无线传感器网络簇首提取压缩算法
无线传感器网络数据压缩算法研究
题， 传 感器节 点 受到 有 限 的带 宽 、 电量 和计 算 能 力 的限 制。 对 于大规模部署无线传感器节点 的网络来说 ， 如何 提高节点 的能量效率 ， 延 长整个 ＷＳ Ｎ寿命是 需要解决 的首要 问题 … 。
保证 网络 的连通性 。从覆盖 问题 的角 度来说 ， 空间冗余可 以 划分 为物理冗 余和分析冗余 ， 具体分析如下 。
物理冗余 是一种非常普遍的技术 ， 通 过节点在某 一区域 的高 密度部署用于保证 系统 的可靠性 ， 尤其是考虑到 网络受 到安全威 胁时 ， 这种冗 余非 常有必要 。当然 ， 由于节点之 间
关键词 ： 无线传感器 网络 ； 数据冗余 ； 数据压缩算法
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ ３
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： ２ ０ ９ ５— ２ １ ６ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５— ０ ０ ２ ８— ０ ３
Ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｎ Ｄａ ｔ ａ Ｃｏ ｍ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ Ａｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈｍ ｆ ｏ ｒ Ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｓｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｓ
ＬＩ Ｕ Ｈｅ ， ＣＨＥ Ｎ Ｙｕ
（ １ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｈａ ｎ ｋ ｏ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ￣ ｔ ｙ ，Ｗｕ ｈ ｎ ａ ４ ３ ０ ２ １ ２，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
０ 引 言
传感 器节 点是一个 配备 了无 线 电收发 器 、 微 控 制器 、 能 量源 的信 息接收处理单元 。因为体积小 ， 同时考虑 到成 本 问
无线传感网络的数据压缩和聚类算法研究
无线传感网络的数据压缩和聚类算法研究随着科技的不断发展，无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）已成为领域研究的热点之一。
无线传感网络由大量分布式无线传感器节点组成，这些节点能够通过无线通信方式实时获取、处理和传输环境中的数据信息。
然而，由于无线传感器节点的资源受限，如能源、存储和计算能力等，传感网络的数据压缩和聚类成为解决这一问题的重要手段之一。
数据压缩旨在降低数据量、提高传输效率以及减少能源消耗。
而数据聚类则能够有效地提取网络中的重要信息与特征，便于数据处理和决策。
因此，无线传感网络中的数据压缩和聚类算法研究对于提高网络性能和延长网络寿命具有重要意义。
在无线传感网络数据压缩算法的研究中，经典的算法包括：差值编码、时间戳编码、熵编码、字典压缩等。
差值编码通过计算当前数据值与前一个数据值之间的差异来实现数据压缩。
时间戳编码将数据值与时间戳进行编码，减少传输数据的位数。
熵编码则根据数据值出现的概率分布来进行编码，实现最小平均编码长度。
字典压缩则利用字典表来存储数据的重复片段，通过索引实现数据的压缩。
然而，传统的数据压缩算法往往只关注数据的表示和存储，忽略了网络的特性和通信的需求。
因此，在无线传感网络中，数据的压缩算法需要考虑以下几个方面：首先，算法需要具备适应网络拓扑结构的能力，以提高传输效率。
其次，算法需要具备实时性和适应性，以适应传感网络环境的动态变化。
最后，算法需要充分利用节点之间的协作，减少冗余和冲突，提高整体性能。
而在数据聚类算法的研究中，经典的算法包括：基于贪心的聚类算法、基于分布的聚类算法、基于密度的聚类算法等。
基于贪心的聚类算法通常将各个节点看作数据样本，以最大化总体性能为目标进行聚类。
基于分布的聚类算法则根据节点的散布特性进行聚类，将节点组织成不同的聚类簇。
基于密度的聚类算法则根据节点周围的密度进行聚类，将密度较高的节点归为一类。
然而，传统的数据聚类算法在无线传感网络中存在一些问题。
无线传感器网络中的数据聚合算法设计
无线传感器网络中的数据聚合算法设计无线传感器网络是由大量分布在监测区域内的节点组成的网络系统，这些节点负责采集、处理和传输感知数据。
在这个网络中，节点之间的通信受到能量和带宽等资源的限制，因此如何高效地聚合和传输数据成为一个重要的问题。
本文将探讨无线传感器网络中的数据聚合算法设计。
一、背景介绍无线传感器网络由大量的节点组成，这些节点分布在被监测区域内，通过感知周围环境并将数据传输给基站或其他节点。
传统的数据传输方式会导致网络的能耗增加和通信带宽的浪费。
因此，为了提高能源利用效率和降低网络通信开销，需要设计一种有效的数据聚合算法。
二、数据聚合算法原理数据聚合是指将多个相邻节点采集到的相似数据进行合并和压缩，从而减少重复传输的数据量。
数据聚合算法通常包括以下几个步骤：1. 邻居节点选择：每个节点会选择一些邻居节点与之通信，一般根据节点之间的距离、信号强度或其他指标进行选择。
2. 数据采集和压缩：节点通过感知周围环境并采集数据，然后将采集到的数据进行压缩，将冗余的数据删除或合并。
3. 数据传输：节点将压缩后的数据传输给邻居节点，通过多跳的方式最终传输到基站或其他节点。
4. 数据解压和恢复：接收节点收到数据后，进行解压和恢复，将压缩的数据还原为原始数据。
三、常见的数据聚合算法设计1. SPIN：该算法是一种轻量级的数据聚合算法，它通过节点之间的邻居关系进行数据传输，从而减少网络通信开销。
2. LEACH：这是一种以太无线传感器网络中的数据聚合算法，它通过动态选择簇头节点对数据进行聚合和传输。
3. PEGASIS：该算法采用链式结构，节点按照顺序进行数据聚合和传输，从而减少能源消耗和通信延迟。
4. APTEEN：这是一种自适应的数据聚合算法，它根据网络的能量状况和传输距离等因素来决定节点的选择和数据的传输。
四、数据聚合算法的优势和挑战数据聚合算法在无线传感器网络中有许多优势，如降低能耗、减少通信开销、延长网络寿命等。
无线传感器网络中的数据压缩算法
无线传感器网络中的数据压缩算法无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布于监测环境中的传感器节点组成的自组织网络。
这些节点能够感知环境中的各种物理量，并将所感知到的数据传输给网络中的其他节点或基站。
由于传感器节点的能量有限，数据的传输和存储成本较高，因此在无线传感器网络中使用高效的数据压缩算法是非常重要的。
数据压缩算法在无线传感器网络中的应用有三个主要目标：降低数据传输成本、减少能量消耗和提高网络性能。
下面我们将介绍几种常用的数据压缩算法。
1. 无损压缩算法无损压缩算法是一种将原始数据压缩为更小的表示形式的方法，同时保持数据的完整性。
其中，哈夫曼编码是最常用的无损压缩算法之一。
哈夫曼编码通过将频率较高的字符用较短的编码表示，频率较低的字符用较长的编码表示，从而实现数据压缩。
由于无损压缩算法不会导致数据信息的丢失，因此在某些需要完整数据的应用场景中，无损压缩算法是一种较好的选择。
2. 有损压缩算法与无损压缩算法相比，有损压缩算法在数据压缩的过程中会引入一定的信息损失。
然而，有损压缩算法能够大幅降低数据量，从而减少数据的传输成本和能耗。
在无线传感器网络中，常用的有损数据压缩算法包括离散余弦变换（Discrete Cosine Transform, DCT）、小波变换（Wavelet Transform）和主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）等。
这些算法通过去除冗余信息和降低数据精度来压缩数据。
3. 基于空间相关性的压缩算法在无线传感器网络中，相邻节点的传感器数据通常具有一定的相关性。
基于这一观察，基于空间相关性的压缩算法被提出。
这些算法利用节点间的相似性来压缩数据，从而减少数据的冗余。
常用的基于空间相关性的压缩算法包括差分编码（Differential Encoding）、稀疏表示（Sparse Representation）和矩阵填充（Matrix Filling）等。
无线传感网络中的数据压缩与传输技术
无线传感网络中的数据压缩与传输技术随着无线传感技术的快速发展和广泛应用，无线传感网络（WSN）已经成为目前互联网的重要组成部分。
WSN由大量的低功耗传感器节点组成，这些节点可以感知、采集和传输环境中的各种信息。
然而，由于传感器节点资源有限且功耗较低，数据压缩与传输技术在WSN中变得尤为重要。
数据压缩是无线传感网络中的一项关键技术，它能够有效地减少数据量，节省能源，并提高网络的可靠性和灵活性。
在WSN中，大量的传感器节点同时生成大量的数据，如果不经过压缩处理，会导致网络传输压力过大，能源消耗过高，甚至会引起数据丢失的问题。
因此，数据压缩技术的应用能够帮助减轻网络负担，延长传感器节点的寿命。
目前，数据压缩技术在WSN中被广泛采用。
常见的压缩方法包括：差值编码、哈夫曼编码、熵编码等。
其中，差值编码是一种简单有效的数据压缩方法。
它通过比较相邻数据的差异来减少数据量，能够在不引入显著误差的情况下实现高压缩率。
哈夫曼编码和熵编码则通过统计数据中的频率分布来实现数据压缩。
除了数据压缩技术，数据传输技术也是无线传感网络中不可忽视的一部分。
数据传输技术涉及到无线通信协议、链路质量控制、数据传输方式等方面。
在WSN中，由于传感器节点数量庞大且分布广泛，网络拓扑结构复杂多变，数据传输技术的选用将直接影响到网络的性能和效率。
在WSN中，常用的数据传输方式有：单跳传输和多跳传输。
单跳传输是指数据直接从源节点传输到目标节点，适用于节点之间距离较近且通信质量较好的情况。
多跳传输则是指数据通过多个中继节点进行传输，适用于节点之间距离较远且通信质量较差的情况。
根据具体应用场景和网络要求，选择合适的传输方式能够提高网络的传输效率和可靠性。
此外，无线传感网络还可以采用数据聚集的方式来减少网络中的数据传输量。
数据聚集是指将附近节点的数据进行合并和汇总，然后传输给上级节点或基站。
通过数据聚集，可以大大减小数据量，减少网络拥塞和能耗。
同时，数据聚集还能够提高网络的可靠性，当某个节点失效时，其他节点仍然可以通过聚集数据来保证数据的传输和完整性。
无线传感器网络中的分簇算法研究
无线传感器网络中的分簇算法研究一、引言随着计算机技术和通信技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）得到了越来越广泛的应用。
在WSN中，节点以无线方式相互通信，在网络中通过协同处理和交互信息来完成分布式的感知和处理任务。
WSN在环境监测、农业、交通、能源、医疗等领域中得到广泛应用。
在WSN中，节点通常分布在一个广阔的、开放的、未知的场景中。
节点的数量可能会非常庞大，如几千甚至几万个。
节点之间的通信需要依赖电池供电，因此节点的能耗成为WSN中需要解决的一个重要问题。
为了延长网络寿命，需要对节点进行节能管理。
同时，网络中存在数据冗余、信息流量大等问题，这会降低设备的数据处理能力。
为了处理这些问题，需要对WSN进行簇分组，充分利用网络中的节点资源。
本文将分析WSN中的分簇算法，解决WSN中的簇头选择、簇间通信、节能等问题。
二、WSN中的簇算法2.1. 分簇地图算法分簇地图算法（Cluster-Based Geographic Routing，CBGR）选择地图中特定的点作为簇头，将周围的节点分为多个组。
CBGR算法依据地理位置，通过选取附近节点，完成簇头选择和簇间通信。
CBGR算法可以提高网络的能耗和数据处理能力。
在CBGR算法中，节点可以通过选择相邻节点进行通信，从而节省能源。
CBGR算法允许簇头和周围节点之间相互通信，减少冗余的信息流量，进一步提高了网络的处理能力。
2.2. 基于能量的分簇算法基于能量的分簇算法（Energy-Based Cluster，EBC）通过选择节点的电池剩余能量作为簇头，将周围的节点分组。
这种方法有利于减少网络的能耗，并有效处理冗余信息。
EBC算法基于节点的电池剩余能量，选择寿命较长的节点作为簇头，以提高网络的寿命。
同时，节点之间的通信可以通过簇头实现，减少能源开销。
EBC算法可以控制网络中节点的状态，延长节点的寿命并减少噪音信号的干扰。
无线传感器网络基于虚拟节点的小波压缩方法
每个 簇头对 应着 一个 虚拟节 点， 恰 好 能够存储 相应簇 头所 辖各 传感器 节点 一轮传送 过 来的数据 ． 其 存储 器 称 为虚拟 存储器 ， 被 分为 多个 虚拟存 储单元 ， 一个 单元 存储着簇 头节 点所辖 范围 内的一个节 点 的数 据． 多个虚 拟
存 储单 元即 多个下级 节 点可共用 簇头 的 同一块存储 空 间， 共 用 同块 实 际 存 储 空 间 的 所 有 虚 拟 存 储 单 元 ， 称 为 虚
Ｄ Ｉ ＭＥ ＮＳ Ｉ ＯＮＳ方法 ， 利 用小波 的多分辨特 性和传 感数据 间的相关 性设计压 缩算 法， 收集 到数据压 缩后传送 到簇 头节 点， 数 据压缩 的效率 明显． ＤＩ ＭＥ ＮＳ Ｉ Ｏ Ｎ 采用传 统 的小波压缩方 法， 即先读取 所有数据 后再变 换， 对簇 头 的存
储 空间要 求却非 常高． 文献 ［ ９ ］ 基 于环模 型研 究边变换 边传 送小波 系数 的方法， 并将其 扩展 到 了二维 覆盖 重叠模 型． 该方 法依据 小波 函数 的支撑长 度和簇 头 实际存 储容量 来确 定数据 传送 单元 的大小， 无需 缓存簇 内各节 点 的
５ ５ ８
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆＳ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ软件 学报 Ｖ ｏ １ ． ２ ４ ，Ｎｏ ． ３ ， Ｍａ ｒ ｃ ｈ ２ ０ １ ３
此 有 人研 究 数据 传 送 方 法， 将 数 据 集传 送 到 Ｓ ｉ ｎ ｋ 或某 个 指 定节 点 ， 从而 释 放 节 点 的存储 空 间 ． 文献 ［ ８ ］ 提 出
小， 并基 于最 大化小 波空 间相 关性 建立相邻 两级虚 拟节 点之 间的对应关 系； 然后 自顶 向下 ， 由上 一级簇 头依据 虚
无线传感器网络的数据采集与传输方法
无线传感器网络的数据采集与传输方法无线传感器网络是一种由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络，这些节点能够感知、采集和传输环境中的各种数据。
随着无线传感器网络的广泛应用，数据采集与传输方法的研究变得愈发重要。
本文将探讨无线传感器网络的数据采集与传输方法，并介绍一些常用的技术。
一、数据采集方法数据采集是无线传感器网络的核心任务之一。
无线传感器节点通过感知环境中的各种参数，如温度、湿度、压力等，将这些数据采集并传输给基站或其他节点进行处理。
常见的数据采集方法包括以下几种：1. 直接传输：传感器节点将采集到的数据直接传输给基站或其他节点。
这种方法简单直接，但由于传感器节点的能量和计算资源有限，数据传输的距离和带宽也受到限制。
2. 数据压缩：传感器节点采集到的数据通常具有冗余性，可以利用数据压缩算法对数据进行压缩，减少数据传输的量。
常用的数据压缩算法包括差值编码、哈夫曼编码等。
3. 数据聚合：传感器节点可以将采集到的数据进行聚合，将相似的数据合并为一个数据包进行传输。
这样可以减少数据传输的次数，节省能量和带宽。
二、数据传输方法数据传输是无线传感器网络中的另一个重要问题。
由于传感器节点通常分布在广阔的区域内，节点之间的通信距离较远，且网络拓扑结构动态变化，因此需要设计高效的数据传输方法。
1. 分簇传输：无线传感器网络中的节点可以按照一定的规则自组织形成簇，每个簇内有一个簇首节点负责数据的收集和传输。
这种分簇传输方法可以减少节点之间的通信距离，降低能量消耗，并提高网络的可扩展性。
2. 多跳传输：由于节点之间的通信距离有限，无法直接传输数据到基站，因此需要通过多跳传输的方式将数据传输到基站。
多跳传输方法可以通过选择合适的中继节点，将数据从源节点传输到目标节点，再由目标节点传输到基站。
3. 路由协议：路由协议是无线传感器网络中实现数据传输的关键。
常见的路由协议包括LEACH、PEGASIS、TEEN等。
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无线传感器网络簇首提取压缩算法林 蔚 ，李* Nhomakorabea波，韩丽红
( 哈尔滨工程大学 理学院，哈尔滨 150001) ( * 通信作者电子邮箱 linwei@ hrbeu． edu． cn)
摘
要：对矢量数据压缩算法中 DP 压缩算法在引入无线传感器网络的同时进行了改进 ， 针对压缩过程中对数据
“簇首 ” “数据簇首 ” ， 的扫描次数问题， 提出簇首提取压缩算法 。该算法中 即为 簇首提取压缩算法设定步长减少压缩 过程中对数据的扫描次数 ， 并采用最佳曲线拟合方法对监测数据点做直线优化拟合 ， 根据数据间的依附关系 ， 将体现 整体特征的簇首数据进行提取 ； 同时， 对非簇首数据进行子群划分 。仿真结果表明， 簇首提取压缩算法程序更为简单 ， 对大波动数据有较好的簇首提取效果 ， 减少了网络中数据的传输量 ， 有效地节省了整个网络的能量消耗 。 关键词：无线传感器网络； 数据压缩； DP 压缩算法； 簇首提取 中图分类号： TP393 ； TN926 文献标志码：A
数据高度分散且信道能量有限 ， 因此， 当设计网络数据处理算 ， ， 法时 重要的是要降低通信量 同时保留监测数据的整体特 性； 又由于采样数据存在时空冗余 ， 对于同一个地理区域， 监 测数据中的某些数据比另外一些数据包含更为丰富的信息 ， 将这些关键数据进行提取 ， 并传输到基站不但可以表达整个 监测环境的特征， 同时也达到了减少数据传输的目的 Douglas 和 Peucker 提出的 DP （ DouglasPeucker ） 算法
［1 ］
1
1． 1
DP 算法分析
DP 算法原理 DP 算法的基本思想是： 将观测周期内的数据进行首末点
*
Abstract: DouglasPeucker ( DP) compression algorithm of vector data compression algorithm was introduced to wireless sensor networks， at the same time for the number of scans of the data compression process， the paper put forward an improved cluster head extraction for data compression algorithm， and the cluster head was called data cluster head． Cluster head extraction compression algorithm reduced the number of data scan in compression process by setting step， and used the optimum curve fitting method for monitoring data point to do linear optimization fitting， according to the attachment relationship of the data， and extracted the cluster head data that reflected the overall characteristics; meanwhile， the subgroups of noncluster head data subgroups were divided． The simulation results show that， the process of cluster head extraction compression algorithm is simpler; for the large fluctuation data it has a better cluster head extraction effect; besides， it reduces the amount of network data transmission， and effectively saves the energy consumption across the network． Key words: Wireless Sensor Network ( WSN) ; data compression; DouglasPeucker ( DP) compression algorithm; cluster head extraction
Cluster head extraction for data compression in wireless sensor networks
LIN Wei ，LI Bo，HAN Lihong
( School of Sciences， Harbin Engineering University， Harbin Heilongjiang 150001 ， China)
Journal of Computer Applications 计算机应用，2012，32( 12) : 3482 － 3485 文章编号： 1001 － 9081 （ 2012 ） 12 － 3482 － 04
ISSN 1001-9081 CODEN JYIIDU
2012-12-01 http: / / www． joca． cn doi： 10． 3724 / SP． J． 1087． 2012． 03482
0
引言
在无线传感器网络环境监测中 ， 由于传感器节点收集的
目的是为了提取有效的簇首 ， 能够在整体上 对数据进行预测， 更好地表示原始数据且减少对数据重复扫描的次数 ； 同时， 对 非簇首的数据进行子群划分 ； 通过对簇首特征数据提取并进 行传输， 以少量数据表现整个监测周期环境的状况 。 簇首选 在接收数据端不需要对数据进行解 取算法是一种有损压缩 ， 压缩， 从而达到对数据进行有效压缩及减少能量消耗的目的 。