專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)融合方法，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法， 屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的感知節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間通過無線通信的方式逐跳傳遞信息， 協(xié)作的完成所覆蓋區(qū)域信息采集的任務(wù)。信息具有一定的實(shí)時(shí)性，即要求在一定的時(shí)間內(nèi)傳 送到用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常使用電池供電，必須盡量降低能量的消耗。數(shù)據(jù)融合方法 是中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)利用信息的冗余性，把多份信息經(jīng)過處理得到一份或少量的信息以降低網(wǎng)絡(luò)通信 開銷的方法。數(shù)據(jù)融合方法在降低網(wǎng)絡(luò)通信量的同時(shí)，也增加了信息的傳輸延時(shí)。節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)融合時(shí)間的分配是數(shù)據(jù)融合方法的核心內(nèi)容。
U Roedig等人2004年提出了一種集中式的暴力窮舉算法(Brute-Force Algorithm)(參考 U Roedig, A Barroso, CJ Sreenan. Determination of Aggregation Points in Wireless Sensor Networks. In: Proceedings of the 30th Euromicro Conference (EUROMICRO), 2004. 503-510.)，其 通過計(jì)算所有可能的延時(shí)分配方案下傳輸路徑上各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的概率以及所產(chǎn)生的增
益值，增益值最大的延時(shí)分配方案即為所求。然而，由于采用類似窮舉的算法，其計(jì)算復(fù)雜 度很高且難以實(shí)現(xiàn)。該文隨即提出了一種簡化的啟發(fā)式算法即確定融合點(diǎn)算法DAP，規(guī)定在 每條路由中將所有可能的延時(shí)時(shí)間集中在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。該算法仍然依據(jù)計(jì)算的概率信息，但 對于每條葉節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的路由只將融合時(shí)間分配到一個(gè)固定點(diǎn)上，降低了算法復(fù)雜度， 但同時(shí)降低了算法精度和融合效果。作為對比，該文亦介紹了平均分配方法UTA和層級分配 方法HTA。 Jae Young Choi等人2006年提出了一種協(xié)商式的分布式分配方法(參考Jae Young Choi, Sunghyun Choi, Wook Hyun Kwon, and Hong Seong Park. Aggregation Time Control Algorithm for Time constrained Data Delivery in Wireless Sensor Networks. In: Proceedings of IEEE VTC 2006-Spring, Melbourne, Australia, May 7-10, 2006.)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程中，各傳感器 節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則，自主的增加傳輸延時(shí)的時(shí)間。匯聚節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)檢査接收的每一個(gè)分組 是否超時(shí)。 一旦發(fā)現(xiàn)分組超時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)超時(shí)信息廣播，使相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)減少延時(shí)時(shí)間。 此過程不斷重復(fù)，直到到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。該策略能夠有效的抑制數(shù)據(jù)分組超時(shí)，但其融合效果 一般，而且何時(shí)能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)也很難控制。因此目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合方法主要存在的問題是融合效果差，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜 性高的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將在保證延時(shí)約束的條件下，給出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法， 本發(fā)明的方法是一種數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度很低，融合時(shí)間分配方法實(shí)現(xiàn)較為簡單，融合效果有明 顯改善的層級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)融合方法。
本發(fā)明提出了一種二維部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，高效的數(shù)據(jù)融合 方法。節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)或者收到來自其它節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并不立刻發(fā)送，而是等待一定的時(shí) 間(融合等待時(shí)間)，對等待時(shí)間內(nèi)收到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到一份數(shù)據(jù)發(fā)送到下一跳節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行具體數(shù)據(jù)融合。節(jié)點(diǎn)被按照距離匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Node)的跳數(shù)分為不同的層次，本方法按 照層次為節(jié)點(diǎn)分配融合等待時(shí)間。通過對網(wǎng)絡(luò)融合模型的流量分析，我們發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合時(shí) 間分配的三角形層級分配方法，并提出了臨界融合層的概念。與以往的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間方法不 同，本方法設(shè)定了臨界融合層(臨界融合層的確定由預(yù)分配階段的多次性能比較測試確定)， 對臨界融合層以外的節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行數(shù)據(jù)融合操作(即收到數(shù)據(jù)后立刻轉(zhuǎn)發(fā))；對該層(含該層邊 界上的節(jié)點(diǎn))以內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，按照距離SINK的遠(yuǎn)近線性的分配融合等待時(shí)間，距離SINK越遠(yuǎn) 的層次，獲得的融合等待時(shí)間越長。
綜合上述分析，本發(fā)明的技術(shù)方案為-
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法，其步驟為1) 匯聚節(jié)點(diǎn)確定臨界融合層Hc;
2) 根據(jù)臨界融合層Hc，節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身的融合等待時(shí)間Th;
3) 節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身融合等待時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 所述方法中匯聚節(jié)點(diǎn)確定臨界融合層Hc的方法為
1) 匯聚節(jié)點(diǎn)首先向全網(wǎng)廣播臨界融合層的初始值為1;
2) 匯聚節(jié)點(diǎn)逐步改變廣播的臨界融合層，依次取2， 3，……N;其中N為網(wǎng)絡(luò)總層數(shù)的 上限；
3) 各節(jié)點(diǎn)在收到該臨界融合層的參考值后，根據(jù)自己的所在層數(shù)h確定自身的融合等待 時(shí)間，并實(shí)際進(jìn)行一段時(shí)間的性能測量；
4) 匯聚節(jié)點(diǎn)通過統(tǒng)計(jì)收到的分組數(shù)目選擇最優(yōu)的臨界融合層Hc。
所述步驟2)根據(jù)臨界融合層Hc，節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身的融合等待時(shí)間Th，中的節(jié)點(diǎn)按照其所 在層數(shù)被劃分為兩類，第一類包括所述臨界融合層內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)和所述臨界融合層之上的節(jié)點(diǎn)，第二類包括所述臨界融合層外部的節(jié)點(diǎn)，兩類節(jié)點(diǎn)按照不同的方式分配融合等待時(shí)間。
所述融合等待時(shí)間的確定方法為對所述臨界融合層內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)和所述臨界融合層之上
的節(jié)點(diǎn)，按照距離所述匯聚節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近線性的或近似線性的分配所述節(jié)點(diǎn)的融合等待時(shí)間，
距離所述匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)的層次上的節(jié)點(diǎn)獲得的融合等待時(shí)間越長。
所述融合等待時(shí)間的確定方法為對所述臨界融合層外部的節(jié)點(diǎn)不分配融合等待時(shí)間，
所述節(jié)點(diǎn)立刻轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)。
所述融合等待時(shí)間的計(jì)算公式為
其中，h為本節(jié)點(diǎn)的層次，Hc為臨界融合層，T為總的延時(shí)約束，Th為本層節(jié)點(diǎn)分配的融合 等待時(shí)間。
所述的方法中當(dāng)延時(shí)約束改變時(shí)更新所述臨界融合層，以更新后的臨界融合層參數(shù)重新 執(zhí)行數(shù)據(jù)融合操作。
所述性能測試的時(shí)間為大于或等于3倍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣周期時(shí)間，且大于或等于網(wǎng)絡(luò)延
時(shí)約束時(shí)間。 本發(fā)明的積極效果
與以往的技術(shù)相比，本發(fā)明的數(shù)據(jù)融合方法的融合增益有了明顯的提高，具體的說對 相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在不同的延時(shí)約束下，本方法具有最優(yōu)的融合增益，如圖1所示；在相同 的延時(shí)約束下，對于不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，本方法具有最優(yōu)的融合增益，如圖2所示；在延時(shí)約 束和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模均相同的條件下，本方法具有良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，如圖3所示，其中UTA為平 均分配方法，HTA為層級分配方法，DAP為確定融合點(diǎn)算法，THAT為本發(fā)明的層次數(shù)據(jù)融 合方法。
融合增益的提高表明網(wǎng)絡(luò)的信息通信量降低，可以有效的降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長網(wǎng) 絡(luò)的生命周期，提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。


圖1為不同延時(shí)約束下的不同融合方法間的融合增益比較；
圖2為不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的融合增益比較；
圖3為不同融合方法對不同網(wǎng)絡(luò)部署的適應(yīng)情況；圖4為本發(fā)明數(shù)據(jù)融合方法的執(zhí)行階段網(wǎng)絡(luò)部署的層次結(jié)構(gòu)； 圖5為本發(fā)明數(shù)據(jù)融合方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合方法的具體實(shí)施中分為兩個(gè)階段，稱為初始化階段和 實(shí)際運(yùn)行階段。
現(xiàn)結(jié)合本發(fā)明的方法流程圖5描述具體實(shí)施方式
，本發(fā)明在初始化階段完成臨界融合層 的確定和計(jì)算結(jié)果的發(fā)布。網(wǎng)絡(luò)的部署階段，最大可能的層次數(shù)是可預(yù)測的，假設(shè)不超過上 限N。首先進(jìn)行一組測試性實(shí)驗(yàn)，分別將臨界融合層定為l至N中的某一個(gè)值Hc，并由匯聚 節(jié)點(diǎn)通過全網(wǎng)廣播的方式發(fā)送至各節(jié)點(diǎn)，例如，首先向全網(wǎng)廣播臨界融合層的初始值為1， 隨后逐步的改變臨界融合層，依次取2， 3，……N。各節(jié)點(diǎn)在收到該參考值后，根據(jù)自己的 所在層數(shù)h即可確定融合等待時(shí)間，并實(shí)際進(jìn)行一段時(shí)間(不低于3~5倍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣周 期，亦不低于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)約束值)的性能測量。在此過程中，匯聚節(jié)點(diǎn)通過統(tǒng)計(jì)收到的分組數(shù) 目了解網(wǎng)絡(luò)融合效果，并選擇最優(yōu)的臨界融合層Hc作為運(yùn)行階段的臨界融合層并向全網(wǎng)廣 播。對于具體的延時(shí)約束和網(wǎng)絡(luò)部署，必然存在最優(yōu)的臨界融合層。最優(yōu)的臨界融合層的確 定不限于采用遞增的窮舉法，也可以釆用二分法、黃金分割法確定。最優(yōu)的臨界數(shù)據(jù)融合層 的確定不限于在初始化階段，也可以在實(shí)際運(yùn)行階段重新執(zhí)行。
在實(shí)際運(yùn)行階段，節(jié)點(diǎn)按照自身所在層次確定融合等待時(shí)間，執(zhí)行數(shù)據(jù)融合操作。若延 時(shí)約束改變，則需要重新進(jìn)行初始化操作。圖4表示了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署情況，匯 聚節(jié)點(diǎn)位于左上角，其它節(jié)點(diǎn)按照通信的跳數(shù)距離被劃分若干層，如圖中的不同陰影部分。 匯聚節(jié)點(diǎn)具有向全網(wǎng)廣播數(shù)據(jù)的能力。節(jié)點(diǎn)按照獲得的臨界融合層信息Hc，確定自身的融合 等待時(shí)間，并按照融合等待時(shí)間執(zhí)行融合操作。節(jié)點(diǎn)的融合等待時(shí)間的計(jì)算公式為
其中，h為本節(jié)點(diǎn)的層次，Hc為臨界融合層，T為總的延時(shí)約束，Th為本層節(jié)點(diǎn)分配的融 合等待時(shí)間。
實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)本身完全不需要知道目前運(yùn)行階段，僅需要按照匯聚節(jié)點(diǎn)廣播的臨界融合 層參數(shù)Hc，更新自身的融合等待時(shí)間即可。初始化階段和運(yùn)行階段的劃分是由匯聚節(jié)點(diǎn)(或 基站)控制的。
權(quán)利要求
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法，其步驟為1)匯聚節(jié)點(diǎn)確定臨界融合層Hc；2)根據(jù)臨界融合層Hc，節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身的融合等待時(shí)間Th；3)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身融合等待時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于匯聚節(jié)點(diǎn)確定臨界融合層Hc的方法為1) 匯聚節(jié)點(diǎn)首先向全網(wǎng)廣播臨界融合層的初始值為1;2) 匯聚節(jié)點(diǎn)逐步改變廣播的臨界融合層，依次取2， 3，……N;其中N為網(wǎng)絡(luò)總層數(shù)的 上限；3) 各節(jié)點(diǎn)在收到該臨界融合層的參考值后，根據(jù)自己的所在層數(shù)h確定自身的融合等待 時(shí)間，并實(shí)際進(jìn)行一段時(shí)間的性能測量；4) 匯聚節(jié)點(diǎn)通過統(tǒng)計(jì)收到的分組數(shù)目選擇最優(yōu)的臨界融合層Hc。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述步驟2)中的節(jié)點(diǎn)按照其所在層數(shù)被劃分為兩 類，第一類包括所述臨界融合層內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)和所述臨界融合層之上的節(jié)點(diǎn)，第二類包括所述 臨界融合層外部的節(jié)點(diǎn)，兩類節(jié)點(diǎn)按照不同的方式分配融合等待時(shí)間。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述融合等待時(shí)間的確定方法為對所述臨界融合 層內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)和所述臨界融合層之上的節(jié)點(diǎn)，按照距離所述匯聚節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近線性的或近似線 性的分配所述節(jié)點(diǎn)的融合等待時(shí)間，距離所述匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)的層次上的節(jié)點(diǎn)獲得的融合等待 時(shí)間越長。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述融合等待時(shí)間的確定方法為對所述臨界融合 層外部的節(jié)點(diǎn)不分配融合等待時(shí)間，所述節(jié)點(diǎn)立刻轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)。
6. 如權(quán)利要求4和5所述的方法，其特征在于所述融合等待時(shí)間的計(jì)算公式為其中，h為本節(jié)點(diǎn)的層次，Hc為臨界融合層，T為總的延時(shí)約束，Th為本層節(jié)點(diǎn)分配的融合 等待時(shí)間。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)延時(shí)約束改變時(shí)更新所述臨界融合層，以更新后 的臨界融合層參數(shù)重新執(zhí)行數(shù)據(jù)融合操作。
8. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述性能測試的時(shí)間為大于或等于3倍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 采樣周期時(shí)間，且大于或等于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)約束時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法，其通過設(shè)定一臨界融合層，臨界融合層內(nèi)的節(jié)點(diǎn)(包括臨界融合層邊緣上的節(jié)點(diǎn))根據(jù)臨界融合層的值和節(jié)點(diǎn)本身所在的層數(shù)計(jì)算一融合等待時(shí)間，然后節(jié)點(diǎn)將融合等待時(shí)間內(nèi)收到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，本發(fā)明的方法數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度很低，融合時(shí)間分配方法實(shí)現(xiàn)較為簡單，融合效果有明顯改善。
文檔編號(hào)H04L29/08GK101471952SQ20071030457
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者周新運(yùn), 孫利民, 皇甫偉 申請人:中國科學(xué)院軟件研究所