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

作者: 時(shí)間:2012-11-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/153713.htm

(Wireless Sensor Network,WSN)集數(shù)據(jù)的采集、傳輸、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]。是應(yīng)用相關(guān)型,不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求不同[2]。網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?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)生大量的數(shù)據(jù),這些數(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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行。目前已有很多數(shù)據(jù)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)傳輸問題。本文針對(duì)這類具有實(shí)時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)融合。

1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合

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(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%、1235。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。

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