無線傳感器網(wǎng)絡中新型的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制

（湖南科技大學 計算機科學與工程學院， 湖南 湘潭 411201）

摘要：大部分現(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合策略都會給網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸造成很大的延遲，影響網(wǎng)絡的精確性。為此，提出了一種新型的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時控制機制。它將網(wǎng)絡中感應數(shù)據(jù)劃分為實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)，通過對不同數(shù)據(jù)采用的區(qū)分服務，對節(jié)點的融合定時時間進行合理配置，取得了網(wǎng)絡能量利用效率與數(shù)據(jù)精確性之間的良好折中。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)融合；定時；實時

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)11-3421-03

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New in-network data aggregation timing mechanism in wireless sensor networks

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ZHOU Xin-lian，XIE Hui

（School of Computer Science Engineering， Hunan University of Science Technology， Xiangtan Hunan 411201， China)

Abstract:Most existing data aggregation methods have a delay of the network data transmission and affect the network precision. So this paper proposed a new timing control mechanism for in-network data aggregation which divided the network induction data into real-time data and non real-time data. It achieved a better tradeoff between the network energy use efficiency and the data precision through using differentiated service for different data and configuring the timing time of node aggregation reasonably.

Key words:wireless sensor network; data aggregation; timing; real-time

近年來，傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術和計算機技術的進步，推動了無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生與發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡由于其體積小、成本低、高效的網(wǎng)絡自組織能力和便利的無線收發(fā)等特點，在空間探索、軍事監(jiān)測、工業(yè)控制、智能家居、生物醫(yī)療和環(huán)境檢測等方面具有廣闊的應用前景。目前無線傳感器網(wǎng)絡已成為國際上備受關注的前沿熱點研究領域。

微型傳感器節(jié)點能量非常有限，且無線傳感器網(wǎng)絡通常工作在無人值守的環(huán)境下，更換電池、補充能量的操作幾乎不能進行。因此必須對節(jié)點進行高效管理，以節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗，延長網(wǎng)絡生命周期。為節(jié)省能量，大量路由協(xié)議采用了網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合策略來減小數(shù)據(jù)傳輸量。網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合通過對冗余數(shù)據(jù)進行網(wǎng)內(nèi)處理，降低了數(shù)據(jù)傳輸量，減少了數(shù)據(jù)傳輸沖突，提高了數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)收集效率。但是，網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合在節(jié)省能量的同時為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸帶來了極大延遲，從而降低了網(wǎng)絡的精確性。無線傳感器網(wǎng)絡與應用相關的特性，決定了必須根據(jù)具體應用需求來確定合適的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合策略，以在節(jié)省能量和傳輸延遲、數(shù)據(jù)精確性上取得良好的折中。

1相關工作

目前，研究人員提出了大量的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合策略。

定向擴散是無線傳感器網(wǎng)絡中以數(shù)據(jù)為中心的經(jīng)典路由協(xié)議，它通過建立源節(jié)點到匯聚節(jié)點的局部優(yōu)化路徑，形成了以匯聚節(jié)點為根的隨機反向融合樹，在融合樹的中間節(jié)點執(zhí)行副本抑制的數(shù)據(jù)融合策略。在數(shù)據(jù)相關性大的情況下，此融合策略可以極大地減少數(shù)據(jù)傳輸量，節(jié)省能量。為提高定向擴散中隨機融合的性能，研究人員對定向擴散進行了改正^[1，2]，提出了三種次優(yōu)融合樹：近源匯聚樹、最短路徑樹和貪心增長樹。

LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）通過把無線傳感器網(wǎng)絡劃分成簇，簇內(nèi)節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù)進行融合后再將結果直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。它通過縮短數(shù)據(jù)傳輸距離和簇內(nèi)節(jié)點等概率地擔任簇頭，節(jié)省并平衡了網(wǎng)絡的整體能量消耗。SCT(semantic/spatial correlation-aware tree)^[3]提出了環(huán)—扇形（ring-sector）結構。它是一個可伸縮的、分布式的相關性感知融合結構，無須任何中心調(diào)節(jié)。它將整個網(wǎng)絡劃分成一定數(shù)量的同心環(huán)，每個環(huán)再細分成不同扇區(qū)，每個扇區(qū)選舉出一個簇頭，簇頭之間再形成到達匯聚節(jié)點的最短路徑反向融合樹。扇區(qū)內(nèi)節(jié)點感應到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)直接傳送至簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù)進行融合后再通過最短路徑樹轉發(fā)至匯聚節(jié)點。SCT結構是在單個查詢發(fā)送過程中瞬時創(chuàng)建的，并且結構固定，適宜于大范圍密集度高的節(jié)點放置情景，維護消耗低。

上述所有數(shù)據(jù)融合策略中所采用的融合定時機制均為：所有融合節(jié)點都在執(zhí)行融合操作前等待相同的定時時間，并且此定時時間必須足夠大，即當定時時間到達時，融合節(jié)點能接收到所有需進行融合的數(shù)據(jù)。這樣，雖然最大程度上節(jié)省了網(wǎng)絡內(nèi)的能量消息，但給整個網(wǎng)絡帶來了很大延遲。

級聯(lián)定時^[4，5]為無線傳感器網(wǎng)絡提出了一個高效的融合定時機制。源節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送路徑形成一棵反向融合樹。融合樹上節(jié)點根據(jù)節(jié)點本身與匯聚節(jié)點的距離（跳數(shù)）確定定時時間，距離匯聚節(jié)點越遠定時時間越短。MFS（多級融合同步）^[6]協(xié)議提出了一個可調(diào)的多級融合定時機制。網(wǎng)內(nèi)節(jié)點根據(jù)其與匯聚節(jié)點的距離（跳數(shù)）確定定時時間，匯聚節(jié)點根據(jù)接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量調(diào)節(jié)最大時延和時延梯度值。定時控制協(xié)議^[7]利用一個智能定時器和網(wǎng)絡一些高層知識對融合定時進行高效控制，根據(jù)融合質量動態(tài)地調(diào)整融合定時時間，在網(wǎng)絡的能量消耗與數(shù)據(jù)精確性之間取得了良好的折中。這些融合定時機制通過建立融合定時梯度的方式，在保證數(shù)據(jù)精確度的同時最小化了系統(tǒng)時延；但它們沒有對網(wǎng)絡中實時數(shù)據(jù)的傳輸進行特別處理，不能高效處理網(wǎng)絡中的實時數(shù)據(jù)。

2新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制

針對實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)共存的無線傳感器網(wǎng)絡，新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制在建立合理融合定時梯度的同時，重點考慮了網(wǎng)絡中實時數(shù)據(jù)的傳輸處理。

21網(wǎng)絡模型

由于無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)量巨大，為提高網(wǎng)絡效率，不同于現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合策略，僅采用簡單的平面或樹型路由體系結構。本文采用高效的簇—樹式路由體系結構。具體網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示，即能量有限的N個節(jié)點隨機均勻地分布在監(jiān)測區(qū)域A中；節(jié)點同構，即所有節(jié)點的構造和功能都相同；每個節(jié)點都是靜止的，并能通過GPS或其他一些技術獲得自己的地理位置；每個節(jié)點在其初始化簇形成以后都擁有相同的能量Einit，并都能獲得自己的剩余能量信息Ei；節(jié)點具有相同的傳輸半徑R；通信信道為全雙工信道，即如果節(jié)點j能夠接收到節(jié)點i的數(shù)據(jù)，則j也能發(fā)送數(shù)據(jù)到i；相鄰節(jié)點根據(jù)局部信息分布式地形成簇，簇內(nèi)節(jié)點輪流擔任簇頭；簇頭節(jié)點使用TDMA（時分多路復用）機制調(diào)度簇內(nèi)節(jié)點通信，簇頭節(jié)點對接收到的簇內(nèi)數(shù)據(jù)進行融合后，通過簇頭節(jié)點建立的最短路徑融合樹(SPT)將結果轉發(fā)給匯聚節(jié)點。

本文主要考慮周期性數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡，即匯聚節(jié)點發(fā)出查詢請求后，數(shù)據(jù)源節(jié)點周期性地生成感應數(shù)據(jù)。同時，此周期性數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡對于某些關鍵數(shù)據(jù)值存在實時性要求，即在數(shù)據(jù)采集中，當采集到的關鍵字段值超過某一閾值時，需要在一定的反應時間內(nèi)快速響應這些事件的發(fā)生。例如，在煤礦的瓦斯檢測應用中，當瓦斯?jié)舛瘸^某一閾值時，需要不失一切能源等方面的代價，快速報告事件的發(fā)生。因此，本文考慮的周性數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，即在持續(xù)生成的非實時數(shù)據(jù)中伴隨著間歇生成的實時數(shù)據(jù)。

22定時機制

在無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果執(zhí)行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合，則每個中間節(jié)點都必須確定融合開始的時間和融合持續(xù)的時間。直觀上，節(jié)點等待融合開始的時間越長，它接收到的數(shù)據(jù)包就越多，但所造成的網(wǎng)絡延遲也越大。

為同時高效處理網(wǎng)絡中的非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，本文提出了一種新型的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制。它通過對非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)采用區(qū)分定時服務來提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集效率，取得網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)精確性與延遲之間的良好折中。

此網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合機制根據(jù)節(jié)點感應數(shù)據(jù)包的類型，將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸分為兩種情景：a)普通情景下（包括初始情景），網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流僅為非實時數(shù)據(jù)，此時采用級聯(lián)融合定時機制，主要側重于節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗；b)特殊情景下，非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流共存，此時對非實時數(shù)據(jù)仍采用級聯(lián)融合定時機制，而對實時數(shù)據(jù)則采用立即轉發(fā)定時機制，主要側重于提高系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)的響應速度。

本文主要研究融合定時機制，由于篇幅問題，無線傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)初始化過程在此不作詳述。假設無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)初始化為圖1所示的簇—樹結構，每個簇頭節(jié)點已知自身與匯聚節(jié)點的距離（跳數(shù)）。

新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制如下：

a)匯聚節(jié)點發(fā)送查詢請求，請求中包含最大等待時延MAX和時延梯度值Δ。

b）樹上各節(jié)點根據(jù)自身與匯聚節(jié)點的距離，計算需定時的時間。設節(jié)點i與匯聚節(jié)點的距離跳數(shù)為Hi，則它需要定時的時間為Ti=MAX-Hi×Δ。

c)各簇頭節(jié)點利用TDMA方式收集簇內(nèi)節(jié)點生成的感應數(shù)據(jù)。如果節(jié)點感應的數(shù)據(jù)為非實時數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)保存在簇頭節(jié)點的緩沖池中，簇頭節(jié)點等待其設定的定時器觸發(fā)后，對緩沖池內(nèi)的數(shù)據(jù)進行融合操作，并將結果沿反向融合樹發(fā)送給匯聚節(jié)點，樹上各節(jié)點等待其各自設定的定時器觸發(fā)后，對緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行融合；如果節(jié)點感應的數(shù)據(jù)為實時數(shù)據(jù)，則簇頭節(jié)點立即轉發(fā)此數(shù)據(jù)，同樣樹上各中間節(jié)點也立即轉發(fā)此數(shù)據(jù)。

3性能分析

下面通過數(shù)學分析來分析新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制對網(wǎng)絡中能量消耗和延遲的影響。設節(jié)點個數(shù)為N，簇頭節(jié)點個數(shù)為C，節(jié)點i到匯聚節(jié)點的距離為Hi。

31能量消耗

網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合的主要目的就是節(jié)省能量，它主要通過減少網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)包的傳輸數(shù)量來節(jié)省能量。采用新型的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制對網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)進行融合。整個網(wǎng)絡內(nèi)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個數(shù)分為兩種情況：a）理想情況下，即2.2節(jié)所述普通情景下，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流僅為非實時數(shù)據(jù)流時，每個中間節(jié)點接收到所有需要其進行融合的數(shù)據(jù)后進行融合操作，只生成一個數(shù)據(jù)包。此時每輪數(shù)據(jù)收集過程中整個網(wǎng)絡所需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)為IdealAggPkt/Round=N。b）特殊情景下，即非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流共存，設此時產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)的節(jié)點個數(shù)據(jù)為n(0

網(wǎng)絡內(nèi)不采用數(shù)據(jù)融合操作時，整個網(wǎng)絡內(nèi)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個數(shù)為NoAggPkt/Round=i∈NHi。于是，IdealAggPkt/Round

32延遲

執(zhí)行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合時，融合節(jié)點需要等待融合數(shù)據(jù)的到來，會給系統(tǒng)造成很大的延遲，從而在一定程度上影響數(shù)據(jù)的實時性和精確性。

對于文獻[4]中所提出的級聯(lián)定時，設網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集周期為T，Hi為節(jié)點i到匯聚節(jié)點的距離（跳數(shù)），shd為單跳距離（用延遲或實際距離表示），則每個節(jié)點定時的時間分別為T-(shd×Hi)，整個網(wǎng)絡中所有感應數(shù)據(jù)的延遲為T。此方法雖然節(jié)省了大量能量，并且在一定程度上降低了系統(tǒng)時延，但不能有效處理網(wǎng)絡中的實時數(shù)據(jù)流。

新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制對非實時數(shù)據(jù)流采用級聯(lián)定時，而對實時數(shù)據(jù)則采取立即發(fā)送的策略。整個網(wǎng)絡中非實時數(shù)據(jù)的延遲為T，實時數(shù)據(jù)的延遲為shd×Hi，shd×Hi遠遠小于T。

網(wǎng)絡內(nèi)不執(zhí)行數(shù)據(jù)融合操作時，網(wǎng)絡所有數(shù)據(jù)的延遲為shd×Hi。

新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制對實時數(shù)據(jù)的延遲與不進行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合操作時的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)延遲相等，在節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗的同時提高了對網(wǎng)絡內(nèi)實時數(shù)據(jù)的處理能力。

4結束語

新型網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合定時機制通過把感應數(shù)據(jù)劃分非實時數(shù)據(jù)流和實時數(shù)據(jù)，并對它們采用不同的融合定時機制，能取得良好的能量與延遲之間的折中，非常適應于對特定數(shù)據(jù)的實時性要求較高的網(wǎng)絡。

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