無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )緊急數據實(shí)時(shí)融合策略

引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)集數據的采集、傳輸、融合分析于一體，在環(huán)境監測、醫療監護、城市交通管理、軍事偵察等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景[1]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是應用相關(guān)型網(wǎng)絡(luò )，不同的應用對數據處理的要求不同[2]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的很多應用對數據傳輸的實(shí)時(shí)性都有要求，如地震監測、核污染、森林火災監測、戰場(chǎng)目標追蹤等[3]。在這些應用中，當事件發(fā)生時(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的緊急數據，這些緊急數據需要被及時(shí)、可靠地傳遞給監測中心，以便監測中心人員能迅速地作出判斷和反應。

在大量緊急數據傳輸的過(guò)程中，為了節約網(wǎng)絡(luò )能耗和通信帶寬，減少網(wǎng)絡(luò )沖突，需要對數據進(jìn)行融合。目前已有很多數據融合方面的研究[46]，但已有的這些研究大都基于固定時(shí)間周期的數據融合，對數據的實(shí)時(shí)性傳輸考慮的不多，更沒(méi)有去關(guān)注突發(fā)性事件產(chǎn)生的大量緊急數據的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。本文針對這類(lèi)具有實(shí)時(shí)需求的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用，提出一種基于緊急數據優(yōu)先和自適應控制的實(shí)時(shí)數據融合策略。

1 實(shí)時(shí)數據融合策略

文本以最常用的分簇型拓撲結構的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為例進(jìn)行介紹。RDAUA策略的思想如下：

① 節點(diǎn)根據數據語(yǔ)義和預先設定的規則，在數據產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行量化，然后將量化值發(fā)送給簇首，請求分配傳輸時(shí)隙進(jìn)行數據傳輸;

② 簇首根據接收到的簇內成員請求傳輸數據的情況區分對待，分配傳輸時(shí)隙，保證緊急數據的優(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，可以根據簇內成員預約傳輸數據的情況判斷出合適的融合時(shí)機，保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性。

1.1 數據量化

針對突發(fā)性事件產(chǎn)生大量緊急數據的特點(diǎn)，在節點(diǎn)獲得數據時(shí)作自適應量化分級，以便分級高的數據能得到優(yōu)先處理。 RDAUA策略中，選取單位時(shí)間內數據的相對變化情況作為衡量標準，數據變化越快，量化級別越高。設節點(diǎn)在ti時(shí)刻采集的數據位為di，在ti+1時(shí)刻采集的數據位為di+1，則數據級別可量化為：

然后，節點(diǎn)向簇首發(fā)送數據傳輸請求，請求信息包中的數據項包括節點(diǎn)標識ID、數據級別量化值e、數據的長(cháng)度位數len等。

1.2 傳輸時(shí)隙分配

由于緊急數據的重要程度遠大于一般數據，對實(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)候需要根據簇內節點(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(shí)隙越早。為此，每個(gè)簇的簇首需要維護一個(gè)成員表和一個(gè)時(shí)隙調度表。

成員表主要記錄成員節點(diǎn)在完成調度時(shí)的信息，表的內容如圖1所示。其中，ID表示傳感器節點(diǎn)ID號，e表示傳感器成員節點(diǎn)傳輸數據的級別量化值，len表示成員節點(diǎn)申請傳輸數據的長(cháng)度位數，t表示成員節點(diǎn)申請時(shí)間，Rf表示申請傳輸時(shí)隙標記。

圖1 成員表的字段內容格式

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

圖2 時(shí)隙調度表的字段內容

非簇首節點(diǎn)如果有數據發(fā)送，可向簇首發(fā)送一請求消息，要求在接下來(lái)的數據傳輸階段分配這個(gè)節點(diǎn)的數據時(shí)隙。簇首收到消息后，將該節點(diǎn)在成員表中的相應位進(jìn)行設置。簇首分配各節點(diǎn)數據傳輸時(shí)隙時(shí)，綜合考慮節點(diǎn)的量化級別、數據量的大小，以及節點(diǎn)發(fā)出請求的時(shí)間等，令：

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

1.3 自適應確定數據融合時(shí)機

由于簇首分配數據傳輸時(shí)隙時(shí)綜合考慮了數據緊急情況、數據量的大小、發(fā)生時(shí)間等，優(yōu)先級越高的數據越提前到達簇首。簇首進(jìn)行數據融合時(shí)，為了減少融合等待時(shí)間，可以將后面一些影響相對小的數據忽略不計，不等數據全部到達時(shí)就融合，動(dòng)態(tài)調整融合等待時(shí)間。

設第i輪中申請傳輸數據的節點(diǎn)有n個(gè)，它們的量化級別分別是e1,e2,e3,…,en,在t時(shí)刻簇首已經(jīng)接收到m個(gè)數據，本算法規定：

① 當t

即未到達數據的數量占總數據數量的百分比小于η，并且未達到數據的量化級別em+1小于ξ，則舍去剩余數據進(jìn)行數據融合，以減少融合等待時(shí)間。式中，ξ,η為常數，可以根據經(jīng)驗或大量實(shí)驗數據獲得。

② 當t=Twait時(shí)，立即進(jìn)行數據融合，保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性。

本算法通過(guò)對數據緊急輕重、數據大小、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)根據情況，自適應靈活地確定融合時(shí)機，解決網(wǎng)絡(luò )中突發(fā)產(chǎn)生的大量數據的傳輸實(shí)時(shí)性問(wèn)題。由于融合時(shí)舍去的是優(yōu)先級最低的數據，所以數據融合的精度較高。

2 仿真及其分析

使用NS2來(lái)進(jìn)行仿真模擬，評估了RDAUA的性能。模擬環(huán)境配置為：50個(gè)傳感器節點(diǎn)隨機分布在400 m×400 m的區域內，節點(diǎn)按照LEACH協(xié)議的思想形成相應的簇，仿真時(shí)間為100 s,每個(gè)節點(diǎn)隨機產(chǎn)生一定數據位數的數據。Twait、ξ、η等常數分別取值為60 s、90%、1235。算法主要分析了接收數據的延時(shí)、精度和量化級別這幾個(gè)參數。

圖3是Sink對接收數據的平均延時(shí)情況進(jìn)行統計對照的結果。從接收數據的延時(shí)看，應用RDAUA策略對數據進(jìn)行融合時(shí)，延時(shí)比使用常規融合方法明顯降低,有效提高了數據傳輸的實(shí)時(shí)性，從而保證用戶(hù)及時(shí)獲得突發(fā)事件并采取應對措施。