基于压缩感知的结构无线数据丢包补偿研究

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基于无线传感器网络的快速检测技术具有快速布设、成本低廉等优点,在结构健康检测领域得到了快速发展。然而,由于无线传输过程中存在丢包的现象,无线传感器网络的应用受到了一定程度的限制,其中基于压缩感知理论(Compressed Sensing, CS)的丢包补偿算法提供了一种新的研究方向。但是,基于压缩感知理论的丢包补偿算法所需嵌入节点的测量矩阵,在普通节点中较难实现,这制约了该丢包补偿算法在实际工程中的应用。因此,为解决测量矩阵在存储空间与运算时间等在无线嵌入式节点的具体实现问题,开展基于随机解调器(Random Demodulator, RD)的丢包补偿算法研究,具有重要的理论意义和实用价值。首先,提出了一种基于随机解调器的无线数据丢包补偿算法,通过随机解调器这种基于CS的压缩采样新机制,对测量矩阵的结构进行了一定的改变,使得在节点中同样嵌入n×n维测量矩阵的情况下,提出的算法占用存储空间降低到原来的1/n倍,运算时间降低到原来的k2/n (1≤k<<n倍,提高了运行效率的同时大大降低了存储空间,为应用到嵌入式节点奠定了基础;其次,为了实现土木工程结构的快速检测,进行了无线检测系统的整体架构设计,采用模块化设计方法研制了基于WiFi的无线传感器检测节点,并开发了内嵌丢包补偿算法的无线节点软件;最后,利用所开发的无线系统,在大连星海湾大桥吊装施工中进行了应用,对系统功能、丢包补偿算法进行了测试与验证。实验结果表明,无线系统能够完成对吊装过程的正常监测;与传统算法相比,改进的丢包补偿算法在一定程度上能够重构无线传输过程中丢失的数据,在重构效果相当的情况下,改进算法的时间复杂度和空间复杂度更低,更适合在实际的无线传感节点中嵌入式使用。总之,本文给出的基于随机解调器的丢包补偿算法对解决无线传感器网络的丢包问题具有重要参考价值,而基于上述算法所开发的快速无线检测系统,在结构健康检测领域具有广阔的应用前景。
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