CN103533000B

CN103533000B - 测量信号传输/重构方法、相应设备以及无线传感器网络

Info

Publication number: CN103533000B
Application number: CN201210231725.2A
Authority: CN
Inventors: 刘雨; 赖冠宏; 张永平; 王悦
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Nantong yunshangxiang home textile e-commerce Co., Ltd
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: CN103533000A

Abstract

本申请公开了一种测量信号传输/重构方法、相应设备以及无线传感器网络。其中，所述传输方法包括：接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号，其中，多个下级节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成第一测量信号；将第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号；与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号。通过上述方式，有效减少无线传感器网络内测量信号的传输时延。

Description

测量信号传输/重构方法、相应设备以及无线传感器网络

技术领域

本申请涉及网络技术领域，特别是涉及一种测量信号传输/重构方法、相应设备以及无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）是由具有感知、计算和通信能力的传感器以点对点方式构成的无线网络。无线传感器网络通过网络内传感器节点的分工协作可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息。其中，采样数据的传输是无线传感器网络的主要任务之一：由传感器节点将采样数据以无线传输的方式汇集到汇聚节点。

现有技术提供了一种传统的多跳方式传输方法，即下级节点将采样数据按多跳路径发送至上级节点，然后，上级节点再将采样数据按多跳路径转发至其上级节点，依此类推，直至到达汇聚节点。本申请发明人在长期研究中发现，在这种方案下，上级节点除了发送自身的采样数据外，还需转发下级节点的采样数据，从而导致靠近汇聚节点的传感器节点需要发送很多采样数据，导致该传感器节点的能量和资源很快被耗尽，进而使无线传感器网络失效。

为了解决上述问题，现有技术又提供了一种基于压缩感知的测量信号传输方法。下级节点利用采样数据的稀疏特性对采样数据进行压缩得到测量信号，其中，测量信号中包括M个元素。然后，下级节点按多跳的路径将测量信号发送至上级节点。上级节点将所有接收到的下级节点的测量信号进行加和，再将本身的采样数据进行压缩得到的测量信号进行加和得到同样包括M个元素的测量信号，最后按多跳路径将加和后的测量信号转发至其上级节点，依此类推，直至到达汇聚节点。本申请发明人在长期研发中还发现，在这种方案下，每个传感器节点都只需发送M个元素，但是，在现有方案下，上级节点必须先接收完其中一个下级节点的M个元素，再接收另一个下级节点的M个元素，直到所有的下级节点都传输完毕。以图1为例，节点a、节点b以及节点c都连接到同一个上级节点（节点d）上，为了避免无线碰撞和干扰，在时隙1，节点a首先将测量信号X1发送到节点d；然后，在时隙2，节点b将测量信号X2发送到节点d；最后，在时隙3，节点c将测量信号X3发送到节点d。在时隙4，节点d接收完节点a、节点b以及节点c所发送的测量信号X1、X2以及X3后，将测量信号X1、X2以及X3与本节点检测处理所得的测量信号X4进行加和。明显地，在这种传输方式下，对于拥有大量传感器节点的无线传感器网络，测量信号的传输将会存在较大的传输时延，影响系统的整体性能。同时，无线通信的多跳传输中，每一跳都会引入噪声，以节点d为例，在要完成X1、X2和X3接收的同时，会接收到3个时隙内的白噪声，又由于后续叠加操作，那么这3个时隙内的白噪声就被叠加到一起，这会造成汇聚节点的信号在重构时的性能下降。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种测量信号传输/重构方法、相应设备以及无线传感器网络实施方式，能够有效减少测量信号的传输时延。

为解决上述技术问题，本申请一方面提供了一种测量信号传输方法，包括如下步骤：接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号，其中，所述多个下级节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第一测量信号；将所述第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号；与连接到同一个上级节点的同级节点同时向所述上级节点发送第四测量信号。

其中，所述将第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和步骤包括：以本节点自身的标识作为种子产生多个随机数，并构成列向量，对应测量矩阵的相应列；将本节点采样得到的观测值与所述列向量乘积以得到第三测量信号。

其中，所述第四测量信号中包括多个元素，所述与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号步骤包括：依次发送所述第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向所述上级节点发送，其中，所述第四测量信号的元素的个数与所述随机数的个数相等。

本申请还提供一种测量信号重构方法，包括如下步骤：接收与本节点直接连接的多个传感器节点所形成的第五测量信号，其中，所述多个传感器节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第五测量信号；根据所述第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

其中，所述根据第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值步骤包括：根据第五测量信号利用测量矩阵重构本节点之下所有传感器节点的观测值，其中，所述测量矩阵为以本节点之下所有传感器节点的标识作为种子产生的多个随机数构成。

为解决上述技术问题，本申请另一方面提供了一种传感器节点，包括：第一接收模块，用于接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号，其中，所述多个下级节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第一测量信号；加和模块，用于将所述第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号；发送模块，用于与连接到同一个上级节点的同级节点同时向所述上级节点发送第四测量信号。

其中，所述传感器节点设置有标识，其中，所述标识在生成支撑树时进行设置。

其中，所述加和模块包括：随机数产生模块，用于以本节点自身的标识作为种子产生多个随机数，并构成列向量，对应测量矩阵的相应列；乘积模块，用于将本节点采样得到的观测值与所述列向量乘积以得到第三测量信号。

其中，所述发送模块进一步用于依次发送所述第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向所述上级节点发送，其中，所述第四测量信号的元素的个数与所述随机数的个数相等。

本申请还提供了一种汇聚节点，包括：第二接收模块，用于接收与本节点直接连接的多个传感器节点所形成的第五测量信号，其中，所述多个传感器节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第五测量信号；重构模块，用于根据所述第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

其中，所述重构模块进一步用于根据第五测量信号利用测量矩阵重构本节点之下所有传感器节点的观测值，其中，所述测量矩阵为以本节点之下所有传感器节点的标识作为种子产生的多个随机数构成。

为解决上述技术问题，本申请再一方面提供了一种无线传感器网络，包括汇聚节点和多个传感器节点，其中，所述传感器节点为如上述任一项的传感器节点。

其中，所述汇聚节点为上述任一项的汇聚节点。

本申请通过多个下级节点同时向接收节点发送测量信号，并在空中加和，使得接收节点能够在同一时间接收多个下级节点的测量信号，有效减少无线传感器网络内测量信号的传输时延。

并且，对于接收节点而言，减少接收测量信号的时间能有效减少接收测量信号中白噪声的总能量，进而降低白噪声对测量信号的干扰。

附图说明

图1是现有技术测量信号传输方法中同一个节点的多个下级节点传送测量信号的时序图；

图2是本申请无线传感器网络一实施方式的结构示意图；

图3是本申请测量信号传输方法一实施方式的流程图；

图4是本申请测量信号传输方法中同一个节点的多个下级节点传送测量信号的时序图；

图5是本申请测量信号传输方法另一实施方式的流程图；

图6是本申请测量信号重构方法一实施方式的流程图；

图7是本申请传感器节点一实施方式的结构示意图；

图8是本申请传感器节点另一实施方式的结构示意图；

图9是本申请汇聚节点一实施方式的结构示意图；

图10是测量信号包含的元素个数M固定为64而改变传感器节点的个数时，e-CS、传统-CS与非-CS传输方法完成传输过程所消耗的时隙数曲线图；

图11是传感器节点的个数固定为256而改变测量信号包含的元素个数时，e-CS与传统-CS传输方法完成传输过程所消耗的时隙数曲线图；

图12是信噪比在10~40的范围内时，e-CS、传统-CS与非-CS传输方法恢复性能的曲线图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透切理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

下面结合附图和实施方式进行详细说明。

压缩感知理论认为：对于一个N维观测值集合X，其中X∈R^N，R为实数集，如果存在正交基Ψ使得X在其上的投影系数Θ＝Ψ^-1X只有K个非零元素，且K<<N，那么则称观测值集合X为Ψ上的K-稀疏信号；对于K-稀疏信号，其压缩信号的过程只需要用满足约束等距性（RIP，Restricted Isometry Property）的测量矩阵Φ与观测值集合X相乘，即得到测量信号Y＝ΦX，其中，Φ为M×N的矩阵，M为矩阵的行数，N为矩阵的列数，测量信号Y∈R^M，且M<N。即得到的测量信号是以测量矩阵Φ中行元素为系数的观测值集合X的线性组合结果，可以写作其中x_i为观测值集合X的第i个观测值，y_j为测量信号Y的第j个元素，为测量矩阵Φ中第j行第i列的元素，i＝1,2,5,N，j＝1,2,5,M。特别地，观测值x_i对应测量矩阵Φ中的一个列向量，即测量矩阵中的第i列：Φ_i。

请参阅图2，图2为本申请适用的无线传感器网络的结构示意图，该无线传感器网络200包括多个传感器节点210以及至少一个汇聚节点220。其中，传感器节点210与汇聚节点220之间通过最小生成树的方式连接成无线传感器网络200。

其中，传感器节点210与汇聚节点220之间通过计算最优路径生成最小生成树，使得每个传感器节点210都可以找到一条最优的路径（即图中的箭头方向）将自身的数据发送到汇节点220。根据传感器节点210在最小生成树中的不同深度可以将传感器节点210划分到不同的等级，即，深度为1的传感器节点210被划分到第一等级，深度为2的传感器节点210被划分到第二等级，依次类推。以图2为例，节点15属于第一等级，节点14、10属于第二等级，节点13、12、9属于第三等级，节点11、8、5属于第四等级，节点7、6、4、2属于第五等级，节点1、3属于第六等级。其中，属于第一等级的节点称为属于第二等级的节点的上级节点，属于第二等级的节点称为属于第三等级的节点的上级节点，依此类推。反之，则称为下级节点。而所有将自身数据发送给汇聚节点220的传感器节点210都称为汇聚节点220之下的传感器节点210。

传感器节点210为具有感知、计算和通信能力的节点。比如，传感器节点210在检测到观测值后，可以通过压缩感知技术将观测值处理成测量信号，再沿着最小生成树的方向（即图中箭头的方向）将测量信号发送给汇聚节点220。通常，传感器节点210分布式设置在多个测量点上。

汇聚节点220具有将测量信号重构以恢复汇聚节点220之下各个传感器节点210的观测值的能力。汇聚节点220通常设置在监控区域，而且，汇聚节点220的数目通常为一个。

值得注意的是，传感器节点210通过压缩感知技术处理得到的测量信号通常包括多个元素，并且每个元素上都携带了本节点的观测值信息。同一个汇聚节点220之下的传感器节点210采用同一压缩感知算法，得到同样长度的测量信号，即所包含元素的个数相等。当下级节点将本节点的测量信号发送给上级节点，下级节点的测量信号可与上级节点的测量信号加和成新的测量信号。新的测量信号与原测量信号包含元素的个数相等，并且同时携带了本节点的观测值信息以及下级节点的观测值信息。因而，当汇聚节点220接收到测量信号后通过重构算法即可将汇聚节点220之下各个传感器节点210的观测值还原。

参阅图3，测量信号传输方法一实施方式包括如下步骤：

S301：传感器节点接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号。

如前所述，传感器节点在传输测量信号前已经通过最小生成树与其它传感器节点建立连接关系。传输时，与本节点直接连接的多个下级节点同时向传感器节点发送第二测量信号，多个下级节点所发送的第二测量信号在空中叠加，实现多个第二测量信号的加和以形成第一测量信号。

S302：传感器节点将第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和。

传感器节点进行采样获得观测值，然后再通过压缩感知技术将观测值处理成第三测量信号。在接收到第一测量信号后，传感器节点将第一测量信号与第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号。

S303：传感器节点与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号。

本节点的上级节点与其所有直接相连的下级节点通过协议约定同时发送测量信号。于是，传感器节点在计算得到第四测量信号后，在约定的时隙与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号。

值得注意的是，此后，本节点的上级节点重复上述步骤，直到所有汇聚节点之下的传感器节点完成了测量信号的传输。

为了方便比较，图4采用与图1一样的结构，即同样将节点a、节点b以及节点c都连接到同一个上级节点（节点d）上，在本方案下，在时隙1，节点a将自身的测量信号X1、节点b将自身的测量信号X2以及节点c将自身的测量信号X3同时发送到节点d。在时隙2，节点d接收完信号，这里所述信号是节点a、节点b以及节点c所发送的测量信号X1、X2以及X3的叠加信号，将测量信号X1、X2以及X3的叠加信号与本节点检测处理所得的测量信号X4进行加和。明显地，图4中所采用的方案能比图1中所采用的方案节省传输时间，当连接到同一上级节点的节点越多时，所节省的传输时间越多。

参阅图5，测量信号传输方法另一实施方式包括如下步骤：

S501：传感器节点接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号。

S502：传感器节点以本节点自身的标识作为种子产生多个随机数，并构成列向量，对应测量矩阵的相应列。

请一并参阅图2，在生成最小生成树的过程中，按照生成最小生成树的顺序给每个传感器节点110分配一个唯一的标识，例如：节点15所分配的标识即为15。以本节点自身的标识作为种子产生多个符合高斯分布或其它分布的随机数，并将这些随机数构成列向量，对应测量矩阵的相应列。特别地，以自身标识作为种子产生M个符合高斯分布或其它分布的随机数，构成列向量Φ_i，对应测量矩阵Φ的相应列，其中，传感器节点i为自身标识。

S503：传感器节点将本节点采样得到的观测值与列向量乘积以得到第三测量信号。

传感器节点进行采样得到一个观测值，然后将观测值与列向量乘积得到第三测量信号。值得注意的是，如果列向量包含多个元素，则第三测量信号同样包含多个元素，相应地，同一汇聚节点之下的传感器节点都采用同一压缩感知算法，所以第一测量信号，第二测量信号也相应地包含多个元素。因此，第三测量信号的元素个数与随机数的个数相等。特别地，将观测值x_i与生成的M*1的列向量Φ_i乘积，得到M*1个元素x_iΦ_i的第三测量信号。

S504：传感器节点将第一测量信号与第三测量信号加和得到第四测量信号。

在接收到第一测量信号后，传感器节点将第一测量信号与第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号。因此，第四测量信号的元素个数与第三测量信号的元素个数相同，都与随机数的个数相等。特别地，第一测量信号Z_i是个由M个元素组成的列向量，在第一测量信号Z_i的基础上加上第三测量信号，即得M*1的Y_i＝Z_i+x_iΦ_i。

S505：传感器节点依次发送第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向上级节点发送。

因为同一汇聚节点下的传感器节点都采用同一压缩感知算法，因此，每个传感器节点的测量信号都包括相同个数的元素。传感器节点在发送第四测量信号中的第一个元素时，连接到同一个上级节点的同级节点同时发送测量信号中相应的第一个元素，同样地，传感器节点在发送第二个元素时，连接到同一个上级节点的同级节点同时发送测量信号中相应的第二个元素，依此类推，直到所有的元素发送完毕。因为，传感器节点利用一个共享的无线信道向同一个上级节点发射测量信号，发送的各个测量信号会在这个共享无线信道中实现加和，因此上级节点接收到的是各下级节点所发送的各个元素的加和结果。特别地，对于包含M个元素的第四测量信号，需要M个时隙将各个元素依次发送出去。

值得注意的是，减少接收测量信号的时间能有效减少接收测量信号中白噪声的总能量，进而降低了白噪声对测量信号的干扰。

参阅图6，本申请测量信号重构方法一实施方式包括如下步骤：

S601：汇聚节点接收与本节点直接连接的多个传感器节点所形成的第五测量信号。

通过上述的测量信号传输方法，各个传感器节点沿着最小生成树将测量信号传送至与汇聚节点直接连接的传感器节点。这些传感器节点同时发送第二测量信号，同样地，第二测量信号在空中加和形成第五测量信号，汇聚节点接收第五测量信号。

S602：汇聚节点根据第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

汇聚节点分别以本节点之下所有传感器节点的标识作为种子产生多个随机数。其中，每个标识将产生符合高斯分布或其它分布的随机数，而且，随机数的个数与测量信号所包含的元素的个数相等。将每个标识所产生的随机数作为测量矩阵的一个列，从而构成测量矩阵。汇聚节点接收到第五测量信号后，利用测量矩阵重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

值得注意的是，通过上述的步骤，汇聚节点可以通过测量矩阵，从测量信号中恢复节点之下所有传感器节点的观测值，无需进行信号的分离。

参阅图7，本申请传感器节点一实施方式包括：第一接收模块701、加和模块702以及发送模块703。

第一接收模块701用于接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号。比如，传输时，与本节点直接连接的多个下级节点同时向传感器节点发送第二测量信号，多个下级节点所发送的第二测量信号在空中叠加，实现多个第二测量信号的加和以形成第一测量信号。第一接收模块701相应接收第一测量信号。值得注意的是，第一接收模块701可以为印刷天线及其相应外围电路所组成的模块，也可以是金属棒状天线及其相应外围电路所组成的模块等等。

加和模块702用于将第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和。加和模块702接收第一接收模块701所传送的第一测量信号，以及接收采样处理模块（图未示）通过压缩感知算法计算得到的第三测量信号。加和模块702再将第一测量信号和第三测量信号进行加和，得到第四测量信号。

发送模块703用于与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号。比如，本节点的上级节点与其所有直接相连的下级节点通过协议约定同时发送测量信号。发送模块703在接收到加和模块702所传送的第四测量信号后，在约定的时隙与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号。值得注意的是，发送模块703可以为印刷天线及其相应外围电路所组成的模块，也可以是金属棒状天线及其相应外围电路所组成的模块等等。特别地，第一接收模块701和发送模块703也可是物理上的同一个模块，通过时分复用的方式进行复用。

参阅图8，本申请传感器节点另一实施方式包括：第一接收模块801、加和模块802以及发送模块803。

第一接收模块801与上述实施方式中的第一接收模块基本相同，为了陈述简便，此处不一一进行赘述。

加和模块802包括随机数产生模块8021及乘积模块8022。其中：

随机数产生模块8021用于以本节点自身的标识作为种子产生多个随机数，并构成列向量，对应测量矩阵的相应列。比如，在生成最小生成树的过程中，按照生成最小生成树的顺序，汇聚节点给传感器节点分配了一个唯一的标识。传感器节点根据这个标识将产生符合高斯分布或其它分布的随机数，而且，随机数的个数与测量信号所包含的元素的个数相等，然后，将这些随机数作为所述列向量。

乘积模块8022用于将本节点采样得到的观测值与所述列向量乘积以得到第三测量信号。比如：乘积模块8022在接收到上述列向量后，将本节点采样得到的一个观测值与所述列向量乘积，即可得到第三测量信号。值得注意的是，如果列向量包含多个元素，则第三测量信号同样包含多个元素，相应地，同一汇聚节点之下的传感器节点都采用同一压缩感知算法，所以第一测量信号，第二测量信号也相应地包含多个元素。

加和模块802还包括计算模块（图未示）用于将从第一接收模块801接收到的第一测量信号与第三测量信号的对应加和，以得到第四测量信号。

发送模块803用于依次发送第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向上级节点发送。比如，本节点的上级节点与其所有直接相连的下级节点通过协议约定同时发送测量信号。发送模块803在接收到加和模块所802传送的第四测量信号后，在约定的时隙依次发送第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向上级节点发送。具体地，传感器节点在发送第四测量信号中的第一个元素时，连接到同一个上级节点的同级节点同时发送测量信号中相应的第一个元素，同样地，传感器节点在发送第二个元素时，连接到同一个上级节点的同级节点同时发送测量信号中相应的第二个元素，依此类推，直到所有的元素发送完毕。因为，下级节点利用一个共享无线信道向同一个上级节点发射测量信号，这些信号会在这个共享无线信道中实现叠加，从而所发送的各个元素在空中即可实现加和。

值得注意的是，发送模块803可以为印刷天线及其相应外围电路所组成的模块，也可以是金属棒状天线及其相应外围电路所组成的模块等等。特别地，第一接收模块801和发送模块803也可是物理上的同一个模块，通过时分复用的方式进行复用。

参阅图9，本申请汇聚节点一实施方式包括：第二接收模块901以及重构模块902。

第二接收模块901用于接收与本节点直接连接的多个传感器节点所形成的第五测量信号。比如：各个传感器节点沿着最小生成树将测量信号传送至与汇聚节点直接连接的传感器节点。这些传感器节点同时发送第二测量信号，同样地，第二测量信号在空中加和形成第五测量信号，汇聚节点接收第五测量信号。值得注意的是，第二接收模块901可以为印刷天线及其相应外围电路所组成的模块，也可以是金属棒状天线及其相应外围电路所组成的模块等等。

重构模块902用于根据第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值。比如：汇聚节点分别以本节点之下所有传感器节点的标识作为种子产生多个随机数。其中，每个标识将产生符合高斯分布或其它分布的随机数，而且，随机数的个数与测量信号所包含的元素的个数相等。将每个标识所产生的随机数作为测量矩阵的一个列，从而构成测量矩阵。汇聚节点接收到第五测量信号后，利用测量矩阵重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

值得注意的是，重构模块902可以通过测量矩阵从测量信号中恢复节点之下所有传感器节点的观测值，无需进行信号的分离。

基于上述测量信号传输/重构方法及相应设备，本申请一实施例还提供了一种无线传感器网络，包括：汇聚节点和多个传感器节点，其中汇聚节点与传感器节点之间通过最小生成树构成无线传感器网络，所述无线传感器网络的具体网络结构可以参见图1及相关描述。

以无线传感器网络覆盖的区域为正方形区域，将N个传感器节点随机分布于该正方形区域之中，而汇聚节点位于正方形的中心位置的方式进行实验，实验的结果如下：

参阅图10，使得测量信号包含的元素个数M固定为64时，改变传感器节点N的个数，从而得到如背景技术所描述的传统的多跳方式数据传输方法（非-CS）、基于压缩感知的测量信号传输方法（传统-CS）及本申请的测量信号传输方法（e-CS）完成传输过程所消耗的时隙数曲线图。从图中可以知道，传统-CS方法随着传感器节点数目增多，所需的时隙数急剧增多；非-CS随着传感器节点数目增多，所需的时隙数也会逐渐增大；而本申请的e-CS方法随着传感器节点数目增多，所需的时隙数基本不变，稳定在一个较小值。

参阅图11，使得传感器节点N的个数固定为256时，改变测量信号包含的元素个数M，从而得到如背景技术所描述的传统-CS方法以及本申请的e-CS方法完成传输过程所消耗的时隙数曲线图。从图中可以知道，传统-CS方法随着测量信号包含的元素个数M的增大，所需的时隙数急剧增多；而本申请的e-CS方法随着测量信号包含的元素个数M的增大，所需的时隙数和缓增多，其增长的速率远远低于传统-CS方法。

参阅图12，图12为信噪比在10~40的范围内时，e-CS、传统-CS与非-CS传输方法恢复性能的曲线图。从图中可以看出，由于利用了e-CS的特性对同级节点同时传输，降低了噪声的影响，使得e-CS的抗噪性能优于传统-CS和非-CS。

本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器（processor）执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种测量信号传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号，其中，所述多个下级节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第一测量信号；

将所述第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号；

与连接到同一个上级节点的同级节点同时向所述上级节点发送第四测量信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和步骤包括：

以本节点自身的标识作为种子产生多个随机数，并构成列向量，对应测量矩阵的相应列；

将本节点采样得到的观测值与所述列向量乘积以得到第三测量信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第四测量信号中包括多个元素，所述与连接到同一个上级节点的同级节点同时向上级节点发送第四测量信号步骤包括：

依次发送所述第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向所述上级节点发送，其中，所述第四测量信号的元素的个数与所述随机数的个数相等。

4.一种测量信号重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

汇聚节点接收与本节点直接连接的多个传感器节点所形成的第五测量信号，其中，所述多个传感器节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第五测量信号；

根据所述第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值步骤包括：

根据第五测量信号利用测量矩阵重构本节点之下所有传感器节点的观测值，其中，所述测量矩阵为以本节点之下所有传感器节点的标识作为种子产生的多个随机数构成。

6.一种传感器节点，其特征在于，包括：

第一接收模块，用于接收与本节点直接连接的多个下级节点所形成的第一测量信号，其中，所述多个下级节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第一测量信号；

加和模块，用于将所述第一测量信号与本节点采样并处理而获得的第三测量信号进行加和，以获得第四测量信号；

发送模块，用于与连接到同一个上级节点的同级节点同时向所述上级节点发送第四测量信号。

7.根据权利要求6所述的节点，其特征在于，所述传感器节点设置有标识，其中，所述标识在生成支撑树时进行设置。

8.根据权利要求7所述的节点，其特征在于，所述加和模块包括：

随机数产生模块，用于以本节点自身的标识作为种子产生多个随机数，并构成列向量，对应测量矩阵的相应列；

乘积模块，用于将本节点采样得到的观测值与所述列向量乘积以得到第三测量信号。

9.根据权利要求8所述的节点，其特征在于，所述发送模块进一步用于依次发送所述第四测量信号中的多个元素，使得每个元素与连接到同一个上级节点的同级节点的相应元素同时向所述上级节点发送，其中，所述第四测量信号的元素的个数与所述随机数的个数相等。

10.一种汇聚节点，其特征在于，包括：

第二接收模块，用于接收与本节点直接连接的多个传感器节点所形成的第五测量信号，其中，所述多个传感器节点同时发送的第二测量信号在空中加和形成所述第五测量信号；

重构模块，用于根据所述第五测量信号重构本节点之下所有传感器节点的观测值。

11.根据权利要求10所述的节点，其特征在于，所述重构模块进一步用于根据第五测量信号利用测量矩阵重构本节点之下所有传感器节点的观测值，其中，所述测量矩阵为以本节点之下所有传感器节点的标识作为种子产生的多个随机数构成。

12.一种无线传感器网络，其特征在于，包括汇聚节点和多个传感器节点，其中，所述传感器节点为如权利要求6-9中任一项的传感器节点。

13.根据权利要求12所述的网络，其特征在于，所述汇聚节点为权利要求10-11中任一项的汇聚节点。