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基于事件驱动的无线传感器网络数据融合算法 摘要 数据融合是无线传感器网络的重要支撑技术之一，其主要分为应 用层中的数据融合、网络层中的数据融合和独立的数据融合协议层。 网络层数据融合算法负责建立从源节点到基站之间的数据传递、融合 路径，其设计对数据融合效果、节点能耗有重要影响。 监测突发事件是无线传感器网络的一个重要应用，并且监测突发 事件时无线传感器网络具有事件驱动的特点。而网络层上的传统分簇 数据融合算法的分簇机制与事件无关，数据融合效果较差，网络能耗 较高。因此，为了降低应用于突发事件监测的无线传感器网络的能量 消耗，设计实现了一种基于事件驱动的动态分簇数据融合算法 e d d c 。在人体神经系统工作机制和传感器网络分簇数据融合算法的 基础上，建立了基于人体神经系统的传感器节点模型。提出簇的生存 时间和覆盖范围依据事件情况而动态调整，以有效提高数据融合性 能，避免冗余分簇。并采用多跳路由方式建立源节点到基站之间的数 据传递、融合路径，不仅降低了网络能耗，还避免了簇的覆盖范围受 限于簇头节点的通信距离。 利用n s 一2 网络仿真工具将e d d c 算法与同样适用于监测突发事 件的t e e n 协议进行了比较，结果表明，新算法在节点平均能耗和节 点存活数目方面都比t e e n 协议有了明显改善，有效延长了网络的生 存时间。 关键字：无线传感器网络；数据融合；事件驱动；e d d c a b s t r a c t a ne v e n t - d r i v e nd a t a - a g g r e g a t i o na l g o r i t h mf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t d a t aa g g r e g a t i o ni sac r u c i a l s u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) ，a n di tm a i n l yc o n t a i n st h r e ea s p e c t sw h i c ha r e d a t aa g g r e g a t i o na tt h ea p p l i c a t i o nl a y e r , a tt h en e t w o r kl a y e r , a n dt h e a p p l i c a t i o ni n d e p e n d e n td a t aa g g r e g a t i o nl a y e r t h ed a t a - a g g r e g a t i o n a l g o r i t h ma tt h en e t w o r kl a y e r , w h i c hc o n s t r u c t st h er o u t ef r o ms o u r c e n o d e st ot h eb a s es t a t i o n ，i se s s e n t i a lt ot h e p e r f o r m a n c eo fd a t a a g g r e g a t i o na n dt h ee n e r g yd i s s i p a t i o nb y n o d e s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fw s ni s m o n i t o r i n g e m e r g e n c i e s ，i nw h i c hw s ni se v e n t d r i v e n h o w e v e r , t h ee x i s t i n g c l u s t e r i n gd a t a - a g g r e g a t i o na l g o r i t h m s a tt h en e t w o r k l a y e rc l u s t e r r e g a r d l e s so fe v e n t s ，s ot h e i rp e r f o r m a n c e sa r en o ts a t i s f a c t o r y t h e r e f o r e , i no r d e rt os a v e e n e r g y f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa p p l i e dt o m o n i t o r i n ge m e r g e n c i e s ， a ne v e n t d r i v e n d y n a m i c - c l u s t e r i n g d a t a - a g g r e g a t i o na l g o r i t h m ( e d d c ) i sp r o p o s e da n dr e a l i z e d a c c o r d i n g t ow o r k i n gm e c h a n i s m so ft h en e r v o u ss y s t e ma n dd y n a m i c - c l u s t e r i n g d a t a - a g g r e g a t i o na l g o r i t h m s ，an o v e lw s nn o d em o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nt h en o d em o d e l ，e d d c d y n a m i c a l l ya d j u s t st h el i f e t i m ea n dt h e s c a l eo fc l u s t e r sa c c o r d i n gt oe v e n t s c o n s e q u e n t l y , e d d ci m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo fd a t aa g g r e g a t i o na n da v o i d sr e d u n d a n tc l u s t e r i n g a n d m u l t i h o p sc o m m u n i c a t i o ni su t i l i z e di ne d d ct oe s t a b l i s hd a t at r a n s f e r a n da g g r e g a t i o np a t hb e t w e e ns o u r c en o d e sa n db a s es t a t i o n t h i sr e d u c e s e n e r g yc o n s u m p t i o na n de l i m i n a t e st h er e s t r i c t i o no ft h es c a l eo fc l u s t e r s b r o u g h tb y t h ec o m m u n i c a t i o n r a n g eo ft h ec l u s t e rh e a d t h er e s u l t so fn s 一2s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ee d d ca l g o r i t h m p e r f o r m sb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n gt e e np r o t o c o li nt e r m so fa v e r a g e e n e r g yd i s s i p a t i o nb yn o d e sa n dq u a n t i t yo fn o d e sa l i v e ，a n d i t c o n s i d e r a b l yp r o l o n g st h el i f e t i m eo ft h en e t w o r k k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；d a t aa g g r e g a t i o n ；e v e n t d r i v e n ； e d d c 独创性( 或创新性) 声町 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电人学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名：拿善占日期：垒竺蝉 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容。可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书 本人签名； 磊丝 日期： 2 堕翌：主：兰i 导师签名： 汐友 日期： 移；了1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了廉价的低功耗多功 能传感器节点的快速发展。这些微小的传感器节点集成了信息采集、数据处理和 无线通信等多种功能。无线传感器网络w s n ( w i r e l e s s $ e l l s o rn e t w o r k s ) 就是由 部署在监测区域内的大量微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自 组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发送给观察者1 1 1 。 无线传感器网络适合应用于布线、电源供给困难的区域、人员不易到达的区 域( 如环境恶劣地区、敌军阵地等) 和突发事件监测的场合( 如火灾、地震等) ， 其能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监 控、城市交通以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。 数据融合是无线传感器网络的重要支撑技术之一，其对延长网络的生命周期 具有重要作用，目前在这个领域仍有很多急待解决的问题。 1 2 课题来源及背景 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目( 编号： 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 2 2 ) 。 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期，由于其具有十分广阔的 应用前景，因此从2 1 世纪开始，无线传感器网络引起了学术界、军界和工业界 的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别 是美国通过多种渠道投入巨资支持无线传感器网络的研究。在军事领域，美国陆 军2 0 0 1 年就提出了“智能传感器网络通信计划”，并又相继确立了“无人值守地 面传感器群”等项目。美国海军也确立了“传感器组网系统”和“协同作战能力” 等研究项目。在民用领域，美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目 规划”，i n t e l 公司2 0 0 2 年发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。 在学术界，美国的多个著名高校和研究机构都在从事w s n 的理论和应用方面的 研究。例如：加州大学伯克利分校研制的传感器节点“智能尘埃”( s m a r td u s t ) ， 其体积只有一立方毫米，可以悬浮在空中；并研制了传感器节点操作系统t i n y o s 和数据库系统t i n y d b 。加州大学洛杉矶分校研制了w i n s 无线集成网络传感器 ( w i r e l e s si n t e g r a t c dn e t w o r ks c l l 8 0 r s ) 。麻省理工学院致力于基于知识的信号处理 技术。 北京邮电大学工学硕士学位论文 在国内，中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、 电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大 学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早 开展了这一领域的研究，并已经取得了一定的成果。 数据融合算法按照其所处的协议层，可以分为应用层中的数据融合、网络层 中的数据融合和独立的数据融合协议层三个大类。目前，网络层中的数据融合算 法是一个研究热点问题。在网络层中实现的数据融合是利用恰当的路由策略建立 从源节点到基站之间的数据传递、融合路径，实际上就是一种路由算法。网络层 中的数据融合算法可以分为平面数据融合算法和基于层次结构的数据融合算法， 即分簇数据融合算法，分簇数据融合算法更适合于规模较大的网络，且更有利于 提高应用层的数据融合性能。目前，分簇数据融合算法都仅仅考虑了网络的拓扑 结构，而忽略了无线传感器网络应用于监测突发事件时具有事件驱动的特性，所 以数据融合效果较差。因此，有必要针对应用于突发事件监测的无线传感器网络， 充分考虑事件驱动的特点和网络节能的需要，提出一种新的分簇数据融合算法。 1 3 研究目的和意义 本文研究无线传感器网络数据融合算法的目的，是针对无线传感器网络的一 个重要应用场景突发事件监测，在网络层数据融合算法这个范畴上，提出一 种新的分簇数据融合算法，以有效提高应用层的数据融合性能，降低节点能耗， 延长网络的生存时间。 基于以下几点原因，本课题的研究具有重要意义： 1 监测突发事件是无线传感器网络的一个重要应用，如火灾、地震等。 2 传感器节点的能量有限且常常得不到补充。 3 节点能量消耗的主要部分来自于通信能耗【2 】，而数据融合是降低通信能 耗的重要手段之一。 因此，研究应用于突发事件监测的无线传感器网络中的数据融合算法，是一 项具有重要意义的课题。 1 4 研究内容和主要工作 本课题研究内容主要包括，在应用于突发事件监测的无线传感器网络中，如 何选取簇头，如何确定簇的生存事件和覆盖范围，如何建立、维护并解散簇，怎 样建立簇内通信路径、簇头与基站间的通信路径，进而形成从源节点到基站之间 的数据传递、融合路径。 人体神经系统( r i c r v 0 1 , ss y s t e m ) 是由神经细胞构成的多跳网络【3 1 ，与无线传 2 第一章绪论 感器网络具有相似性。无线传感器网络应用于监测突发事件时具有事件驱动的特 点，而人体神经系统恰恰也具有事件驱动的特点，而且神经系统中冗余信息很少， 这也正是无线传感器网络要达到的目标之一。因此，为了解决传统的分簇数据融 合算法与事件无关的问题，将神经系统的工作模式引入算法设计中，提出了一种 新的基于事件驱动的动态分簇数据融合算法。 本文的主要工作如下： 1 建立基于人体神经系统的节点模型 依据人体神经系统的工作机制和传统无线传感器网络分簇数据融合算法，建 立了基于人体神经系统的节点模型，以满足事件驱动对算法设计的要求。 2 建立、维护并解散簇 当监测区域内有事件发生时，根据事件的发生与发展情况选取簇头、确定簇 的生存时间和覆盖范围、维护并解散簇，以适应突发事件监测中事件驱动的特点， 提高数据融合性能。 3 建立簇内通信路径、簇头与基站间的通信路径 传感器节点采集数据后，需要将监测数据发送给簇头，簇头对数据进行融合， 并将融合结果发送给基站。因此，必须建立从簇内节点到簇头，从簇头到基站的 通信路径，从而形成源节点到基站之间的数据传递、融合路径。 4 仿真和分析 利用n s 2 网络仿真工具将新算法与同样适用于监测突发事件的传统协议 t e e n 进行了多方面的比较与分析，以验证新算法的有效性。 北京邮电大学工学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 传感器网络结构 无线传感器网络由传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、基站( b a s es t a t i o n ) 和管理节 点组成，如图2 1 所示。大量的传感器节点被随机部署在监测区域内，通过自组 织方式构成网络。传感器节点的监测数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输， 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到基站，最后通过 互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管 理，发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点 图2 1 无线传感器网络体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池进行供电。从网络功能上看，每个节点 都兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了对本地的信息进行收集和数 据处理之外，还要对其他节点发送来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与 其他节点协作完成一系列特定的任务。 基站的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，通常拥有足够的能量供 给。它连接传感器网络与i n t e r n e t 等外部网络，实现两种不同协议栈之间的通信 协议转换，同时向监测区域发布管理节点的监测任务，并把收集到的监测数据转 发到外部网络上。 2 1 2 传感器节点 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块四部 4 第二章无线传感器网络概述 分组成【4 】，如图2 2 所示。传感器模块负责监测区域内的信息采集和数据转换； 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其 它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控 制信息和监测数据；能量供给模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用 微型电池。 传感器模块处理器模块无线通信模块 图2 2 传感器节点体系结构 此外根据应用需要。可能还会有定位系统，电源再生单元和移动单元等。 2 1 3 传感器网络协议栈 无线传感器网络的协议栈与互联网协议栈相似，分为五层，包括：物理层、 数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外，协议栈还包括能量管理平台、移 动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的 方式协同运作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。 各层协议和平台如图2 3 所示。 图2 3 无线传感器网络协议栈 物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电路的复杂 度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。 5 北京邮电大学工学硕士学位论文 数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制，减 少邻居节点广播引起的冲突。 网络层负责路由生成与路由选择，是无线传感器网络的重要因素，一个网络 设计的成功与否，路由协议非常关键。 传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信质量的重 要部分。 应用层包括一系列基于监测任务的应用软件。 能量管理平台管理节点如何使用自己的能源，由于节点能源有限，无论在哪 一层的协议都需要考虑能量的使用，最大限度地节约能量。 移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得 传感器节点能够动态的跟踪其邻居的位置。 任务管理平台平衡和调度某个区域的监测任务。 随着无线传感器网络的发展，又增加了时间同步和定位子层，它们在协议栈 中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协 商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的m a c 协议，基 于地理位置的路由协议等很多网络协议都需要定位和同步信息的支持。 2 2 无线传感器网络的特征 2 2 1 传感器节点的特点 传感器节点在实际应用中存在以下一些特点【5 1 。 1 电源能量有限且补充困难 传感器节点由于体积微小，因此通常只能携带能量十分有限的电池。因为传 感器节点一般被大量部署在环境复杂的区域，甚至是人员不能到达的区域，所以 通过给传感器节点更换电池来补充能源是不现实的。如何最大化网络的生命周期 是无线传感器网络面临的首要挑战，也是各层协议设计需要考虑的首要问题。 2 节点能耗主要来自于通信能耗 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。 随着集成电路工艺的进步，传感器和处理器模块的功耗已经变得很低，绝大部分 能量消耗在无线通信模块上。因此，延长网络生命周期的首要任务是减少网络通 信量。 3 通信能力有限 考虑到传感器节点的发射功率限制和网络的覆盖区域较大，无线传感器网络 采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百k b p s 的速率。由于节点的无线通信受高山、建筑物等障碍物以及风雨雷电等自然环境 6 第二章无线传感器网络概述 的影响，其通信性能可能经常变化，甚至出现通信中断。在这样的通信环境和节 点通信能力有限的情况下，如何设计网络的通信机制以满足无线传感器网络的通 信需求是传感器网络面临的挑战之一。 4 计算及存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导 致其携带的处理器能力较弱，存储器容量较小。但是，传感器节点需要完成许多 繁杂的任务，例如：监测数据的采集和转换、数据的处理和管理、数据路由、处 理管理节点的任务请求和节点行为控制等。因此，传感器节点如何利用有限的计 算和存储资源协同完成多种任务是无线传感器网络的设计挑战。 2 2 2 传感器网络的特点 1 网络规模较大 为了获取精确的数据，通常在监测区域内部署大量的传感器节点。无线传感 器网络的大规模性包含两方面的含义：一方面，传感器节点分布在很大的地理区 域内，如对森林进行防火及环境监测；另一方面，在一个面积不是很大的空间内， 密集部署了大量的传感器节点。 2 网络节点具有自组织性 传感器节点通常是被随机布撒在监测区域内的，其不能预先确定自身的位 置，也不能预先了解节点之间的邻居关系，这样就要求传感器节点具有自组织的 能力，能够自动进行配置和管理，通过网络协议自动形成能够采集并转发监测数 据的多跳无线网络。 3 网络具有动态性 无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗 尽造成传感器节点出现故障或失效；环境变化可能造成无线通信链路带宽变 化，甚至通信中断；传感器节点、感知对象和观察者都可能具有移动性；新 节点加入。传感器网络必须能够适应这些变化，具有系统可重构性。 4 网络对安全性要求较高 由于监测区域环境的限制和传感器节点数目较大，网络的维护十分困难甚至 不可维护。因此，无线传感器网络对通信保密性和安全性提出了较高的要求，要 防止监测数据被盗或被伪造。 5 网络与应用密切相关 无线传感器网络用于感知客观世界，获取客观世界的信息。而客观世界的物 理量多种多样，应用的环境也多种多样。不同的应用背景对无线传感器网络的要 求不同，其硬件平台、网络协议、软件系统必然会有很大差别。所以无线传感器 网络不肯能像i n t e r a c t 一样，具有较为统一的通信协议平台。针对具体应用来研 7 北京邮电大学工学硕士学位论文 究无线传感器网络技术，才能使网络系统更贴近应用，才能做出更高效的目标系 统。 6 以数据为中心的网络 无线传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何 意义。传感器节点的编号与其位置并无必然联系。用户使用传感器网络查询事件， 获取监测数据时，关心的是所要查询的事件本身，并不关心是究竟是哪个节点提 供了数据，这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言的交流 习惯。因此，通常说无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。 2 3 无线传感器网络的典型应用 2 3 1 军事应用 无线传感器网络具有可快速大量部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特 点，因此非常适合在军事上应用。利用无线传感器网络可以实现战场的实时监控、 目标定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。通过飞机或 炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网 络，就能够非常隐蔽而且近距离地收集战场信息。传感器网络由大量的随机分布 的节点组成，即使一部分节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网 络，继续完成监测任务。 在军事领域，c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u a i c a t i o n , c o m p u t i n g i n t e l l i g e n c e , s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系统的目标是利用先进的高 科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监 视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。而无 线传感器网络因其不同于传统网络的特点，已成为c 4 i s r t 系统不可或缺的一部 分。 2 3 2 环境监测 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传 统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获 取提供了方便，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏，比 如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和 土壤的成分等。a l e r t 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤 水分，并依此预测爆发山洪的可能性【6 】。 特别是在发生了火灾、地震、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通 信网络设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信 第二章无线传感器网络概述 地球站以及微波通信站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说， 这时就最需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组 织网络技术，通过在有可能发生灾难的区域实现布置传感器节点，探测温度、湿 度等方面的变化，及早发现出现的异常情况，并通过节点定位方法准确定位，使 得人们能在第一时间对灾难做出反应，将损失降到最低。 2 3 3 医疗护理 无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生 理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。可以利用传 感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有 用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的 不便。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备， 医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理【7 】。还可 将传感器节点安药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而 减少病人用错药的可能性。 人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在s s i m ( s m a r ts e n s o r sa n d i n t e g r a t e dm i c r o s y s t c m s ) 计划中，替代视网膜的芯片由1 0 0 个微型传感器组成， 并置入人眼，目的是使得失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接收的实力 水平。传感器的无线通信满足反馈控制的需要，有利于图像的识别和确认。 2 3 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络 节点实现对星球表面长时间的监测，这种方式成本很低，节点体积小，相互之间 可以通信，也可以和地面站进行通信，是一种经济可行的方法。n a s a 的j p l 实 验室研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在弗罗里达 宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 2 3 5 其他方面的应用 除了以上几方面，无线传感器网络还可以被应用于其它领域。例如：在工业 安全方面，可以应用于有毒或放射性的场合；在交通领域，用于进行城市车辆监 控和跟踪【8 】；在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与h n t c m c t 连接在 一起，可以为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境；在建筑物 状态监控领域，作为c t e s ( c e n t e ro fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hi nt h e i n t e 玎略to fs o c i e t y ) 计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算 机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他的建筑物能够自身感觉并意识 9 北京邮电大学工学硕士学位论文 到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑能自动高速管理部门它们 的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作；此外，德国 某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减少足球 比赛中越位和进球的误判断。 综上所述，尽管无线传感器技术的应用目前仍处于起步阶段，但是其应用前 景是十分广阔的，相信随着相关技术的发展和推进，无线传感器网络一定会深入 到人们工作与生活的方方面面。 l o 第三章无线传感器网络数据融合 第三章无线传感器网络数据融合 无线传感器网络的基本功能是收集并返回传感器节点所在监测区域的信息。 而传感器节点的资源十分有限，主要体现在电池能量、处理能力、存储容量以及 通信带宽等几个方面。在收集信息的过程中由各个节点单独传送数据到基站是不 合适的，主要有以下三个原因。 1 浪费通信带宽 在覆盖度较高的无线传感器网络中，邻近节点的监测数据存在冗余性，各个 节点单独传送数据会浪费通信带宽。 2 浪费节点能量 由于信息存在冗余性，因此将传送大量冗余数据将会使整个网络消耗过多的 能量，大大影响网络的生存时间。 3 降低信息收集的效率 多个节点同时传送数据会增加数据链路层的调度难度，造成频繁的冲突碰 撞，降低了通信效率，从而影响信息收集的及时性。 为避免上述问题，无线传感器网络在收集并转发数据的过程中需要使用数据 融合( d a t aa g g r e g a t i o n ) 技术。 3 1 无线传感器网络数据融合的定义 3 1 1 狭义的数据融合 狭义的数据融合是将多份数据进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的 数据的过程，它涉及到多种传统学科和新技术，如通信、模式识别、决策论、不 确定性理论、信号处理、估计理论、最优化技术、人工智能和神经网络等1 9 】。 例如在森林防火的应用中，可以将多个温度传感器探测到的环境温度数据表 示成( 地区范围、最高温度、最低温度) 的形式：在目标自动识别应用中，可以 对图像监测传感器采集的图像数据进行组合，得到监测对象的外貌及其他属性。 数据融合技术的具体实现与应用密切相关，森林防火中只要处理传感器节点的位 置和报告的温度数值，比较容易实现；而在目标识别应用中，由于各个节点的地 理位置不同，针对同一目标所报告的图像的拍摄角度也不同，需要进行三维空间 的考虑，所以融合难度较大。 3 1 2 无线传感器网络中的数据融合 无线传感器网络中的数据融合分为三类：应用层中的数据融合、网络层中的 数据融合和独立的数据融合协议层。 北京邮电大学工学硕士学位论文 应用层中的数据融合就是狭义的数据融合，其依据数据的语义对数据进行融 合操作，主要用于处理同一类型的数据。 网络层中的数据融合算法主要负责构建数据传输、融合的路径，即利用路由 策略构建源节点到基站之间的数据传输、融合路径，属于路由算法的范畴。 独立的数据融合协议层是介于网络层与m a c 层之间的一个层次，在该层进 行数据融合不需要了解应用层的语义，而是直接对数据链路层的数据包进行狭义 的数据融合。 3 2 数据融合的作用 在无线传感器网络中，数据融合具有十分重要的作用，主要体现在降低网络 能耗，增强所收集数据的准确性和提高数据收集效率三个方面。 1 降低网络能耗 无线传感器网络是由大量部署在监测区域的传感器节点所组成。由于单个传 感器节点的监测范围和可靠性有限，需要在监测区域内使传感器节点达到一定的 密度，以增强整个网络的鲁棒性和监测信息的准确性，有时使得多个节点的监测 范围相互交叠。这种监测区域的相互重叠导致邻近节点收集到的信息存在一定程 度的冗余。比如，在温度监控的应用中，每个位置的温度都可能会有多个传感器 节点进行监测，这些传感器节点所采集的温度数据可能非常接近甚至完全相同。 因此，在这种冗余程度很高的情况下，把这些节点采集的数据全部发送给基站与 仅发送一份数据相比，除了使整个网络消耗更多的能量外，基站并未获得更多的 信息。 数据融合就是针对上述情况对冗余数据进行网内处理，即中间节点在转发监 测数据之前，首先对数据进行综合，去掉冗余信息，在满足应用需求的前提下将 需要传送的数据量最小化。数据融合利用的是节点的计算资源和存储资源，其能 量消耗与传送数据的能耗相比要少很多。因此，通过数据融合减少数据传输量， 可以有效节省能量。在理想的融合情况下，中间节点可以把n 个长度相等的输入 数据分组合并成1 个等长的输出分组，只需要消耗在不进行融合情况下所消耗的 能量的1 n 即可完成数据传输；在最差情况下，数据融合操作即使并未减少数据 通信量，但通过减少分组的个数，同样可以减少信道的协商或竞争过程造成的能 量开销。 随着集成电路的发展，处理器的处理能力会不断提高，功耗会不断降低，因 此，进行数据融合，利用低能耗的计算资源减少高能耗的通信开销是非常有意义 的事情。 2 增强所收集数据的准确性 第三章无线传感器网络数据融合 无线传感器网络由大量廉价的传感器节点组成，部署在各种各样的环境中， 从传感器节点获得的信息存在着一定的不可靠性。导致数据不可靠的主要因素如 下： ( 1 ) 受到成本及体积的限制，节点配置的传感器精度一般较低。 ( 2 ) 无线通信的机制使得传送的数据更容易因受到干扰而遭受破坏。 ( 3 ) 恶劣的工作环境除了影响数据传送外，还会破坏节点的功能部件，令其 工作异常，发送错误的监测数据。 因此，需要通过对监测同一对象的多个传感器所采集的数据进行融合，以有 效提高信息的精度和可信度。 虽然可以在监测数据全部单独传送到基站后进行集中融合，但这种方法得到 的结果往往不如在网内进行数据融合得到的结果精确，有时甚至会产生融合错 误。数据融合一般需要数据源局部信息的参与，如数据产生的地点、产生数据的 节点归属的簇等。相同地点的数据，如果属于不同的簇可能代表完全不同的数据 含义。如对于树下和树上的节点分别测量不同高度情况下目标区域的温度，虽然 从二维环境下看它们在同一个地点，但是这两个温度数据是不能够融合的。正是 由于局部信息的参与使得局部信息融合比集中数据融合更有优势。 3 提高数据收集效率 在无线传感器网络中进行数据融合，可以在一定程度上提高网络收集数据的 整体效率。通过数据融合减少了数据通信量，可以减轻网络的传输拥塞，降低数 据的传输延迟，即使有效数据量并未减少，但通过对多个数据分组进行合并减少 了数据分组的个数，也可以减少传输中的冲突碰撞现象，从而提高无线信道的利 用率。 3 3 狭义数据融合的分类 狭义的数据融合可以从不同的角度进行分类，如：依据融合前后数据的信息 量变化分类；依据融合操作的级别进行分类。 3 3 1 根据融合前后数据的信息量划分 根据融合前后的信息量变化，可以将狭义的数据融合分为无损融合( 1 0 s s l e s s a g g r e g a t i o n ) 和有损融合( 1 0 s s ya g g r e g a t i o n ) 两类【1 0 1 。 1 无损融合 无损融合中，所有的细节信息均被保留。此类融合的常见做法是去除信息中 的冗余部分。根据信息论，在无损融合中，信息整体缩减的大小受到其熵值的限 制。 北京邮电大学工学硕士学位论文 时间戳融合是无损融合的一个例子。在远程监控中，传感器节点汇报的内容 可能在时间属性上有一定的联系，可以使用一种更有效的表示手段融合多次汇 报。比如，一个节点以一个短时间间隔进行了多次汇报，每次汇报中除时间戳不 同外，其它内容均相同，那么收到这些汇报的中间节点可以只传送时间戳最新的 一次汇报，以表示在此时刻之前，被监测的事物都具有相同的属性。 2 有损融合 有损融合通常会省略一些细节信息或降低数据的质量，从而减少需要存储或 传输的数据量，以达到节省存储资源、降低能耗的目的。有损融合中，信息损失 的上限是要保留应用所需要的全部信息量。 很多有损融合都是针对数据收集的需求而进行数据融合处理的。比如温度监 控应用中，需要查询某一地区范围内的平均温度或最低、最高温度时，中间节点 将其它传感器节点发送来的数据进行计算，并只将结果数据报告给查询者。从信 息含量角度看，这份结果数据相对于传感器节点所报告的原始数据来说，损失了 绝大部分信息，仅能满足数据收集者的要求。 3 3 2 根据融合操作的级别划分 根据对传感器数据的操作级别，可以将狭义的数据融合技术分为以下三类： 1 数据级融合 数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器通过采集得到的数据，因此 是面向数据的融合。这类融合大多数情况下仅依赖于传感器类型，不依赖于用户 需求。在目标识别的应用中，数据级融合即为像素级融合，进行的操作包括对像 素数据进行分类或组合，去除图像中的冗余信息。 2 特征级融合 特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，以反映 事物的属性，是面向监测对象特征的融合。例如在温度监测中，特征级融合可以 对温度传感器数据进行综合，表示成( 地区范围、最高温度、最低温度) 的形式； 在目标监测中，特征级融合可以将图像的颜色特征表示成r g b 值。 3 决策级融合 决策级融合根据应用需要进行较高级的决策，是最高级的融合。决策级融合 的操作可以依据特征级融合提取的数据特征，对监测对象进行判别、分类，并通 过简单的逻辑运算，执行满足应用需求的决策。因此，决策级融合是面向应用的 融合。例如在灾难监测中，决策级融合可能需要综合多种类型的传感器信息，包 括温度、湿度、震动等，进而对是否发生了灾难事故进行判断；在目标监测中， 决策级融合需要综合监测目标的颜色特征和轮廓特征，对目标进行识别，最终只 传输识别结果。 1 4 第三章无线传感器网络数据融合 3 4 无线传感器网络数据融合的分类 无线传感器网络中的数据融合技术，依据数据融合算法所处的协议层可以分 为三类：应用层中的数据融合、网络层中的数据融合和独立的数据融合协议层。 3 4 1 应用层中的数据融合 应用层的数据融合最显著的特点是需要了解监测数据的语义，根据监测数据 的语义，对其进行数据融合。无损融合、有损融合、数据级融合、特征级融合、 决策级融合这些数据融合算法一般都是在应用层实现的。 由于无线传感器网络具有以数据为中心的特点，应用层的设计需要考虑以下 几点： ( 1 ) 应用层的用户接口需要对用户屏蔽底层的操作，用户不必了解数据具体 是如何收集上来的，以便于即使底层实现有了变化，用户也不必改变原来的操作 习惯。 ( 2 ) 无线传感器网络可以实现多任务，应用层应该提供方便、灵活的查询提 交手段。 ( 3 ) 既然通信的代价相对于本地计算的代价要高，应用层数据的表现形式应 便于进行网内计算，以大幅度减少通信的数据量，减少能耗。 因此，为了满足上述要求，分布式数据库技术被应用于无线传感器网络的数 据收集过程，应用层接口也采用类似s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 的风格【1 1 1 2 】。s q l 在多年的发展过程中，已经证明可以在基于内容的数据库系统中工作得 很好。采用类s q l 的语言，无线传感器网络可以获得以下好处： ( 1 ) 对于用户需求的表达能力强，非常易于使用。 ( 2 ) 可以应用于任何数据类型的查询操作，能够对用户完全屏蔽底层的实 现。 ( 3 ) 其表达形式非常易于通过网内处理进行查询优化；中间节点均理解数据 请求，可以对接收到的数据和自己的数据进行本地运算，只提交运算结果。 ( 4 ) 便于在研究领域或工业领域进行标准化。 在应用层使用分布式数据库技术，虽然带来了易用性以及较高的融合度等好 处，但可能会损失一定的数据收集效率。虽然分布式数据库技术已经比较成熟， 但是针对无线传感器网络的应用场合，还有很多需要研究的地方。例如，由于传 感器节点的计算资源和存储资源有限，如何控制本地计算的复杂度是需要考虑的 问题；各种查询操作苻的能量消耗不尽相同，如何对查询调度进行优化以及如何 与网络层技术相结合也需要进行进一步的探讨：对于分布式数据查询，如何在节 点间建立索引，即解决“存什么”和“存在哪”的问题，对查询效率的提高也至 1 5 北京邮电大学工学硕士学位论文 关重要。 3 4 2 网络层中的数据融合 在无线传感器网络中，网络层的数据融合算法实际上就是一种路由算法。网 络层的数据融合算法负责建立数据传递、融合的路径，监测数据沿着这条路径从 分散的源节点逐步汇集到基站，在汇集的过程中由中间节点对数据进行融合处 理。如图3 1 所示，a 、b 、c 、d 四个传感器节点监测到突发事件，如果能够构 建一条数据传递、融合的路径，使网络节点能够将监测数据充分地融合后再传递 融合结果给基站，那么就能够有效降低数据传输量，节省能量。 图3 1 沿数据融合路径传输数据 本文提出的基于事件驱动的动态分簇数据融合算法即属于网络层中的数据 融合算法。 3 4 3 独立的数据融合协议层 与应用层中的数据融合相比主要有以下几点缺陷： 1 破坏了各网络协议层的完整性，上下层协议不透明。 2 为了跨协议层理解数据，需要对数据进行重新命名，而命名机制导致来 自同一源节点的不同类型的数据之间不能融合。 3 导致信息丢失过多，且容易引入较大的延迟。 独立于应用的数据融合机制a i d a ( a p p l i c a t i o ni n d e p e n