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基于混合压缩感知的分簇式网络数据收集方法

更新时间：2019-12-30 10:17:20 大小：1M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：混合压缩感知网络数据收集 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为了减少分簇式传感器网络中的数据传输量并均衡网络负载,提出了一种采用混合压缩感知(compressive sensing,CS)进行数据收集的方法.1)选取各临时簇中距离簇质心最近的一些节点为候选簇头节点,然后依据已确定的簇头节点到未确定的候选簇头节点的距离依次确定簇头;2)各普通节点选择加入距离自己最近的簇中;3)贪婪构建一棵以Sink节点为根节点并连接所有簇头节点的数据传输树,对数据传输量高于门限值的节点使用CS压缩数据传输.仿真结果表明:当压缩比率为10时,数据传输量比Clustering without CS和SPT without CS分别减少了75%和65%,比SPT with Hybrid CS和Clustering with Hybrid CS分别减少了35%和20%;节点数据传输量标准差比Clustering without CS和SPT without CS分别减少了62%和81%,比SPT with Hybrid CS和Clustering with Hybrid CS分别减少了41%和19%.


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基于混合压缩感知的分簇式网络数据收集方法.pdf 1M

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：
ＤＯＩ１０．７５４４ｉｓｓｎ１０００１２３９ ．２０１７ ．２０１５０８８５  
－
计 算 机 研 究 与 发 展  
?
（）： ，  
５４３ ４９３５０１ ２０１７  
－
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍ ｕｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏ ｍｅｎｔ  
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基于混合压缩感知的分簇式网络数据收集方法  
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１２３  
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１３  
，
１３  
４
李哲涛  
臧
浪
田淑娟  
李仁发  
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１
（
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湘潭大学信息工程学院 湖南湘潭  
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４１１１０５  
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２
３
４
（
（
江苏省无线传感网高技术研究重点实验室 南京邮电大学  
）
）
２１０００３  
南京  
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（ （  
智能计算与信息处理教育部重点实验室 湘潭大学  
）
）
４１１１０５  
湖南湘潭  
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（
）
湖南大学信息科学与工程学院 长沙  
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４１００８２  
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（
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ｓｔｉａｎｗｏｒｋ ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ  
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＠
ＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｉｎＣｌｕｓｔｅｒｉｎ ＮｅｔｗｏｒｋＢａｓｅｄｏｎＨｂｒｉｄＣｏｍｒｅｓｓｉｖｅＳｅｎｓｉｎ  
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１２３  
，
１３  
，
１３  
４
，
，
，
ＴｉａｎＳｈｕｕａｎ ａｎｄＬｉＲｅｎｆａ  
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ＬｉＺｈｅｔａｏ  
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Ｚａｎ Ｌａｎ  
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１
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Ｃｏｌｌｅｅｏ Ｉｎ ｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ＸｉａｎｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｘｉａｎｔａｎ Ｈｕｎａｎ４１１１０５  
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２
３
４
（
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ＪｉａｎｓｕＨｉｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｋｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏｒ ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｎａｎｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏ Ｐｏｓｔｓａｎｄ  
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Ｔｅｌｅｃｏｍｍｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｎａｎｉｎ ２１０００３  
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）
（
（
），  
，
Ｋｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏ ＩｎｔｅｌｌｉｅｎｔＣｏｍ ｕｔｉｎ ＆ Ｉｎ ｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎ  
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ＸｉａｎｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ  
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Ｍｉｎｉｓｔｒ ｏ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ  
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Ｘｉａｎｔａｎ Ｈｕｎａｎ４１１１０５  
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（
，
，
）
Ｓｃｈｏｏｌｏ Ｉｎ ｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｃｈａｎｓｈａ４１００８２  
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓａｎｄｂａｌａｎｃｅｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌｏａｄｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ  
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，
（ ）  
ｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ ｔｈｉｓ ａｅｒ ｒｅｓｅｎｔｓａｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂ ｕｓｉｎ ｈｂｒｉｄｃｏｍ ｒｅｓｓｉｖｅｓｅｎｓｉｎ ｃｓ  
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ｉｎｃｌｕｓｔｅｒｉｎ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｆｉｒｓｔｌ ｗｅｃｈｏｏｓｅｓｏｍｅｎｏｄｅｓｔｈａｔａｒｅｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｔｅｍ ｏｒａｒ ｃｌｕｓｔｅｒｃｅｎｔｒｏｉｄａｓ  
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（ ），  
ｔｈｅｃａｎｄｉｄａｔｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄ ＣＨ ｓｅｃｏｎｄｌ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅＣＨｎｏｄｅｓｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅ  
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ｃａｎｄｉｄａｔｅｎｏｄｅｓｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄＣＨｏｒｄｅｒｌ ．Ｔｈｅｎｔｈｅｃｏｍｍｏｎｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓｏｉｎｔｈｅｉｒｎｅａｒｅｓｔｃｌｕｓｔｅｒ．  
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Ｌａｓｔｌ ｗｅｂｕｉｌｄａｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｒｅｅｒｏｏｔｏｆｓｉｎｋｎｏｄｅｔｈａｔｃｏｎｎｅｃｔｓｔｏａｌｌＣＨｓ ｒｅｅｄ ．Ｗｈｅｎｔｈｅ  
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ｎｕｍｂｅｒｏｆｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｉｓｈｉｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｎｏｄｅｓｔｒａｎｓｍｉｔｄａｔａｂ ｕｓｉｎ ＣＳ．Ｏｎ  
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ｓｃｅｎａｒｉｏｓｏｆｃｏｍ ｒｅｓｓｉｖｅｒａｔｉｏｅｕａｌｓ１０ ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆ  
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ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅ ｒｏｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓ７５％ ａｎｄ６５％ｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆＣｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈｏｕｔＣＳａｎｄ  
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，
ＳＰＴｗｉｔｈｏｕｔＣＳ ３５％ ａｎｄ２０％ ｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆＳＰＴ ｗｉｔｈ Ｈ ｂｒｉｄＣＳａｎｄＣｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈ Ｈ ｂｒｉｄ  
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；
ＣＳ Ｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｎｏｄｅｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅ ｒｏｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓ６２％ａｎｄ８１％ｌｅｓｓｔｈａｎ  
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，
ｔｈａｔｏｆＣｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈｏｕｔＣＳａｎｄＳＰＴｗｉｔｈｏｕｔＣＳ ４１％ａｎｄ１９％ｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆＳＰＴｗｉｔｈＨ ｂｒｉｄ  
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ＣＳａｎｄＣｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈＨ ｂｒｉｄＣＳ．  
ｇ
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ꢀ
（ ）； ； ；  
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ ＷＳＮ ｃｏｍ ｒｅｓｓｉｖｅｓｅｎｓｉｎ ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎ ｎｅｔｗｏｒｋ  
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；
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ｙ
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ｌｏａｄｂａｌａｎｃｅ  
ꢀ
：
；
：
修回日期  
２０１６ ０４ １１  
收稿日期  
－ －  
２０１５ ０９ ２８  
－
－
ꢀ
：
基金项目 国家自然科学基金项目  
（
， ， ，  
６１３７９１１５６１１１０２１５６１３７２０４９６１６０２３９８  
）；  
湖南省自然科学基金项目  
（ ， ， ）；  
江苏  
２０１５ＪＪ４０４７１２ＪＪ９０２１１３ＪＪ８００６  
ꢀ
（
）；  
湖南省重点学科建设基金项目  
省无线传感网高技术研究重点实验室开发课题  
ＷＳＮＬＢＫＦ２０１５０１  
（ ， ， ， ），  
Ｔｈｉｓｗｏｒｋｗａｓｓｕ ｏｒｔｅｄｂ ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ ６１３７９１１５ ６１１１０２１５ ６１３７２０４９ ６１６０２３９８ ｔｈｅ  
ꢀ
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ꢀ
（
，
，
ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ ２０１５ＪＪ４０４７ １２ＪＪ９０２１ １３ＪＪ８００６ ｔｈｅＫｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏｆＪｉａｎｓｕＨｉｈ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ｙ ꢀ ｇ  
），  
ꢀ
ꢀ
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ｙ
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ｇ
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（ ），  
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒ ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＷＳＮＬＢＫＦ２０１５０１ ａｎｄｔｈｅ Ｋｅ ＳｕｂｅｃｔｓＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆ  
ｊ
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ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ．  
ꢀ
：
通信作者 田淑娟  
（
）
ｓｔｉａｎｗｏｒｋ ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ｊ ＠  
ꢀ
，
（）  
２０１７ ５４３  
ꢀ
计算机研究与发展  
４９４  
，
为了减少分簇式传感器网络中的数据传输量并均衡网络负载 提出了一种采用混合压缩感知  
摘
要
ꢀ
ꢀ
（
，
ｇ
）
进行数据收集的方法  
ｃｏｍ ｒｅｓｓｉｖｅｓｅｎｓｉｎ ＣＳ  
）
选取各临时簇中距离簇质心最近的一些节点为候  
．１  
ｐ
ꢀ
，
选簇头节点 然后依据已确定的簇头节点到未确定的候选簇头节点的距离依次确定簇头  
；）  
各普通节点  
２
；）  
贪婪构建一棵以  
３
选择加入距离自己最近的簇中  
节点为根节点并连接所有簇头节点的数据传输  
Ｓｉｎｋ  
，
树 对数据传输量高于门限值的节点使用  
：
压缩数据传输 仿真结果表明 当压缩比率为  
．
，
时 数据  
１０  
ＣＳ  
，
比
７５％ ６５％ ＳＰＴｗｉｔｈＨ ｂｒｉｄＣＳ  
ꢀｙ  
传输量比  
和
Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈｏｕｔＣＳ ＳＰＴｗｉｔｈｏｕｔＣＳ  
ꢀ
分别减少了  
和
ｇ
ꢀ
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ꢀ
；
节点数据传输量标准差比  
３５％ ２０％ Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈｏｕｔ  
和
分别减少了  
和
Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈＨ ｂｒｉｄＣＳ  
ｇ
ꢀｙ ꢀ  
ꢀ
ｇ
ꢀ
，
比
和
ＣＳ ＳＰＴｗｉｔｈｏｕｔＣＳ  
ꢀ
分别减少了  
和
６２％ ８１％  
和
ＳＰＴｗｉｔｈＨ ｂｒｉｄＣＳ Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎ ｗｉｔｈＨ ｂｒｉｄＣＳ  
ꢀｙ ꢀｙ  
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ꢀ
分别减少了  
和
４１％ １９％．  
； ； ； ；  
无线传感器网络 压缩感知 数据收集 分簇网络 负载均衡  
关键词  
ꢀ
中图法分类号  
ＴＰ３９３  
ꢀ
（
，
，
对节点数据进行处理后 每个节点需要传递  
Ｍ
无 线 传 感 器 网 络  
ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ  
ꢀ ꢀ  
ＣＳ  
ꢀꢀ  
）
一般由大量能量受限的传感器节点与若干个  
ＷＳＮ  
，
个数据包 也 就 是 说  
个 节 点 的 网 络 中 需 要 传 递  
Ｎ
， ，  
基站组成 分簇式网络结构能有效消除数据冗余 减  
，
个数据包 这仍然是一个很大的数值 文献  
．
Ｍ ×Ｎ  
， 、  
少数据通信量与通信距离 具有可扩展性强 负载均  
［，］ ，  
提出了混合式压缩感知方法 距离  
６８  
节点  
Ｓｉｎｋ  
、
衡 鲁棒性强等特点 在  
．
，
中 节点间的通信是  
，
远的叶子节点传递原始数据 而距离  
节点近的  
ＷＳＮ  
Ｓｉｎｋ  
［］  
１
节点能量损耗的主要原因  
中存在感知数据  
节点使用压缩感知技术进行数据压缩 以上方法都  
．
．ＷＳＮ  
，
流不均衡导致部分节点过早死亡的情况 在保证传  
，
用在路由树中 分簇式结构相比于树型结  
是将  
ＣＳ  
［
］
１１１２  
－
，
输数据质量的前提下 如何减少数据传输的能量消  
构而言具有鲁棒性强与网络负载均衡等优势  
．
耗以及均衡网络节点负载对延长网络的生命周期有  
鲁棒性更强是因为即使簇内节点由于物理因素意外  
重要的意义  
，
死亡 对网络拓扑结构影响不大 均衡负载是因为分  
．
．
［
］
２４  
－
）
ｃｏｍｒｅｓｓｉｖｅｓｅｎｓｉｎ ＣＳ  
，
近年来 压缩感知  
（
，
ｇ
，
簇网络中节点数量能够均衡 可以缓解树型网络中  
ｐ
ꢀ
，
的瓶颈效应 但是 上述方法都忽视了网络的地理位  
．
技术的发展为无线传感器网络数据收集技术带来了  
［
］
５９  
－
： ，  
置与节点的分布状况 研究表明 在传感器网络中  
．
革命性的突破  
可以在远低于奈奎斯特采样  
．ＣＳ  
，
速率的条件下完成对数据信息的采集 从而减少网  
根据节点的分布状况设计收集算法可以减少数据的  
［ ］  
１２  
， ，  
络的数据传输量 降低网络能量消耗 延长网络的生  
［ ］  
文献 提出了一种分簇式传感网络中  
． １３  
传输量  
命周期 假定网络由 节点与 个感知节  
个
，
技术进行数据收集的方法 簇内不使  
采用混合  
．
１
Ｓｉｎｋ  
个元素的向量 表示网  
Ｎ
Ｎ
ＣＳ  
，
点构成 设  
． ｘ  
是
个具有  
，
进行数据传递 而在簇间使用  
用
进行数据传  
ＣＳ  
１
ＣＳ  
，
络收集的数据 则每个元素对应 个传感器节点收  
１
递 通过最小化簇内传输消耗有效地减少了数据传  
．
，
，
其中  
ｘ＝ ｓ  
，
ψ
集到的数据 将 进行稀疏化处理  
． ｘ  
，
输量 但该方法未考虑大规模网络中靠近簇头的节  
ψ
，
的变换基 是系数向量 如果系数向  
ｓ ．  
是
个
，
点以及连通度大的节点的巨大负荷 网络负载不均  
１
Ｎ×Ｎ  
（
ｋ Ｎ  
），  
则称 在  
ｘ
量
ｓ
仅仅含有 个非零元素  
ｋ
域
，
衡 同时忽视了簇间传输跳数对数据传输量造成的  
ψ
， ，  
上是 稀疏的 当 很小时 根据压缩感知理论 仅  
． ｋ  
影响  
ｋ
－
．
需传输信号向量  
的
个观测值组成的向量  
至
ｙ
，
分簇式网络中 由于簇头节点需要融合和转发  
ｘ
Ｍ
，
ｙ
，
是一  
＝ ｘ  
   
节点即可实现信息传输的目的  
，
大量数据 故减少用于簇间传输的拓扑跳数与数据  
Ｓｉｎｋ  
（
Ｍ ×Ｎ Ｍ  
）
的随机矩阵  
个
节点收集到测  
Ｎ
．Ｓｉｎｋ  
量对延长网络的生命周期具有重要的影响 本文通  
．
，
量值 后 可以通过求解一个 －范数优化问题或者  
ｌ
过考虑已确定的簇头节点到未确定的候选簇头节点  
ｙ
１
［ ］  
１０  
，
间的距离 依次选择距离父簇头节点最短的候选簇  
如
的启发式算法就能重构原始数据信号  
ＯＭＰ  
ｘ．  
，
在基于树的数据收集方法中 距离  
，
头节点为子簇头节点 以此优化网络中的簇头选择  
节点远  
Ｓｉｎｋ  
，
的叶子节点需要传递较少的数据包 而距离  
，
机制 在牺牲少量簇内传输量的前提下迅速降低簇  
节
Ｓｉｎｋ  
，
点近的节点需要 传 递 较 多 的 数据包 然 而 在采 用  
．
间的传输量 贪婪构建 棵以 节点为根节点并  
． １ Ｓｉｎｋ  

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