[发明专利]一种基于矩阵补全的无线传感器节点任务时隙调度方法

说明书

本发明公开一种基于矩阵补全的无线传感器节点任务时隙调度方法，基于无线传感器节点在环境监测应用中采样数据的时间相关性和低秩特性，将节点的连续工作时间以采样时隙为单位划分为不同的任务时隙，通过减少节点执行采样任务时隙的频次，降低节点的能量消耗，延长节点的电池寿命；在协调器端构建无线传感器节点的采样矩阵，利用奇异值阈值算法重建经过数据约减的节点采样矩阵，确保为用户提供完整的节点采样数据，同时满足无线传感器网络节点低功耗运行的需求；设计动态修正幅度的奇异值阈值算法，根据采样矩阵重建恢复精度调整修正幅度大小，减少矩阵重建的迭代次数，缩短采样矩阵的重建时间提高算法性能。

技术领域

本发明属于低功耗近距离无线组网通信技术领域，具体涉及一种利用矩阵补全技术的无线传感器节点任务时隙调度方法，基于节点的任务时隙随机稀疏选择采样来降低无线传感器节点能耗。

背景技术

对于大规模节点部署的无线传感器网络的能耗问题，从网络协议角度出发研究的低功耗策略，比如节能的路由方案、拓扑控制、MAC层协议等相关的研究已经很多。但是，最直观的方法就是从应用层的角度考虑减少网络中数据的传输量，从而减少节点的采样传输次数，让节点尽量保持休眠状态，将节点能耗降低最低的水平。压缩感知作为有效的数据约简方案，在无线传感器网络的解决节能调度问题中应用广泛，其核心是基于网络中节点采样数据的稀疏性，利用尽可能少的采样数据重建数据。通过压缩感知(Compressedsensing)减少网络中传输的数据量，不仅可以避免网络碰撞，而且可以有效延长节点的休眠时间，从而降低节点的能耗。矩阵补全技术作为压缩感知技术的扩展，近年来也是无线传感器网络的研究热点。矩阵补全技术是将节点采集的数据以矩阵的形式处理，传感器节点只需要采集一组样本数据，利用节点数据的时空相关性，在协调器端准确重构网络节点采样的完整数据矩阵。

发明内容

针对大规模节点部署的无线传感器网络中存在冗余采样造成节点能量浪费的问题，本文提出一种无线传感器节点采样时隙节能调度方案。本方案利用大规模组网情况下节点采样数据的时间相关性和低秩性，通过对整体网络中的数据约减，减少节点的任务执行次数，使节点有更多的休眠时间，即减少节点采样时隙个数增加节点休眠时隙的个数，降低节点的能耗，再通过矩阵补全算法重建节点的采样矩阵，确保用户能够接收到完整的节点采样数据。

本发明的技术方案为：无线传感器节点任务时隙调度方法，利用大规模无线传感器网络节点采样数据的时间相关性和低秩特性，以随机稀疏选择的方式代替节点在每个时隙都执行任务的饱和采样方式，减少节点的采样次数，降低节点的能量消耗。具体包括以下流程：

A1、将节点的任务周期划分为等大小的任务时隙，在无线传感器网络的协调器端构建一个由节点ID和时隙ID组成的节点采样矩阵模型，通过此采样矩阵模型，对节点的采样时隙进行约减，降低节点的采样次数；

A2、基于节点采样矩阵模型，通过随机稀疏采样时隙选择算法，降低节点的采样频次，减少节点的采样时隙个数，增加节点休眠时隙的个数；

A3、利用节点采样矩阵的低秩稀疏特性，通过奇异值阈值算法对含有缺失值的采样矩阵近似迭代补全重建完整的节点采样矩阵，为用户提供完整的节点采样数据；

A4、动态调整矩阵重建算法的修正幅度值，从而使矩阵重建算法的迭代更新次数随重建精度实时调整，减少迭代次数提高矩阵重建算法的性能。

本发明方法具有以下优点：

1、将节点的任务周期以时隙为单位划分，可以直观地从如何增加节点的休眠时隙个数来探讨节点的能耗节省方案；

2、有效降低无线传感器网络中节点冗余采样的情况，降低了整个网络的负荷，延长了网络寿命；

3、通过随机稀疏采样，降低无线传感器节点采样时隙的次数，增加节点的休眠时隙个数，有效降低节点的能量消耗；