多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法，將每一維度上的數(shù)據(jù)看作能夠反映該傳感器節(jié)點可信性大小的一種特征，并根據(jù)D-S證據(jù)理論計算出傳感器節(jié)點可信性在每一種特征上的信任度函數(shù)和似然度函數(shù)，將它們作為每一種特征對傳感器節(jié)點的可信性評估結(jié)果，然后通過計算不同維度上數(shù)據(jù)可信性評估結(jié)果的算數(shù)平均數(shù)即可得到針對每個傳感器節(jié)點的可信度上、下限，從而發(fā)現(xiàn)部署環(huán)境中可信度較低的傳感器節(jié)點，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)維護提供支持。本發(fā)明的維護方法運行過程不需要傳感器節(jié)點的參與，降低了能耗，具有較高的穩(wěn)定性和魯棒性。
【專利說明】多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及一種多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越普及，特別是在環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測領(lǐng)域，無線傳感器節(jié)點的部署使得人們可以方便的獲得復(fù)雜場景下的環(huán)境數(shù)據(jù)(如樹林中的溫度、濕度以及光照強度等)。為了可以持續(xù)監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)變化，我們需要這些傳感器節(jié)點長時間的穩(wěn)定工作。然而，復(fù)雜環(huán)境中一些非確定性因素(如電磁干擾、其它物體的遮擋以及物理撞擊等)常常干擾傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集工作，同時大部分應(yīng)用中的傳感器節(jié)點都是由一些低廉的硬件組成，這更進一步加大了傳感器節(jié)點在采集數(shù)據(jù)的過程中出現(xiàn)故障的可能性。以上因素的影響使得傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)通常不能正確的反映當(dāng)前環(huán)境下的真實情況，從而節(jié)點會將錯誤的數(shù)據(jù)上報給監(jiān)測中心并產(chǎn)生誤判。
[0003]為了有效解決上述問題，人們提出了很多種方案，比如去除環(huán)境中的干擾因素、移走或替換出現(xiàn)故障的傳感器節(jié)點等。雖然這些方案在一定程度上改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，但是在實施上述方案之前需要確定哪一個傳感器節(jié)點受到環(huán)境中非確定性因素的影響或自身出現(xiàn)了故障。這就需要對每一個傳感器節(jié)點進行可信性評估，可信度低的傳感器節(jié)點則極有可能受到了其它非確定性因素的影響或自身硬件設(shè)備出現(xiàn)了故障，從而需要及時更換或修正，可信度高的傳感器節(jié)點依然可以正常工作。
[0004]目前針對傳感器節(jié)點可信性評估的方案大部分基于傳感器自身的行為表現(xiàn)(如節(jié)點間的通信是否正常、數(shù)據(jù)上報頻率等)，但這些方案的具體實現(xiàn)需要傳感器自身的參與，從而每個傳感器節(jié)點在完成正常數(shù)據(jù)的采集和上報之外，還需要耗費部分能量對周圍鄰居節(jié)點進行可信性評估，這無疑縮短了傳感器節(jié)點的工作壽命。
[0005]如果從數(shù)據(jù)的角度進行考慮，將傳感器節(jié)點所采集并上報的不同維度數(shù)據(jù)看作該節(jié)點的不同屬性，則每一維數(shù)據(jù)的正確與否可以在一定程度上反映該傳感器可信度的大小。通過融合不同維度上的數(shù)據(jù)對傳感器節(jié)點可信性的評估結(jié)果，同樣可以得到相應(yīng)傳感器節(jié)點的可信度。
[0006]目前，針對該領(lǐng)域的特點，D-S證據(jù)理論是一種較為適合的數(shù)據(jù)融合方法。由于該理論在先驗概率比較難獲取的情況下可以有效的區(qū)分“不確定”與“未知”，因而在處理可信度問題上比傳統(tǒng)的概率論更加靈活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提供一種多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法，有效地降低了傳感器節(jié)點自身的能耗，同時提高了對傳感器節(jié)點進行可信性評估的穩(wěn)定性與魯棒性。
[0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:[0009]一種多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法，所述多維數(shù)據(jù)環(huán)境下每個傳感器節(jié)點同時采集不同的環(huán)境數(shù)據(jù)；其特征在于所述方法包括以下步驟:
[0010](I)預(yù)先將每一維度上的數(shù)據(jù)作為能夠反映該傳感器節(jié)點可信性大小的一種特征，采用D-S證據(jù)理論計算出相應(yīng)傳感器節(jié)點在每一種特征上的信任度函數(shù)和似然度函數(shù)，將它們作為每一種特征對傳感器節(jié)點的可信性評估結(jié)果；通過計算不同維度上數(shù)據(jù)可信性評估結(jié)果的算數(shù)平均數(shù)即可得到針對每個傳感器節(jié)點的可信度上、下限，找出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可信度較低的傳感器節(jié)點；
[0011](2)結(jié)合實際需求中對該傳感器節(jié)點所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求，判斷可信度較低的傳感器節(jié)點是否需要被替換或修正；根據(jù)判斷的結(jié)果進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點維護。
[0012]優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述方法步驟(I)的具體步驟是:
[0013]I)傳感器節(jié)點上報當(dāng)前所采集到的η維環(huán)境數(shù)據(jù)；
[0014]2)基于D-S證據(jù)理論，針對所要評估的傳感器節(jié)點A提出命題P:“Α是可信的”；并將命題P劃分成η個子命題=P1, P2，...，Pn，其中Ph表示傳感器節(jié)點A所采集的第h維數(shù)據(jù)是可信的；
[0015]3)通過統(tǒng)計分析同一環(huán)境下傳感器所采集的歷史數(shù)據(jù)或根據(jù)歷史經(jīng)驗，得到傳感器節(jié)點某一維度h上的數(shù)據(jù)對其它維度數(shù)據(jù)的可信性判斷；
[0016]4)基于維度h對其它維度上數(shù)據(jù)的可信性評估結(jié)果，計算該條件下傳感器節(jié)點的信任度函數(shù)Belh,其表示根據(jù)第h維數(shù)據(jù)評估所得該傳感器節(jié)點的可信度下限；
[0017]5)基于維度h對其它維度上數(shù)據(jù)的可信性評估結(jié)果，計算該條件下傳感器節(jié)點的似然度函數(shù)Pih，其表示根據(jù)第h維數(shù)據(jù)評估所得該傳感器節(jié)點的可信度上限；
[0018]6)循環(huán)步驟3)?5)，依次計算出傳感器節(jié)點基于每一維數(shù)據(jù)的可信度上限和下限；
[0019]7)針對上述步驟中基于每一維數(shù)據(jù)所得到的傳感器節(jié)點的可信性評估結(jié)果，計算它們的算數(shù)平均數(shù)作為該傳感器節(jié)點最終的可信度上、下限；
[0020]其中n，h均是自然數(shù)。
[0021]根據(jù)步驟7)中傳感器節(jié)點可信度的上、下限，結(jié)合實際需求中對該傳感器節(jié)點所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求，判斷該傳感器節(jié)點是否需要在后期維護中被替換或修正。
[0022]優(yōu)選的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點維護是在得到傳感器節(jié)點的可信度后，根據(jù)實際情況找出信度較低的節(jié)點并對其進行相應(yīng)的維護，保證整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運行。
[0023]優(yōu)選的，當(dāng)被測量的傳感器節(jié)點可信度下限值在70%?80%以上或上限值在90%以上，無需特殊維護。
[0024]優(yōu)選的，當(dāng)被測量的傳感器節(jié)點可信度下限值在10%?50%之間，根據(jù)實際情況中對環(huán)境數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求對被測量的傳感器節(jié)點采取維護措施。維護措施可以是調(diào)整環(huán)境因素，如去除遮陽因素等。
[0025]優(yōu)選的，當(dāng)被測量的傳感器節(jié)點可信度下限值低于10%或者基本趨近于O時，更換或修復(fù)相應(yīng)的傳感器節(jié)點。
[0026]本發(fā)明技術(shù)方案中D-S證據(jù)理論通過引入信任函數(shù)而非采用概率來量度不確定性，并引用似然函數(shù)來處理由不知道而引起的不確定性。本發(fā)明通過在多維數(shù)據(jù)環(huán)境下，通過分析不同維度上的數(shù)據(jù)來對無線傳感器節(jié)點進行可信性評估的方法，通過可信性評估結(jié)果結(jié)合實際情況來進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的維護。
[0027]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，特別是針對環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測的應(yīng)用，大部分傳感器節(jié)點可以同時采集不同的環(huán)境數(shù)據(jù)(即多維數(shù)據(jù)，如溫度、濕度以及光照強度等)，為了分析傳感器節(jié)點的可信程度，將節(jié)點所采集的每一維數(shù)據(jù)看作能夠反映其可信程度的一種屬性。如果一個傳感器節(jié)點是可信的或具有較高的可信度，則其每一維度上的數(shù)據(jù)都可以較好的反映當(dāng)前環(huán)境下的真實情況，因此可以通過分析并融合傳感器節(jié)點不同維度上的數(shù)據(jù)來對該節(jié)點的可信程度進行綜合性評估，然后將評估結(jié)果與實際需求相結(jié)合，定位不可信的傳感器節(jié)點并對其進行維護。利用多維數(shù)據(jù)融合對傳感器節(jié)點進行可信性評估的方法，按照如下步驟進行:
[0028]I)傳感器節(jié)點同時采集當(dāng)前環(huán)境中的η維數(shù)據(jù)(如溫度、濕度和光照強度等)，設(shè)為D1, D2,, Dn,并將這些數(shù)據(jù)上報到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心；
[0029]2)分析傳感器節(jié)點所上報的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有異常則準(zhǔn)備對采集這些數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點進行可信性評估；
[0030]3)基于D-S證據(jù)理論，將對傳感器節(jié)點A的可信性評估轉(zhuǎn)化為對命題P: “傳感器節(jié)點A是可信的”的評估；
[0031]4)將命題P劃分成η個子命題=P1, P2, , Pn，其中命題Ph 傳感器節(jié)點A所采集的第h維數(shù)據(jù)Dh是可信的”，即將對命題P的評估轉(zhuǎn)化為對其子命題P1, P2,..., Pn的評估；
[0032]5)由于傳感器節(jié)點在同一時間所米集的多維數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性,結(jié)合該環(huán)境下的歷史數(shù)據(jù)，得到某一維度(比如第h維)上的數(shù)據(jù)對其它維度上數(shù)據(jù)的可信性評估，即得到第h維數(shù)據(jù)Dh在子命題空間Θ = (P11P2,..., PJ上的基本概率分配mh⑶，其中BG20;
[0033]6)在得到Dh在其它維度上的基本概率分配之后，計算該條件下針對傳感器節(jié)點A的信任度函數(shù)Belh，SP
【權(quán)利要求】
1.一種多維數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點維護的方法，所述多維數(shù)據(jù)環(huán)境下每個傳感器節(jié)點同時采集不同的環(huán)境數(shù)據(jù)；其特征在于所述方法包括以下步驟: (1)預(yù)先將每一維度上的數(shù)據(jù)作為能夠反映該傳感器節(jié)點可信性大小的一種特征，采用D-S證據(jù)理論計算出相應(yīng)傳感器節(jié)點在每一種特征上的信任度函數(shù)和似然度函數(shù)，將它們作為每一種特征對傳感器節(jié)點的可信性評估結(jié)果；通過計算不同維度上數(shù)據(jù)可信性評估結(jié)果的算數(shù)平均數(shù)即可得到針對每個傳感器節(jié)點的可信度上、下限，找出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可信度較低的傳感器節(jié)點； (2)結(jié)合實際需求中對該傳感器節(jié)點所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求，判斷可信度較低的傳感器節(jié)點是否需要被替換或修正；根據(jù)判斷的結(jié)果進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點維護。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步驟(I)具體按照以下步驟進行: 1)傳感器節(jié)點上報當(dāng)前所采集到的η維環(huán)境數(shù)據(jù)； 2)基于D-S證據(jù)理論，針對所要評估的傳感器節(jié)點A提出命題P:Α是可信的；并將命題P劃分成η個子命題=P1, P2，...，Pn，其中Ph表示傳感器節(jié)點A所采集的第h維數(shù)據(jù)是可信的； 3)通過統(tǒng)計分析同一環(huán)境下傳感器所采集的歷史數(shù)據(jù)或根據(jù)歷史經(jīng)驗，得到傳感器節(jié)點某一維度h上的數(shù)據(jù)對其它維度數(shù)據(jù)的可信性判斷； 4)基于維度h對其它維度上數(shù)據(jù)的可信性評估結(jié)果，計算該條件下傳感器節(jié)點的信任度函數(shù)Belh,其表示根據(jù)第h維數(shù)據(jù)評估所得該傳感器節(jié)點的可信度下限； 5)基于維度h對其它維度上數(shù)據(jù)的可信性評估結(jié)果，計算該條件下傳感器節(jié)點的似然度函數(shù)Plh，其表示根據(jù)第h維數(shù)據(jù)評估所得該傳感器節(jié)點的可信度上限； 6)循環(huán)步驟3)?5)，依次計算出傳感器節(jié)點基于每一維數(shù)據(jù)的可信度上限和下限； 7)針對上述步驟中基于每一維數(shù)據(jù)所得到的傳感器節(jié)點的可信性評估結(jié)果，計算它們的算數(shù)平均數(shù)作為該傳感器節(jié)點最終的可信度上、下限； 其中n，h均是自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步驟(2)中當(dāng)被測量的傳感器節(jié)點可信度下限值在70%?80%以上或上限值在90%以上，無需特殊維護。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步驟(2)中當(dāng)被測量的傳感器節(jié)點可信度下限值在10%?50%之間，根據(jù)實際情況中對環(huán)境數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求對被測量的傳感器節(jié)點采取去除環(huán)境影響因素維護措施。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步驟(2)中當(dāng)被測量的傳感器節(jié)點可信度下限值低于10%或者基本趨近于O時，更換或修復(fù)相應(yīng)的傳感器節(jié)點。
【文檔編號】H04W84/18GK103533570SQ201310452657
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】黃劉生, 苗成林, 徐宏力, 郭偉杰, 楊晨凱 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院