無線傳感器網絡中新型的網內數據融合定時機制

（湖南科技大學 計算機科學與工程學院， 湖南 湘潭 411201）

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

關鍵詞：無線傳感器網絡；數據融合；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、網絡通信技術和計算機技術的進步，推動了無線傳感器網絡的產生與發展。無線傳感器網絡由于其體積小、成本低、高效的網絡自組織能力和便利的無線收發等特點，在空間探索、軍事監測、工業控制、智能家居、生物醫療和環境檢測等方面具有廣闊的應用前景。目前無線傳感器網絡已成為國際上備受關注的前沿熱點研究領域。

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

定向擴散是無線傳感器網絡中以數據為中心的經典路由協議，它通過建立源節點到匯聚節點的局部優化路徑，形成了以匯聚節點為根的隨機反向融合樹，在融合樹的中間節點執行副本抑制的數據融合策略。在數據相關性大的情況下，此融合策略可以極大地減少數據傳輸量，節省能量。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絡劃分成簇，簇內節點將采集到的數據直接發送給簇頭節點，簇頭節點對數據進行融合后再將結果直接發送給匯聚節點。它通過縮短數據傳輸距離和簇內節點等概率地擔任簇頭，節省并平衡了網絡的整體能量消耗。SCT(semantic/spatial correlation-aware tree)^[3]提出了環—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，無須任何中心調節。它將整個網絡劃分成一定數量的同心環，每個環再細分成不同扇區，每個扇區選舉出一個簇頭，簇頭之間再形成到達匯聚節點的最短路徑反向融合樹。扇區內節點感應到數據后，將數據直接傳送至簇頭節點；簇頭節點對數據進行融合后再通過最短路徑樹轉發至匯聚節點。SCT結構是在單個查詢發送過程中瞬時創建的，并且結構固定，適宜于大范圍密集度高的節點放置情景，維護消耗低。

上述所有數據融合策略中所采用的融合定時機制均為：所有融合節點都在執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，融合節點能接收到所有需進行融合的數據。這樣，雖然最大程度上節省了網絡內的能量消息，但給整個網絡帶來了很大延遲。

級聯定時^[4，5]為無線傳感器網絡提出了一個高效的融合定時機制。源節點到匯聚節點的數據傳送路徑形成一棵反向融合樹。融合樹上節點根據節點本身與匯聚節點的距離（跳數）確定定時時間，距離匯聚節點越遠定時時間越短。MFS（多級融合同步）^[6]協議提出了一個可調的多級融合定時機制。網內節點根據其與匯聚節點的距離（跳數）確定定時時間，匯聚節點根據接收到數據包的數量調節最大時延和時延梯度值。定時控制協議^[7]利用一個智能定時器和網絡一些高層知識對融合定時進行高效控制，根據融合質量動態地調整融合定時時間，在網絡的能量消耗與數據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，在保證數據精確度的同時最小化了系統時延；但它們沒有對網絡中實時數據的傳輸進行特別處理，不能高效處理網絡中的實時數據。

2新型網內數據融合定時機制

針對實時數據和非實時數據共存的無線傳感器網絡，新型網內數據融合定時機制在建立合理融合定時梯度的同時，重點考慮了網絡中實時數據的傳輸處理。

21網絡模型

由于無線傳感器網絡中節點的數量巨大，為提高網絡效率，不同于現有數據融合策略，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。具體網絡拓撲結構如圖1所示，即能量有限的N個節點隨機均勻地分布在監測區域A中；節點同構，即所有節點的構造和功能都相同；每個節點都是靜止的，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，即如果節點j能夠接收到節點i的數據，則j也能發送數據到i；相鄰節點根據局部信息分布式地形成簇，簇內節點輪流擔任簇頭；簇頭節點使用TDMA（時分多路復用）機制調度簇內節點通信，簇頭節點對接收到的簇內數據進行融合后，通過簇頭節點建立的最短路徑融合樹(SPT)將結果轉發給匯聚節點。

本文主要考慮周期性數據收集網絡，即匯聚節點發出查詢請求后，數據源節點周期性地生成感應數據。同時，此周期性數據收集網絡對于某些關鍵數據值存在實時性要求，即在數據采集中，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快速響應這些事件的發生。例如，在煤礦的瓦斯檢測應用中，當瓦斯濃度超過某一閾值時，需要不失一切能源等方面的代價，快速報告事件的發生。因此，本文考慮的周性數據收集網絡中需要傳輸的數據包括非實時數據和實時數據，即在持續生成的非實時數據中伴隨著間歇生成的實時數據。

22定時機制

在無線傳感器網絡的數據傳輸過程中，如果執行網內數據融合，則每個中間節點都必須確定融合開始的時間和融合持續的時間。直觀上，節點等待融合開始的時間越長，它接收到的數據包就越多，但所造成的網絡延遲也越大。

為同時高效處理網絡中的非實時數據和實時數據，本文提出了一種新型的網內數據融合定時機制。它通過對非實時數據和實時數據采用區分定時服務來提高網絡數據收集效率，取得網絡中數據精確性與延遲之間的良好折中。

此網內數據融合機制根據節點感應數據包的類型，將網絡數據傳輸分為兩種情景：a)普通情景下（包括初始情景），網絡數據流僅為非實時數據，此時采用級聯融合定時機制，主要側重于節省網絡能量消耗；b)特殊情景下，非實時數據和實時數據的網絡數據流共存，此時對非實時數據仍采用級聯融合定時機制，而對實時數據則采用立即轉發定時機制，主要側重于提高系統對實時數據的響應速度。

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

新型網內數據融合定時機制如下：

a)匯聚節點發送查詢請求，請求中包含最大等待時延MAX和時延梯度值Δ。

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

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

3性能分析

下面通過數學分析來分析新型網內數據融合定時機制對網絡中能量消耗和延遲的影響。設節點個數為N，簇頭節點個數為C，節點i到匯聚節點的距離為Hi。

31能量消耗

網內數據融合的主要目的就是節省能量，它主要通過減少網內數據包的傳輸數量來節省能量。采用新型的網內數據融合定時機制對網內數據進行融合。整個網絡內所需傳輸的數據包個數分為兩種情況：a）理想情況下，即2.2節所述普通情景下，網絡中數據流僅為非實時數據流時，每個中間節點接收到所有需要其進行融合的數據后進行融合操作，只生成一個數據包。此時每輪數據收集過程中整個網絡所需要發送數據包的個數為IdealAggPkt/Round=N。b）特殊情景下，即非實時數據和實時數據的網絡數據流共存，設此時產生實時數據的節點個數據為n(0

網絡內不采用數據融合操作時，整個網絡內所需要傳輸的數據包個數為NoAggPkt/Round=i∈NHi。于是，IdealAggPkt/Round

32延遲

執行網內數據融合時，融合節點需要等待融合數據的到來，會給系統造成很大的延遲，從而在一定程度上影響數據的實時性和精確性。

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

新型網內數據融合定時機制對非實時數據流采用級聯定時，而對實時數據則采取立即發送的策略。整個網絡中非實時數據的延遲為T，實時數據的延遲為shd×Hi，shd×Hi遠遠小于T。

網絡內不執行數據融合操作時，網絡所有數據的延遲為shd×Hi。

新型網內數據融合定時機制對實時數據的延遲與不進行網內數據融合操作時的網絡數據延遲相等，在節省網絡能量消耗的同時提高了對網絡內實時數據的處理能力。

4結束語

新型網內數據融合定時機制通過把感應數據劃分非實時數據流和實時數據，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據的實時性要求較高的網絡。

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