基于压缩感知编码的地震仪无线自组网能效优化研究

Self-organizing data transmission network of wireless seismometers has enormous potential for deep exploration in complex surface environments, it could be effectively solved the problem of data transmission without network signal coverage. The “dead” node is due to high energy consumption of relay in the process of wireless seismic big-data transmission, which seriously limits the application in real-time exploration. To address this problem, this project studies the adaptive optimization problem of seismograph wireless ad hoc network with high energy efficiency based on discrete compressive sensing theory and network coding technology. The main research is to set up the measurement matrix model based on RIP characteristics in discrete compressed sensing. Energy efficiency of the total times of data sending and receiving during the compression network coding process based on stochastic geometric graph theory. The parameter matching problem of data merging mechanism and adapting relaying probability. The quantification problem of improving the energy efficiency between the total times of data transmission and reception and the network lifetime with the parameter changes of data acquisition and wireless transmission. The theoretical simulation and experiment would be used to verify and improve the self-adaptive optimization scheme of seismometers wireless ad hoc network. Finally, an energy-efficient seismometers wireless ad hoc data transmission network can be realized.

无线地震仪自组织数据传输网络能够有效解决在无网络信号覆盖情况下数据传输难的问题，应用于复杂地表环境的深部探测具有巨大潜力。随着地震勘探对实时性需求地增加，海量地震数据在无线传输过程中受中继转发高能耗的影响，导致“僵尸”节点出现，严重制约了其在野外施工勘探的应用。本项目针对这一问题，引入离散压缩感知理论，结合网络编码技术，研究地震仪无线自组网高能效的自适应优化问题。主要研究基于离散压缩感知中RIP特性的测量矩阵模型构建问题；基于随机几何图论的压缩网络编码过程中数据发送与接收总次数的能效问题；地震仪中继转发数据合并机理与自适应中继转发概率参数匹配问题；基于无线地震数据传输能耗模型的数据发送和接收总次数与网络生命时间二者关系随数据采集量、无线传输量变化的能效量化参考问题。通过理论仿真与实验测试对地震仪无线自组网的自适应优化方案进行验证、改进，最终实现可实际应用的高能效地震仪无线自组数据传输网络。

本项目突破国内外采用“端对端”或“集中式”地震数据传输的无线通信网络架构，利用异构网络长、短距离相融合的技术优势构建分布式无线自组多跳通信网络，创新性地引入离散压缩感知理论，基于地震数据空间域上的相关性与压缩感知可以降低测量数目的特性，通过降低数据传输过程中的数据发送次数和接收次数，研究分布式无线自组网络能效提升问题。首先，建立了无线地震仪数量、传输距离和自组网覆盖范围的测量矩阵模型，在测量矩阵满足受限等距（RIP）特性的约束下，获得了测量矩阵中任意M行以高概率满足线性独立的函数关系式。同时结合随机几何图论的边缘效应，研究了无线多跳自组网中的分布式地震数据发送次数与接收次数，推导了基于压缩网络编码的发送与接收总次数的数学表达式。之后进行了均衡数据传输的中继转发约束条件研究和自适应策略寻优，研究了地震仪中继转发数据合并机理与自适应中继转发概率参数匹配关系，提出了一套自适应分布式的高能效地震数据传输方案，并确定了参数整体方案。提出了分布式无线地震数据传输网络能耗量化参考方案：建立了地震数据采集量、无线传输量和网络生命时间的能耗模型，分析了数据发送和接收总次数与网络生命时间二者关系随数据采集量、传输量变化的能效量化值，与现有数据传输方案相比能效提升了8倍，有效地解决了中继转发地震仪能耗过高出现“僵尸”节点的问题，达到了本项目的指标要求。项目执行期间发表SCI论文8篇，EI会议论文1篇，授权国家发明专利3项。