無線傳感器網(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、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,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)型網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理的要求不同,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性都有要求,，如地震監(jiān)測、核污染,、森林火災(zāi)監(jiān)測,、戰(zhàn)場目標(biāo)追蹤等。在這些應(yīng)用中,，當(dāng)事件發(fā)生時,，會產(chǎn)生大量的緊急數(shù)據(jù)，這些緊急數(shù)據(jù)需要被及時,、可靠地傳遞給監(jiān)測中心,，以便監(jiān)測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^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,，但已有的這些研究大都基于固定時間周期的數(shù)據(jù)融合，對數(shù)據(jù)的實時性傳輸考慮的不多,，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)的實時傳輸問題,。本文針對這類具有實時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)控制的實時數(shù)據(jù)融合策略,。

1實時數(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)生時進(jìn)行量化,，然后將量化值發(fā)送給簇首,，請求分配傳輸時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

②簇首根據(jù)接收到的簇內(nèi)成員請求傳輸數(shù)據(jù)的情況區(qū)分對待,，分配傳輸時隙,，保證緊急數(shù)據(jù)的優(yōu)先處理和及時傳輸；

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

1.1數(shù)據(jù)量化

針對突發(fā)性事件產(chǎn)生大量緊急數(shù)據(jù)的特點,，在節(jié)點獲得數(shù)據(jù)時作自適應(yīng)量化分級，以便分級高的數(shù)據(jù)能得到優(yōu)先處理,。RDAUA策略中,，選取單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)的相對變化情況作為衡量標(biāo)準(zhǔn),，數(shù)據(jù)變化越快，量化級別越高,。設(shè)節(jié)點在ti時刻采集的數(shù)據(jù)位為di,，在ti+1時刻采集的數(shù)據(jù)位為di+1，則數(shù)據(jù)級別可量化為：

然后,，節(jié)點向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求,，請求信息包中的數(shù)據(jù)項包括節(jié)點標(biāo)識ID、數(shù)據(jù)級別量化值e,、數(shù)據(jù)的長度位數(shù)len等,。

1.2傳輸時隙分配

由于緊急數(shù)據(jù)的重要程度遠(yuǎn)大于一般數(shù)據(jù)，對實時性能的要求也很高,，所以簇首在分配傳輸時隙的時候需要根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點的請求情況按優(yōu)先級排隊,，優(yōu)先級越高，分配的傳輸時隙越早,。為此,，每個簇的簇首需要維護(hù)一個成員表和一個時隙調(diào)度表。

成員表主要記錄成員節(jié)點在完成調(diào)度時的信息,，表的內(nèi)容如圖1所示,。其中，ID表示傳感器節(jié)點ID號,，e表示傳感器成員節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的級別量化值,，len表示成員節(jié)點申請傳輸數(shù)據(jù)的長度位數(shù)，t表示成員節(jié)點申請時間,，Rf表示申請傳輸時隙標(biāo)記,。

圖1 成員表的字段內(nèi)容格式
 

時隙調(diào)度表用于將分配好的時隙以及節(jié)點ID寫入該表，字段內(nèi)容如圖2所示,。num表示該時隙的序列（即傳輸優(yōu)先級次序）,，ID表示傳感器節(jié)點ID號，slot表示分配的時隙大小,，info表示其他信息,。

圖2 時隙調(diào)度表的字段內(nèi)容
 

非簇首節(jié)點如果有數(shù)據(jù)發(fā)送,，可向簇首發(fā)送一請求消息,，要求在接下來的數(shù)據(jù)傳輸階段分配這個節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙。簇首收到消息后,，將該節(jié)點在成員表中的相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置,。簇首分配各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時隙時，綜合考慮節(jié)點的量化級別,、數(shù)據(jù)量的大小,，以及節(jié)點發(fā)出請求的時間等,，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(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先順序及分配時隙大小等信息寫入時隙調(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)融合時機(jī)

由于簇首分配數(shù)據(jù)傳輸時隙時綜合考慮了數(shù)據(jù)緊急情況、數(shù)據(jù)量的大小,、發(fā)生時間等,，優(yōu)先級越高的數(shù)據(jù)越提前到達(dá)簇首。簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時,，為了減少融合等待時間,，可以將后面一些影響相對小的數(shù)據(jù)忽略不計，不等數(shù)據(jù)全部到達(dá)時就融合,，動態(tài)調(diào)整融合等待時間,。

設(shè)第i輪中申請傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點有n個，它們的量化級別分別是e1,，e2,，e3，…,，en,，在t時刻簇首已經(jīng)接收到m個數(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，以減少融合等待時間,。式中,，ξ，η為常數(shù),，可以根據(jù)經(jīng)驗或大量實驗數(shù)據(jù)獲得,。

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

本算法通過對數(shù)據(jù)緊急輕重、數(shù)據(jù)大小,、產(chǎn)生時間等因素綜合考慮,，按優(yōu)先順序分配傳輸時隙，融合時根據(jù)情況，自適應(yīng)靈活地確定融合時機(jī),，解決網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的傳輸實時性問題,。由于融合時舍去的是優(yōu)先級最低的數(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,，評估了RDAUA的性能。模擬環(huán)境配置為：50個傳感器節(jié)點隨機(jī)分布在400 m×400 m的區(qū)域內(nèi),，節(jié)點按照LEACH協(xié)議的思想形成相應(yīng)的簇,，仿真時間為100 s，每個節(jié)點隨機(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,、精度和量化級別這幾個參數(shù),。

圖3是Sink對接收數(shù)據(jù)的平均延時情況進(jìn)行統(tǒng)計對照的結(jié)果。從接收數(shù)據(jù)的延時看,，應(yīng)用RDAUA策略對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時,，延時比使用常規(guī)融合方法明顯降低，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性,，從而保證用戶及時獲得突發(fā)事件并采取應(yīng)對措施,。

圖3 接收數(shù)據(jù)平均延時情況

圖4是Sink對接收數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果對照情況。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。因為在 RDAUA算法中,，節(jié)點融合時丟棄的都是優(yōu)先級最低的數(shù)據(jù),，它們對數(shù)據(jù)精度的影響最小，從而避免了因融合對數(shù)據(jù)精度的破壞,。

圖4 接收數(shù)據(jù)的精度

圖5是Sink對接收數(shù)據(jù)的量化級別e的統(tǒng)計情況,。從統(tǒng)計結(jié)果來看，利用常規(guī)方法融合時,，量化級別很高的數(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)對措施。

圖5 接收數(shù)據(jù)的量化級別情況比較

總結(jié)

應(yīng)用于地震監(jiān)測,、森林火災(zāi)監(jiān)測等的響應(yīng)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，會由于突發(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)對傳輸實時性要求很高,。本文針對這種應(yīng)用提出了一種基于緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先和自適應(yīng)控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)融合策略RDAUA.

策略中對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分級,，并為分級高的數(shù)據(jù)優(yōu)先分配傳輸時隙進(jìn)行傳輸，融合時自適應(yīng)調(diào)整融合等待時間,，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)的實時處理，減少了整個網(wǎng)絡(luò)的平均延時,，且數(shù)據(jù)的融合精度較高,，具有一定的實際應(yīng)用價值。