無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的探討

鄒平輝

摘 要

作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以縮減傳感器節(jié)點之間的傳輸量，從而達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。雖然數(shù)據(jù)融合技術(shù)僅僅處于研究階段，但是通過介紹其重要性，以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)的現(xiàn)狀，指出其正面對的問題，以及其發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)融合

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面對的問題是個方面資源缺乏，比如傳感器節(jié)點電池能量、存儲容量和通信帶寬等等。解決這個問題最為行之有效的方法就是數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過對來自不同數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行融合處理，去除其中重復(fù)的信息，這樣就可以將傳輸數(shù)據(jù)量縮減，從而達(dá)到優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的。對于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究涉及到許多方面，主要包括能量效率、數(shù)據(jù)精度、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)壓縮安全技術(shù)等等。目前，雖然數(shù)據(jù)融合技術(shù)僅僅處于研究階段，但是通過介紹其重要性，以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)的現(xiàn)狀，指出其面對的問題，以及其發(fā)展方向。

1 對于生成樹和消除時空相關(guān)性的數(shù)據(jù)融合

1.1 對于生成樹的數(shù)據(jù)融合

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點是通過反向組播樹的形式進(jìn)行收集數(shù)據(jù)的，并由分散的傳感器節(jié)點匯集數(shù)據(jù)。如果將節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，降低能耗，而且可以減少監(jiān)測延時，提高數(shù)據(jù)包的傳送速率。

現(xiàn)如今，在生成樹數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，采用的算法主要有以下幾種，分別為近源匯集、最短路徑樹和貪婪增量樹，以及由它們改進(jìn)的算法。動態(tài)生成樹是由生成目標(biāo)的周邊的節(jié)點協(xié)同構(gòu)成的，這些節(jié)點通過生成樹把測量數(shù)據(jù)向根節(jié)點傳輸，在這個過程中，同時需融合生成樹節(jié)點所得數(shù)據(jù)。本文綜合考慮了數(shù)據(jù)傳輸及融合開銷，并且融合節(jié)點所得數(shù)據(jù)。根據(jù)MFST算法為基礎(chǔ)改進(jìn)的AFST算法，該算法除了要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蛇M(jìn)行優(yōu)化，在節(jié)點傳輸其數(shù)據(jù)的過程中，還要針對具體情況確定能否通過數(shù)據(jù)融合縮減能量消耗。

1.2 對于消除時空相關(guān)性的數(shù)據(jù)融合

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個位置會布置一個以上的傳感器，而且相隔不遠(yuǎn)，由于其觀察值之間具有時間和空間上的聯(lián)系，所以數(shù)據(jù)會出現(xiàn)冗余現(xiàn)象。為了消除這種現(xiàn)象，則必須先去除多傳感器之間的聯(lián)系，這樣就可以降低傳遞數(shù)據(jù)過程中的能耗。目前，相關(guān)文獻(xiàn)對于傳感器間之間時空進(jìn)行融合設(shè)計了2種模型，分別是時間或者空間融合模型和另一類是時空融合模型。

2 關(guān)于路由驅(qū)動型的數(shù)據(jù)融合

對于路由驅(qū)動型的數(shù)據(jù)融合而言，其算法主要來源于兩種路由協(xié)議，分別為定向擴散路由協(xié)議和分層聚簇路由協(xié)議。

2.1 基于定向擴散路由型的數(shù)據(jù)融合

作為一個以數(shù)據(jù)為中心的路由和融合協(xié)議，定向擴散協(xié)議可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供有效的能量通信。在這種協(xié)議中，數(shù)據(jù)融合包括兩種融合，這兩種融合存在于不同的階段，興趣融合存在于路徑建立階段，數(shù)據(jù)融合則存在于數(shù)據(jù)傳輸階段。但是因為定向擴散協(xié)議主要解決的路由問題是存在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的，所以其很少解決有關(guān)于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的。與此同時，在設(shè)計定向擴散協(xié)議中的數(shù)據(jù)融合時，是根據(jù)其提出的屬性值來進(jìn)行的，這和具體應(yīng)用有著十分密切的關(guān)系，因此，這種數(shù)據(jù)融合技術(shù)是以數(shù)據(jù)為中心的。

2.2 基于分層聚簇路由型的數(shù)據(jù)融合

對于低能耗自適應(yīng)聚類分層協(xié)議而言，其也屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，在形成層次結(jié)構(gòu)路由機制的基礎(chǔ)上，會在一定時間選舉出一些簇頭節(jié)點。這種路由協(xié)議不僅可以讓簇頭節(jié)點中的數(shù)據(jù)融合得到支持，還可以將數(shù)據(jù)融合的原則和優(yōu)點盡早的體現(xiàn)出來。但是，低能耗自適應(yīng)聚類分層協(xié)議沒有給出清晰的融合方法，還對數(shù)據(jù)融合的重要性有所強調(diào)。除此之外，低能耗自適應(yīng)聚類分層協(xié)議設(shè)定了很多的假設(shè)。例如，在開始時，其假設(shè)所有節(jié)點都有著同樣的能量，并且各簇首消耗的能量也是一致的。

3 關(guān)于預(yù)測的時域數(shù)據(jù)融合

對于預(yù)測的時域數(shù)據(jù)融合而言，其分析的時間序列數(shù)據(jù)，是由傳感器節(jié)點采集的，從而建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，這個模型能夠?qū)r間序列中所包含的動態(tài)依存關(guān)系有所反映，還能預(yù)測觀察值。若預(yù)測值和實際值之間存在誤差，并且誤差大于給定閾值，那就需要傳輸數(shù)據(jù)。在預(yù)測的過程當(dāng)中，就可以讓一些不必要的數(shù)據(jù)傳輸加以減少，從而讓網(wǎng)絡(luò)能耗得到降低，讓網(wǎng)絡(luò)的生命周期得到延長。

在這種融合方法中，進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本和預(yù)測融合算法的選擇是非常重要的，這還需要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型來進(jìn)行。并且現(xiàn)如今主要是運用同步融合，很少的研究報道中會出現(xiàn)異步融合。

4 結(jié)束語

綜上所述，對于數(shù)據(jù)融合技術(shù)而言，其是為適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而產(chǎn)生的。雖然我國在數(shù)據(jù)融合的研究方面已經(jīng)有了很大的成就，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，有很多問題我們都還沒有研究到。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用高度息息相關(guān)，我們在采用合適的數(shù)據(jù)簡化技術(shù)時，應(yīng)該根據(jù)各自的應(yīng)用需求來進(jìn)行，并結(jié)合這種技術(shù)的特點，在設(shè)計數(shù)據(jù)融合算法時，采用到新興的交叉學(xué)科知識。

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作者單位

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省深圳市 518055