無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)緊急數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合策略

引言

無(wú)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(cè)、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(wú)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(duì)數(shù)據(jù)處理的要求不同[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸的實(shí)時(shí)性都有要求，如地震監(jiān)測(cè)、核污染、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)追蹤等[3]。在這些應(yīng)用中，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，會(huì)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(shí)、可靠地傳遞給監(jiān)測(cè)中心，以便監(jiān)測(cè)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^(guò)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(duì)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(shí)間周期的數(shù)據(jù)融合，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)傳輸問(wèn)題。本文針對(duì)這類具有實(shí)時(shí)需求的無(wú)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(shí)數(shù)據(jù)融合策略。

1 實(shí)時(shí)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(wú)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(yǔ)義和預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，在數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行量化，然后將量化值發(fā)送給簇首，請(qǐng)求分配傳輸時(shí)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(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)的情況區(qū)分對(duì)待，分配傳輸時(shí)隙，保證緊急數(shù)據(jù)的優(yōu)先處理和及時(shí)傳輸;

③ 融合時(shí)，為了減少融合等待時(shí)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(shí)機(jī)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

1.1 數(shù)據(jù)量化

針對(duì)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(shí)作自適應(yīng)量化分級(jí)，以便分級(jí)高的數(shù)據(jù)能得到優(yōu)先處理。 RDAUA策略中，選取單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的相對(duì)變化情況作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)變化越快，量化級(jí)別越高。設(shè)節(jié)點(diǎn)在ti時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)位為di，在ti+1時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)位為di+1，則數(shù)據(jù)級(jí)別可量化為：

然后，節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，請(qǐng)求信息包中的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)ID、數(shù)據(jù)級(jí)別量化值e、數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度位數(shù)len等。

1.2 傳輸時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)性能的要求也很高，所以簇首在分配傳輸時(shí)隙的時(shí)候需要根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求情況按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，優(yōu)先級(jí)越高，分配的傳輸時(shí)隙越早。為此，每個(gè)簇的簇首需要維護(hù)一個(gè)成員表和一個(gè)時(shí)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(shí)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(hào)，e表示傳感器成員節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的級(jí)別量化值，len表示成員節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度位數(shù)，t表示成員節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)時(shí)間，Rf表示申請(qǐng)傳輸時(shí)隙標(biāo)記。

圖1 成員表的字段內(nèi)容格式

時(shí)隙調(diào)度表用于將分配好的時(shí)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(shí)隙的序列(即傳輸優(yōu)先級(jí)次序)，ID表示傳感器節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，slot表示分配的時(shí)隙大小，info表示其他信息。

圖2 時(shí)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(qǐng)求消息，要求在接下來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸階段分配這個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)隙時(shí)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的量化級(jí)別、數(shù)據(jù)量的大小，以及節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求的時(shí)間等，令：

然后按num的大小進(jìn)行排序，num越大優(yōu)先級(jí)越高，將各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先順序及分配時(shí)隙大小等信息寫入時(shí)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(shí)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(shí)機(jī)

由于簇首分配數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙時(shí)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(shí)間等，優(yōu)先級(jí)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(shí)，為了減少融合等待時(shí)間，可以將后面一些影響相對(duì)小的數(shù)據(jù)忽略不計(jì)，不等數(shù)據(jù)全部到達(dá)時(shí)就融合，動(dòng)態(tài)調(diào)整融合等待時(shí)間。

設(shè)第i輪中申請(qǐng)傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)有n個(gè)，它們的量化級(jí)別分別是e1,e2,e3,…,en,在t時(shí)刻簇首已經(jīng)接收到m個(gè)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(jí)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(shí)間。式中，ξ,η為常數(shù)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

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

本算法通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)緊急輕重、數(shù)據(jù)大小、產(chǎn)生時(shí)間等因素綜合考慮，按優(yōu)先順序分配傳輸時(shí)隙，融合時(shí)根據(jù)情況，自適應(yīng)靈活地確定融合時(shí)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(shí)性問(wèn)題。由于融合時(shí)舍去的是優(yōu)先級(jí)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(lái)進(jìn)行仿真模擬，評(píng)估了RDAUA的性能。模擬環(huán)境配置為：50個(gè)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(shí)間為100 s,每個(gè)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(shí)、精度和量化級(jí)別這幾個(gè)參數(shù)。

圖3是Sink對(duì)接收數(shù)據(jù)的平均延時(shí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)照的結(jié)果。從接收數(shù)據(jù)的延時(shí)看，應(yīng)用RDAUA策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，延時(shí)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(shí)性，從而保證用戶及時(shí)獲得突發(fā)事件并采取應(yīng)對(duì)措施。

圖3 接收數(shù)據(jù)平均延時(shí)情況

圖4是Sink對(duì)接收數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果對(duì)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?yàn)樵? RDAUA算法中，節(jié)點(diǎn)融合時(shí)丟棄的都是優(yōu)先級(jí)最低的數(shù)據(jù)，它們對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響最小，從而避免了因融合對(duì)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(duì)接收數(shù)據(jù)的量化級(jí)別e的統(tǒng)計(jì)情況。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，利用常規(guī)方法融合時(shí)，量化級(jí)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(jí)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(duì)措施。

圖5 接收數(shù)據(jù)的量化級(jí)別情況比較

結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等的響應(yīng)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，會(huì)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(duì)傳輸實(shí)時(shí)性要求很高。本文針對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合策略RDAUA。策略中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分級(jí)，并為分級(jí)高的數(shù)據(jù)優(yōu)先分配傳輸時(shí)隙進(jìn)行傳輸，融合時(shí)自適應(yīng)調(diào)整融合等待時(shí)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(shí)處理，減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均延時(shí)，且數(shù)據(jù)的融合精度較高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。