無線傳感器網(wǎng)絡(luò)緊急數(shù)據(jù)實(shí)時融合策略

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)集數(shù)據(jù)的采集、傳輸、融合分析于一體，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、城市交通管理、軍事偵察等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)型網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理的要求不同[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸的實(shí)時性都有要求，如地震監(jiān)測、核污染、森林火災(zāi)監(jiān)測、戰(zhàn)場目標(biāo)追蹤等[3]。在這些應(yīng)用中，當(dāng)事件發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的緊急數(shù)據(jù)，這些緊急數(shù)據(jù)需要被及時、可靠地傳遞給監(jiān)測中心，以便監(jiān)測中心人員能迅速地作出判斷和反應(yīng)。

在大量緊急數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗和通信帶寬，減少網(wǎng)絡(luò)沖突，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。目前已有很多數(shù)據(jù)融合方面的研究[46]，但已有的這些研究大都基于固定時間周期的數(shù)據(jù)融合，對數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸考慮的不多，更沒有去關(guān)注突發(fā)性事件產(chǎn)生的大量緊急數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸問題。本文針對這類具有實(shí)時需求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提出一種基于緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先和自適應(yīng)控制的實(shí)時數(shù)據(jù)融合策略。

1 實(shí)時數(shù)據(jù)融合策略

文本以最常用的分簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行介紹。RDAUA策略的思想如下：

① 節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)語義和預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，在數(shù)據(jù)產(chǎn)生時進(jìn)行量化，然后將量化值發(fā)送給簇首，請求分配傳輸時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;

② 簇首根據(jù)接收到的簇內(nèi)成員請求傳輸數(shù)據(jù)的情況區(qū)分對待，分配傳輸時隙，保證緊急數(shù)據(jù)的優(yōu)先處理和及時傳輸;

③ 融合時，為了減少融合等待時間，可以根據(jù)簇內(nèi)成員預(yù)約傳輸數(shù)據(jù)的情況判斷出合適的融合時機(jī)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。

1.1 數(shù)據(jù)量化

針對突發(fā)性事件產(chǎn)生大量緊急數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)時作自適應(yīng)量化分級，以便分級高的數(shù)據(jù)能得到優(yōu)先處理。 RDAUA策略中，選取單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)的相對變化情況作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)變化越快，量化級別越高。設(shè)節(jié)點(diǎn)在ti時刻采集的數(shù)據(jù)位為di，在ti+1時刻采集的數(shù)據(jù)位為di+1，則數(shù)據(jù)級別可量化為：

然后，節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求，請求信息包中的數(shù)據(jù)項包括節(jié)點(diǎn)標(biāo)識ID、數(shù)據(jù)級別量化值e、數(shù)據(jù)的長度位數(shù)len等。

1.2 傳輸時隙分配

由于緊急數(shù)據(jù)的重要程度遠(yuǎn)大于一般數(shù)據(jù)，對實(shí)時性能的要求也很高，所以簇首在分配傳輸時隙的時候需要根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的請求情況按優(yōu)先級排隊，優(yōu)先級越高，分配的傳輸時隙越早。為此，每個簇的簇首需要維護(hù)一個成員表和一個時隙調(diào)度表。

成員表主要記錄成員節(jié)點(diǎn)在完成調(diào)度時的信息，表的內(nèi)容如圖1所示。其中，ID表示傳感器節(jié)點(diǎn)ID號，e表示傳感器成員節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的級別量化值，len表示成員節(jié)點(diǎn)申請傳輸數(shù)據(jù)的長度位數(shù)，t表示成員節(jié)點(diǎn)申請時間，Rf表示申請傳輸時隙標(biāo)記。

圖1 成員表的字段內(nèi)容格式

時隙調(diào)度表用于將分配好的時隙以及節(jié)點(diǎn)ID寫入該表，字段內(nèi)容如圖2所示。num表示該時隙的序列(即傳輸優(yōu)先級次序)，ID表示傳感器節(jié)點(diǎn)ID號，slot表示分配的時隙大小，info表示其他信息。

圖2 時隙調(diào)度表的字段內(nèi)容

非簇首節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，可向簇首發(fā)送一請求消息，要求在接下來的數(shù)據(jù)傳輸階段分配這個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時隙。簇首收到消息后，將該節(jié)點(diǎn)在成員表中的相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置。簇首分配各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時隙時，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的量化級別、數(shù)據(jù)量的大小，以及節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求的時間等，令：

然后按num的大小進(jìn)行排序，num越大優(yōu)先級越高，將各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先順序及分配時隙大小等信息寫入時隙調(diào)度表的各字段內(nèi)，并向簇內(nèi)成員發(fā)送。簇內(nèi)成員收到該消息后，按照分配的時隙向簇首傳輸數(shù)據(jù)。]

1.3 自適應(yīng)確定數(shù)據(jù)融合時機(jī)

由于簇首分配數(shù)據(jù)傳輸時隙時綜合考慮了數(shù)據(jù)緊急情況、數(shù)據(jù)量的大小、發(fā)生時間等，優(yōu)先級越高的數(shù)據(jù)越提前到達(dá)簇首。簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時，為了減少融合等待時間，可以將后面一些影響相對小的數(shù)據(jù)忽略不計，不等數(shù)據(jù)全部到達(dá)時就融合，動態(tài)調(diào)整融合等待時間。

設(shè)第i輪中申請傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)有n個，它們的量化級別分別是e1,e2,e3,…,en,在t時刻簇首已經(jīng)接收到m個數(shù)據(jù)，本算法規(guī)定：

① 當(dāng)t

即未到達(dá)數(shù)據(jù)的數(shù)量占總數(shù)據(jù)數(shù)量的百分比小于η，并且未達(dá)到數(shù)據(jù)的量化級別em+1小于ξ，則舍去剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以減少融合等待時間。式中，ξ,η為常數(shù)，可以根據(jù)經(jīng)驗或大量實(shí)驗數(shù)據(jù)獲得。

② 當(dāng)t=Twait時，立即進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。

本算法通過對數(shù)據(jù)緊急輕重、數(shù)據(jù)大小、產(chǎn)生時間等因素綜合考慮，按優(yōu)先順序分配傳輸時隙，融合時根據(jù)情況，自適應(yīng)靈活地確定融合時機(jī)，解決網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)時性問題。由于融合時舍去的是優(yōu)先級最低的數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)融合的精度較高。

2 仿真及其分析

使用NS2來進(jìn)行仿真模擬，評估了RDAUA的性能。模擬環(huán)境配置為：50個傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在400 m×400 m的區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)按照LEACH協(xié)議的思想形成相應(yīng)的簇，仿真時間為100 s,每個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一定數(shù)據(jù)位數(shù)的數(shù)據(jù)。Twait、ξ、η等常數(shù)分別取值為60 s、90%、1?235。算法主要分析了接收數(shù)據(jù)的延時、精度和量化級別這幾個參數(shù)。

圖3是Sink對接收數(shù)據(jù)的平均延時情況進(jìn)行統(tǒng)計對照的結(jié)果。從接收數(shù)據(jù)的延時看，應(yīng)用RDAUA策略對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時，延時比使用常規(guī)融合方法明顯降低,有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，從而保證用戶及時獲得突發(fā)事件并采取應(yīng)對措施。

圖3 接收數(shù)據(jù)平均延時情況

圖4是Sink對接收數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果對照情況。從接收數(shù)據(jù)精度結(jié)果看，應(yīng)用 RDAUA策略進(jìn)行融合，Sink所接收數(shù)據(jù)的精度比使用常規(guī)方法高。因為在 RDAUA算法中，節(jié)點(diǎn)融合時丟棄的都是優(yōu)先級最低的數(shù)據(jù)，它們對數(shù)據(jù)精度的影響最小，從而避免了因融合對數(shù)據(jù)精度的破壞。

圖4 接收數(shù)據(jù)的精度

圖5是Sink對接收數(shù)據(jù)的量化級別e的統(tǒng)計情況。從統(tǒng)計結(jié)果來看，利用常規(guī)方法融合時，量化級別很高的數(shù)據(jù)也有可能后到達(dá)，而利用 RDAUA融合策略則保證了一輪數(shù)據(jù)傳輸中，量化級別越高的數(shù)據(jù)越優(yōu)先到達(dá)，便于用戶及早了解突發(fā)事件情況，并采取應(yīng)對措施。

圖5 接收數(shù)據(jù)的量化級別情況比較

結(jié)語

應(yīng)用于地震監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測等的響應(yīng)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，會由于突發(fā)性事件產(chǎn)生大量的緊急數(shù)據(jù)，并且這些緊急數(shù)據(jù)對傳輸實(shí)時性要求很高。本文針對這種應(yīng)用提出了一種基于緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先和自適應(yīng)控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時數(shù)據(jù)融合策略RDAUA。策略中對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分級，并為分級高的數(shù)據(jù)優(yōu)先分配傳輸時隙進(jìn)行傳輸，融合時自適應(yīng)調(diào)整融合等待時間，保證將緊急數(shù)據(jù)迅速融合并傳輸給用戶。該策略有效地保證了緊急數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，減少了整個網(wǎng)絡(luò)的平均延時，且數(shù)據(jù)的融合精度較高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。