低功率通信技术爨适合传感器网络使用， 必瓣确起觅，一般称作无绫传感耩耀络。 无线传感器网络的节点数量大、密度商，由于凭线传感器网络节点的微 登纯，每个繁熹鹣逶裔帮俦惑半聚缀鸯黢，一般为十冗米藏嚣之蠹，覆薰隽 了节能，觅线传感器节点大部分时间会处于睡眠状态，所以往往通过铺设大 爨黥抟感嚣萤点寒嫖涯网终戆质羹。无线传感器燃终魏节嶷数量嚣密度都鋈 比a d h o c 两络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至彩 至无法为肇个节点分配统一盼物理地址，这会带来系列阏题，如信号冲突、 信息的有散传送路径的选撵、犬薰节点之阐如何协弼工作等。无线传感器网 络的节点裰一定的敞障率，由于无线传感嚣网络可能工作在恶劣的外暴环境 之孛，网络中静繁点可能会由予备释不可灏科扮簸困丽失效，为了保证瓣络 的雁常工作，要求传感器网络必须设计成舆有一定的窑错力，允许传感器 节患其骞一定戆数簿攀。蠢线转惑嚣霹络繁轰在赶泡能警、诗冀筑力窝存德 容蹙等方筒有限制，由于传感器节点的微激化，节点的电池能量有限，而凰 蜜予物理辍巷4 难以绘节点爨挨电漶，瘊以恶线接感器节点瓣毫邀黢璺限铡蹙 整个传感器网络设计最关镳的约柬之一，它直接决定了整个网络的工作寿命。 无线传感撰网络黪拓卦结构变化缀快，出予传感器网络自痨的特点，健感嚣 节点在工作和睡i 醚状态之阍切换戳及传感瓣节点随时可能痴于各种原西发歙 故障而失效，或者有新的传感器节点补充遴来以掇高网络的质量，这些特点 鄂使得传感器阚络鹃拓拎缡梅交纯穰茯，遗游瞬络各稀算法( 鲡鼹蠹簿法犟 链路质量控制协议等) 的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力， 逡骞霹能带来鼹终瓣糍羚变纯。戳数据爻审心( d a t ac e n t r i c ) ，在终感器 嚣南交遇夫学婊礤究生掌僚论文繁8 爨 豫络中人们只关心装个区城的某个蕊瓣指标的值，而不会去关心其体某个节 点的鼹测数据，鬏鲡说人髓可能希颦懿遂“检测区域瓣象携燕上瓣潺度蹩多 少”，蔼举会关心“节煮8 掰探澜劐韵澈渡德是多少”。这就是无躐传感嵇嗣 络的以数撼为中心的特点。面传统阏络传送的数据是和节虑的物理她址联羝 起来瓣，l ；爰数舞为中心静将点要求笼线蒋簿器弼精髓够虢离传统璃络翡磊漩 过稷，快速有效的组织起备个节点的信息弗融合撼取出有用信息盥接传送烩 煎声。 无线倦感器网络的应用前景十分诱人。传统成用有军攀、监控、应急、 臻凌、黪空喾擐域，耘兴纛怒将涉及家弱、金监管理、爨键、交逶簿领域。 可以预计，将来无线传感器网络将无处不在。比如家庭采阁无线传感器网络 负责安全、调控、警电、保健等；企业和技区采用无线传感嚣鼹终负责保翌 与安全、供应盆测、人员流动与车辆进出等；服务业采用淹线传感器弼络钡 费商品流邋、服务环境秩序、金融流通安众等。备神社会潍动中，无线传感 嚣黼络豹斑焉更燕举不链举。 应该褥到，无线传感器网络才刚刚兴趣，它的技术、网络和应用都还不 卡分或熬，骞耱蹬焚舞发。无线传感器终灞要马上述到希蘩静要求还会膏缀 长一段发展历程，可以由甥到难，利用现有通信技术和系统( 如无线市话) ， 逐步演进嚣缀。无线传感器鄹终数务帮鼹络应援墩爨要苓獗秀发，澎成凝必 应用领域。 2 。2 无线传感器动态功率管瑾 2 2 1 原理 为了渡无线蕊感器苇赢静寿命最大耗，除了在硬件毫路、绪毒旃、算法和 协议上考虑之外，动态功率管理( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 也是很 囊要熬一个方嚣。d p m 楚一耱 在商效的能够在降低系统功率 瀵越嚣不影响系缝娃藐款办 法。最基本的思想就是传戆器 节点内部务个设备农不需鬟黠 关闭，而农必要怒加强唤醒。 在传感器内部某些设备空闲时 美嗣这些设备麓够产生实艨往 图2 1 无线传感器节点结构示意圈 嚣鸯交媛大学硕士研究生学位论文攀9 理 的髓量节约；在谈备处于究全激活状态对，就只髓通过优他传感瓣节点的性 熊采进一步送行警戆。 无线传感器麓点的基本结褐翔图2 1 所示，一般包括微处理器、内存、 光线收发单元、电池、传感器及a d 转换嚷路等，必要时还有其他特殊设蠡， 翔g p s 等。传惑器节煮蠹瓣各个部分有不同豹臻率狡态，跑翔说萁巾静c p u ， 就有空闲，激活，睡眠状态，假设有一个传感器节点有n 个组件，每个组件 鸯鞭今不强戆磅攀浆态，零理论上这个簧感器苓熹羲弯毽髓( 扭i ，2 ， n ) 个功率状态。这个和计算机的a c p i ( a d v a n c e dc o n f i g u r a t i o na n dp o w e r i n t e r f a c e ) 摄摆象，a c p i 恕勇l 绕分为s 口等坎焱，s o 为工佟状态，其魄辐 皮于4 中不同深魔的睡眠状态，对能量的消耗也怒相应不同的。 假定莱节点捻测到一个事 襻发生，节赢完成相应处理在 时刻盯，并且下一事件在 t 2 = t i + t x 辩蘩发生，鳐霹瓣节 点处理完相应的工作后，节点 决定麸激活炊态& 转入秘耗 为n 的休眠状态，其转换时 阉和恢复融阚如爨2 0 质汞。 由于状态的转换也需要一定的 时间和能爨，不熊无凭无掘鲢 磁状态舔随意转换。这里我们 要得到对成于各个不同的功率 狄态懿一缀转入瓣# 嚣装态麴门 图2 - 2 功率状态转换圈 限时间值t ，当“太于冀时即w 转入相应的低功耗状态。 蔑点状态转入钵翼状态羡节签黪毙蘩霹戳垂下式臻裳： 露一 。p o t ；一盘墨) 瓴# + 气) - p a t ；一吃 ) ( 2 - 1 ) 一慨一聃一哔h 一洋 只有当颤。，o 时，式协l x 孝有意义，所以可以的出 罄南交滋大学硕士研究生学位幸轻文第1 0 贸 甄t ；寺 + 碟l 菩溉 】 ( 2 2 ) l r q f t 其中马为传感嚣处于激灞状态辩酌功率，最为铼眠状态为& 时的传感器功 率，7 t ( _ f 娃) 为传感器从激活状态岛( 体眠& ) 蛩l 休眠状态& ( 激活状态 s o ) 静转换爵游。在这里辩嶷蘩敲蠢裁断，帮瓣下一事侔在膂辩发生骰疆 预 觅| 或根搬和 综合麴j 断，判断的准确度，意接影响剐实验结果。在本 文使躅鲍方法孛鼯鞭溅戆憨准确，筑裁滋天爨会遥戆襄攀状态，簸霹憨达 到效果比较好的的动态功率管理。对于除了最深体眠状态的其他状态，当事 传要达对，系统霹以皂行转入澈滚状态，艇对手究全体赋状态，健感爨节熹 中绝大部分设备处于关闭状态，糕统就簧自行决怒何对退出完全铢眠状态， 如果在此状态的时阃过长，则可能引起事传的丢失，b 毋错过事件懿发生。由 予预测不可能没有一点误差，因戴，采取怒么样的枫翎奁鼹节省熊耋的前提 下尽量避免事件的丢失是嬲个黛臻的问题。 2 2 。2 现有算法 在m r r 的s i n h a 等人做出的基于概率判别无线传感器网络动态功率管理 中，利用概率判别的方法对无线传感器节点进行动态功率管理。其把传感器 节点的功率状态分为5 级。对于某单个节点，每发生一个事件，则更新事件 的平均至q 达速率元，根据此更新后的平均事件到达速率五逐级计算在相对应 功率状态的门限时间( 见式2 - 2 ) 内没有事件发生的概率，并与系统定义的 概率常数m 比较，决定进入何种功率状态；对于如何防止事件的丢失，则根 据系统模型规定一个概率数值p 蜱，在与肌比较后，系统判断传感器节点可 以进入完全休眠状态函的情况下，以概率鼬进入完全休眠状态& ，以1 一p “ 的概率不进入& 转而进入两，即在可以进入完全休眠的情况下，有1 确的 概率系统不允许传感器进入完全休眠状态。对于在& 状态休眠多长时间，根 据系统模型定义的时间计算公式幻i n ( p ，4 ) a 决定。p 矗为在时间。内没有 事件发生的概率。此方法利概率判别来进行有效的功率状态转换。由此，当 脚增大时，进入& 的机会增大，但事件丢失的可能性增加，消耗的能量减 少；否则，事件丢失羽可能性减小，消耗的能量增大。i 2 】 p a s s o s 等人提出了使用混含自动控制( h y b r i da u t o m a t a ) 的无线传感器动 态功率管理方法。在这种方法中，p a s s o s 根据传感器检测事件对环境情况的 依赖，基于自动控制理论把系统分为几个状态，每个状态都有相应的控制变 嚣南交邋大学硪士研究生学位论文 第1 鞭 蚤和向其 呶状态转换的条件，当环境变量改变或保持不变时，通过对形势加 以预测( 反馈) 采执行在举露状态模式之间的转换。可以校据环蠛变量的连 续性交化，对传惑器执行摊行离散的处理皮用。例如，当环境温度改变( 增 加或减小) 时，传感器的状态变爨相应改变，当改变到临界点时，系统状杰 改褒巍男功率羧态。 9 1 c l m 做出的应用于p d a 等个人移动设备的动态电压调度( d y n a m i c v o l t a g es c h e d u l i n g ，d v s ) 也是很好的功率管理方法，可以应用在传感器完 全激活状态时的节能控制。这种方法是利用集成电路中，功耗p z 坛伊其中 ，0 为o m o s 电路工作电压，f 为工作频率。在处理器工作于不饱和负荷时， 根据任务队列中任务量盼大小，适当同时降低工作电压和工作频率，使处理 器功耗降低，从而节省能量的使用。 动态功率管理和动态电压调度现在应用在类似p d a 、流媒体等个人移动 设备上的比较多，多为对具体的调度机制的研究。在无线传感器上的应用研 究相应比较少。 2 2 3 本文采用的算法 本文提出了使用小波、卡尔曼滤波和自回归分析联合预测下一事件发生 的时间来决定进入何种功率状态的方法，如图2 3 所示。为了便于比较，这 里也把功率状态分为5 级，即跏函，岛为激活状态，为完全休眠状态。 如需进入 s 4 以r - b 图2 - 3 基于小波分解的无线传感器动态功率管理 首先对传感器已检测到事件的到达时间间隔数据序列进行小波分解，对分解 后相应各个频率空间的分量进行原尺度重构，对重构以后的各个频率分量的 小波系数，高频部分采用卡尔曼一步预测，低频部分采用自回归分析进行预 测。各个频率分量数据的预测结果综合( 累加 后得至4 对下一事件到达时间 骥南交邋大学硪士研究生学位论嶷辇 2 焚 的预测数值t o 通过t 和进入不同功率状态( 依次从岛到翰 的门限时间眈 较泉决定接感器进入侮种功率状态。对予粼羝可孬避入瀑体l 跫状态& ，粼馊 孺t - - b 来翔断，擞进入魏状态，健感器程& 状态的实际众体眠时阊仍为t - - b ，以此尽量减少事件的谣失，篡中b 为不大予墨处理数据的预测正绝对 误蓑戆鬻鼗。褒这爨该瓣翁精度越蒜，裁鬻浚蔓熬谶确静谶入糖斑瓣功率状 态，取德更好的动态功率管理效果。对是否进入最深休眠状态的判断如图2 - 4 疑拳。 在基于概率判别的无线传感器动态功潦管理中，耍完全舫止攀件的丢必， 哭露完全禁止进入爨深体躐浚态，餐粼总寄一定熬授率搜褥事转丢失。在举 文方法中，不用遴彳亍概率的判剐，麓接檄掰预测德决定进入何种功率状态。 套声恒 y i， 盟圆 y l 世圆 图2 。4 判断流程 对于防止谶入完全体眠状淼时事件的丢失，采用预测值减去一个常数b ( b 小于已处壤数据预测值的煅大正绝对误差 黟状态s 4 的门限事传 ：较来决 定传感器燕否进入完全休隈状态，当b 等予最大藏绝对诶箍辩，纂本可以防 止事件的兹失。当b 增大时，事件的丢失帮减小，进入完企休眠状态的机会 减夺，渣耗静链爨增大，艇之，搴件丢失攀灌大，进入完全铼i 嚣状态静瓿会 西南交通大学硕士研究生攀位论文第13 页 增大，相藏消耗的熊薰减小。通过实验仿真，和基于概率判别的方法相比， 在褪阏载豢锌丢失攀下，潢耗瓣戆麓更少，蠢鹃傻用效率筵商；基本哥戳 杜绝攀件丢失的情况发生。 要夏至婆盔兰塑圭堑塞生堂垡笙塞 整! 兰墨 第3 章小波分析在无线传感器d p m 中的应用 小波分析属于时频分析的一种。传统的信号分析是建立在傅立叶变换的 基础上的，傅立叶变换只是一种纯频域的分析方法，它在频域的定位性( 即 分辨能力) ，也即傅立叶变换反映的是整个信号全部时间下的整体频域特性， 而不提供任何局部时间段上的频率信息。如图3 - 1 ： 2 时伺 f r c = = = ： 图3 - 1 傅立叶变换示意图 但这些时频局域信息恰恰是非平稳信号最关键和最根本的信息。为了分 析非平稳信号，人们提出了短时傅立叶变换( s t f f ) ，它的基本思想是假定 非平稳信号在分析窗函数g 的一个短时间间隔内时平稳的，并移动分析窗 口函数，使f ( t ) g ( t r ) 在不同的有限时间宽度内为平稳信号，从而计算出不 鳃曼， 衄姐 妪枣爨i 激大学硪士研究生学位论文第 5 茨 燹傣号不秘。因为赢频信姆一般持续盼时间根短，而低频信号持续的时阍较 长，我嚣辑望对赫频信号袋愿夺时阕塞，对低频馈嚣采用大瓣阕窗进行分辑。 憩辨，在进行数毽诗算对入稻希鎏将萋羲数离散纯，s 骶疆无论憋样离散， 都无法构成一组难交基。小波变抉不仅继承和发腿了s t l 豫的局嚣6 化思想， 孬越竞黢了密叠太枣不陡鬃率变纯，缺乏离簸委交蒸翦缺点。添置辩 3 1 连续小波变换 小波的确切畿义为，设妒o ) 掌f 僻) ，p ( r ) 表示平方可积的嶷数空间， 即能量有限鲍空阍，其傅立时变按为妒) ，当谚( ) 满怒条传： 巳一点簪甜t * 晦1 ) 时，我们称妒o ) 为一个基本小波戏母4 、波，将它经伸缩和平移后，就得判一 令枣渡露捌。对予连续静猿嚣，小渡序列为 妒。6 8 ) ；喜妒( 三生) ，b e r * 0 a , b e r ；a 0( 3 。2 ) 妒。# 8 ) ；去妒( = = ) r * ( 3 2 ) 0 静| 8 其中。为伸缩因子，b 为警移因予。对于任意鸵溺数，8 ) 毫驴( 嚣) 妞连续小波 变换为 鬈g 固= 细。；) 一盯瓢，( f 弦警垮( 3 - 3 ) 其重构公戒为 广一麦正正砉巧和，6 弦譬狮哟( 3 - 4 ) 惠小波变揍的定义霹懿小波交换与蹙立时交换鸵幂妫之处蔗枣渡基鬟有 尺度和平移两个参数。因此，将黼数在小波基下腰开，就意味将个时间函 数投影到二维的曩重间一尺发楣平露上。从时域分毒唏角度表露，任懑醒数程菜 一尺度a 、平移赢b 上的小渡变换系数，窟质上表征的是在b 位谶处，时间 段a h t 上包含在中心频率为。加、带宽为a c o t a 频窗内盹频率分爨的大小。 稳着尺度鹃交 | 二，对应密疆静中心颓率及密1 ：3 带宽也发生交纯。如我们将它 的伸缩和平移系列看作是组带邋滤波器，其品成因数不变。我们可将遥续 参波交羧熬过程瓣鼢下步骤鹭示： 西南交避大学硕士研究生学位论文第16 贞 ( 1 ) 取一个小波，和信号静开始部分比较。 ( 2 ) 计算数c ，它表示小波函数和这部分函数的相似程度。相似程度越 信号 小波 銎3 - 3 小波交换步骤2 示意图 商，c 越大。它将依赖所溅的小波。 ( 3 ) 键右平移小波，重复前獗步骤，衷到覆蓣所有信号。 信号 小波 图3 - 4 小波变换步骤3 示意图 ( 4 交换，j 、波静足攫，重复步骤1 - 3 信号 小波 匿3 - 5 小波变换步骤4 示意图 ( 5 ) 对所有尺度酶争渡薰蔓渗骤1 - 4 。最后，一个信号被表豕成各足度 鞭赢交懑大学硪士研究嫩学位谂文第 7 黉 豹小渡翁不褥平移盼勰税和。 3 + 2 囊散小渡变揍 在实际应用中，尤其程计算桃上实现对，连缕小波必颁离散他，它的寓 教像是钤砖足蠹参数a 襄遽续平移参数b 瓣，焉不是锌怼财滴变爨t 翡。逶 常我们取离散化公式a = a d , b = k 口，b o ，这擞je z 羽口* 1 魑固定值。所以搿敞 ，l 、渡透数为： 一， 妒mo ) - d 。砘妒妊一t 一忌k ) ( 3 - 5 ) 能实际中一般取：迸射酌采样两络口。= 2 ，b o 一1 ，函此得到二进小波： 一f 妒n $ ) * 2 2 妒( 2 - i t - k ) j , k z ( 3 - 6 ) 3 3 多分辨率势析 1 9 8 8 年，s m a l l a t 提出了多分辨率分析的概念，从空间的概奄上形象的 诞裙了小波躲多分辨率特瞧，将藏之蘸懿燕变，l 、波萋懿秘逡法绞一起来，绘 出了正交小波的构造方法和正交小波变换的快速算法，即m a l l a t 黛法。 3 ，3 廷度透数与廷度空阚 定义函数) r 俾) 为尺度随数，其熬数平移系列妒女0 ) 一妒o 一) 满足： 氟( f ) ，丸- ( r ) ) 一6 “ k , k z ( 3 7 ) 定义簪9 ) 在l 2 ( r ) 空舞张或酶游予空露凳玛，豁蔻零尺度空褥。露，j 、波蕊 数相似，我们假定尺度函数o ) 磁平移时又进行了尺度的伸缩，使我们彳肆剔 了一个尺嶷鞫垃移海霹变证盼醢数集合。 一， 眈j 0 ) 一27 2 ( 2 一t k ) ( 3 8 ) 强口称每游定尺度，上的平移系蓟所张戒的空闽巧为尺艘f 的尺度空闯。因 此，尺度函数驴( f ) 在不恩尺度下箕平移系列张成了一系列的尺度空间，髓麓 足寝静蹭丈，其举移鳃褥隔趣越来越大，焚g 它游线性组合不能表承函数( 小 予该尺度) 的鳃微变化，只能表示缓变信号。相发，尺度的减小，它的函数 缝合式麓滚示函数更缨彀女每变纯。藐糖当予照裙橇，足度巍大交夺，镜头壶 西南交通大学硕士研究熊学位论文第18 页 - 。_ _ ”。- - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ 。- _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 。_ - _ - _ - _ - _ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ 一i i 嶂 逸及遥，程大趸波蹇i 蜀莹，对应运镜头下必能看掰爵标大致概貌。反乏，对 应镜头下撩目标盼细微部分。 3 3 2 小波函数毒小波空海 多分辨率分掇是揍溪足一致攀调性、灏近完全蠖、黪缝痰鬟瞧、乎移苓 变性和正交基存在性的一系列闭予空间j 。详细分析见文献 8 】。多分辨率 分摄的一系歹尺发空阊聂囊阕一尺发函数农零圊尺发下张成靛，鼹虫子这一 系捌尺度察褥不其有正交柱，西魏它们盼燕： 一j 簪j j 章) - 27 2 乒( 2 - j r - 枣) 也不熬有正交性。证明见文献【1 6 l 。我们定义尺度空间的补空间如下： 竣冁必玩在j 串戆耱空溺，辩： 一。* 屹。既睨上 ( 3 - 9 ) 搿褥饪予空间黻毒拜粳互正交。 磁 拣成了l z 砖黪一蓉剜夔交子空髑。 由以上，对所有尺度，z ， 一i 妒i j 一2 疆妒( 2 1 f - k ) ，k e z 必为空间嵋的芷交蕊。称妒为小波函数，研为尺度为j 骢小波空间。 3 3 3 或交小波变换与多分辨率分析 叁多分辨率分瓣辨定义褥： v o k o 嵋- 心o 0 暖一k o o m ( 3 1 0 ) 爨此j i 重任侮甄数黔圈岛，我嚣】可娃犍它分瓣麦细节部分戳鼹太尺度班邋运 部分，然尉将太尺度乃逼近部分谶一步分解。如此薰复就w 以得掰任意尺度 上的逼近部分和缨节部分。如图3 6 所示： 辫3 6 多足壤分麓示塞隧 踅璧窑遵盔鲎塑尘璧塞篷兰堡邃塞整! ! 匿 3 。3 4 ：廷度方程 二尺发方程是零尺度分析赋予尺度醋数( f ) 和小波遴数妒o ) 的最基零特 校。它箍逑静是捆邻又度黛简啄j ，巧或褥邻的尺度空间巧和小渡空阕研 的纂函数急间盼本康联系- 由多分辨率概念知，妒o ) 、妒0 ) 分别为尺度空间 璩襄夺渡空簿璐鼢一个称准歪交麓嚣羧，叉壹硌c 确，磁c v i ，掰竣妒、 妒o ) 也必然属于k ，也即妒( f 、妒o ) 可以用矿，的正交萋展开。方程如下。 垂8 ) 一艺秘) 痧山转) 一冱o 洚各叫t ) 妒一麓秘钆。$ 一点瓠秘弦麓一摊) 避开系数蚝0 ) ， 0 为： 。o ) 一和，九，) ，h ，0 ) * 劬，史) 霹谖疆，秘蠢：( 鑫不夔尺度交德褥交纯。交双尺度方程揍塞 c 一 。( 冲z 一2 k ) c t ，。 d m * 魂( m 一2 k ) c 巾 其中，铋为剩余系数或尺度系数，吨女为小波系数。 c j 毒- ( ，x 啦。g ) 矗继一，妒，；枣) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) c 3 。1 4 ) ( 3 _ 1 5 ) ( 3 1 6 ) 式3 - 1 6 说明j 尺度空间的剩泉系数咏t 和小波系数吨 可以由j l 尺发空 游懿裁余系数鼋酗经遘滤波器纛蛙矗j 瓣避萼亍蘼投求释褥爨。这撵进一步努 解下去即得到m a l l a t 塔式算法。 弋三：文三：艾：弋三二：= 鼹3 一m a li 。甜塔式分解快速算法示意熙 将分解算法逆l 母进行就是重构算法。窟际处理的信号多为累弼盼离散 绩鸯，下溪将连续夺渡变换方法攘广至垂离簸痔努。 西南交濂大学碳士研究发学位论文第2 0 页 3 3 5 裔数摩戮簸多分辨率努桥 我们埘将离散信号盼多分辨攀分析著作式对辫敬序列避括双邋道滤波姻 邋程，称黼3 - 8 的h l 赣h o ( - k ) 为飘通道滤波器缀。 前者熙有高遇性质，艏者具宥低通性质，困j 比它们的滤波输般分别对应 予离教毽鼍静嵩羰绸苓器繇频褫虢。由予滤渡器熬输出j 葶戮长度辩输入孝殛 棚阿，因她总长度为两倍。由于艇始信号魄频带划为低邋岛高遇两部分，所 默滤波嚣瓣謦宽必有爨始信号爨一睾。摄懿绩号戆莱襻定理，哥淤将采榉搴 降低一半r 即二抽) 褥不会蒜失任何信息。 从凰3 8 霹番邀，信号经过滤波嚣瞬，赧经过了2 接头辨撼敬，援攒采 样定理，邀不会鍪失任何信息。倪是为了效据预测的方便，希望每个尺度层 次的信号序戮个数与原序瓤个数棚簿，只绠将各尺度序殛的预测德相童日就是 驻数据序列豹预测值。 匿3 - 8 离散德号多分辨率分析示意圈 嘭m + 址 我稻瞧可以飙频率空澜裁势的麓点来理辩离散彦梦l j 豹分解，将总频带 ( o 2n ) 定义为空问i t ，经第一次分解后它被划为两个等宽的低频和 蒸频鹣室容，势蠢蠢，l 、波整数怠尺度丞数戆聂交槛，这秘令窒瓣一定歪变。 二次分解厢，聆义被分为两部分。如图3 母所示。 基42 西南交通大学黼士研究您学位论文第2 1 蕊 翟3 - 9 多分辨率分褥蓊频察窒淘翔分示意鬣 蘩3 。1 0 是零文审黠转薅器猃测事箨戮达对游瓣彦残滋行羲溅豹滚程鬻。 整3 一l o 羲瓣流程鍪 套浚努辑巽鸯将徨号努辩蘩苓鼹瑟次窑潼嚣魏宠。瑟传感嚣攀薛鹩至l 迭 时闯具有黼度的非线性，时变性，即数据的频域和时域成份复杂。所以利用 小波分解，可以将复杂羚缀成分类别不同瓣窆阀。瓣不慰瓣空超癸蔫4 进簿颚 测，然后练合。也就是将复杂的问题分解为几个简单的问题。采用了所承的 方法先将数据进褥小波分孵，将数据分鹪婪q 不厨的频率空怒，然滕对各频率 空阍盼数据遴行缀尺度擎赢重梅，最后对鹱梅后游离频数据采用k a l m a u 预 测，低频数据采用时间序列的a r 预测。将各频率空间预镄4 到的结果综合相 翔褥羁嚣始数据斡疆瓣馕。经过傍奏迁爨篌薅套波分解霜瓣各个分支连襻预 测再合成最终的预测数据廉用于传感器动淼功率警理有很好的效粜。 第4 耄敞和k ai m a n 在无线传感器d p m 中的应用 4 1 a r 预测在无线传感器d p m 中的应用 自隧姻模型的定义：设协，t * 0 ，1 ，土2 ) 为时间序列， e t ，t 一0 ，末l 2 ， 必自噪声膨烈，盥黠任意躲st t ，e x s ，神，受4 称满足等式 盖i _ 口o + 群1 一l + 口2 x t 一2 + + 口p x f f + 占f ( 4 - t ) 的时露黟歹l j 鼍 菇尹跨鑫滔l 蔻孝戮，式爷l 为p 除鑫罄癌穰墼，谗作歙) e 4 1 。1a r 模型除数的拳唾断 进彳予自回归时间序列预测前，先要谶行模式识别，即根据样本自相关系 数穗偏攘关系数敬拯惩愁霹截霪燃粼叛撩涎匏除胁然螽滋褥模型枣参数鲶傣 计。 样本照协方嫠系数为： ，n 凡。毒善( - 一土地似棚 4 妨 群率静鑫稳关系数菇： o 声馥) 一导( 4 - 3 ) 尹( ) ，芦 ) 分掰为乎稳( 假设数据平稳) 序列协，f * 0 , 1 , 2 ，) 的自协方差 趱数鸯掇关系数媳售诗豢。馕提荚系数囊螺下公式给出： 1 芦p ( 2 )芦 - 1 ) r 张， p o ) - ：，+ p ( k 一2 | | 魏2 ；l ! p ( k 一1 ) p ( k 一2