基于无线传感器网络的网内数据融合_郑勇

收稿日期:

2005-03-01;修返日期:

2005-04-28

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60273086)

基于无线传感器网络的网内数据融合

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郑 勇,杨志义,李志刚,李 凌

(西北工业大学计算机学院,陕西西安710072)

摘 要:由于电池能量的限制,无线传感器网络设计的一个主要目标就是最大化网络生命期。在传感器网络

中,网内数据融合是减少能源消耗的有效途径。首先基于传感器网络的特点,描述了网内数据融合的概念和网内数据融合的两个层次,重点阐述了在无线传感器网络中网内数据融合的几种数据分发策略,并分析了数据的最大延迟时间T 在各个融合节点上的分配对网内数据融合的影响。

关键词:无线传感器网络;网内数据融合;生命期

中图法分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1001-3695(2006)04-0243-03

In -net w ork D ata A ggregati on i n W ireless Sensor N et w ork

Z HENG Y ong ,YANG Zh -i y,i L I Zh-i gang ,L I L i ng

(C olle ge of Co mpu te r S cie n c e ,N ort hw este rn P ol y t echnical University ,X i an Shanxi 710072,Ch i na )

Abstract :A prm i ary goal in the desi gn ofw i rel ess sensornet w orks is lifetm i em axm i izati on ,constrai ned by t he energy capac-i ty of batteries .One effecti vem ethod to reduce energy consu m pti on i n such net works i s i n -net w ork data aggregati on .Th i s paper expati ates the concept of i n -net w ork data aggregation and t w o aggregati on levels based on the characteristics of thew ireless sen -sor net work firstl y.Then show s several data dissem inati on schemes rel ated to the i n -net work data aggregati on ,and anal yzeit ho w maxm i um del ay T for data deli very affect the resu lt of the i n -net w ork data aggregation when i t is all ocated to each aggrega -ti on node .Key words :W ireless Sensor Net work ;In -net w ork DataAggregati on ;Lif etm i e 无线传感器网络(W ire less Sensor N e t w ork )是众多具有通信、计算能力和感知能力的传感器通过无线方式连接,相互协作,同物理世界进行交互,共同完成特定的应用任务。随着传感技术、通信技术和计算机技术的飞速发展,M E M S 技术的日益成熟与完善,以及它在科学、医疗、商业,国防等领域所具有广泛的应用前景,使无线传感器网络作为一项新型的信息技术日益受到国内外的高度重视。

与In ternet 技术相似,无线传感器网络最初也是由美国军方提出来的,在战场监测等领域具有非常重要的应用(如友军兵力、装备、弹药调配监视;战区监控;敌方军力的侦察;目标追踪;战争损伤评估;核、生物和化学攻击的探测与侦察等)。目前,无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他许多非军事领域。在环境监测领域,传感器网络可以用于森林火灾的监测、环境的生物复杂性映射、洪水监测、精密农业等;在医疗卫生中,可以实现人体生理指标的远程监测、医院内医生和患者的跟踪、药物管理等;此外在家居自动化、车辆跟踪与控制、库存管理控制、特定场景(如博物馆)智能化等诸多方面也具有广泛的应用前景。

无线传感器网络可能包含成千上万个感知节点,通过随机散布的方式部署在感知环境区域。传感器节点由电池驱动,能源非常有限,而应用又需要较长的系统生命期。因此,如何延长无线传感器网络的生命期是目前的一个研究热点。在无线传感器网络中,无线通信是能源的主要消耗者,减少网络通信量可以有效减少传感器网络的能源消耗。本文主要介绍了如何通过网内数据融合技术来减少网络通信量,提高能源有效性,以达到增加网络生命期的目的。

1 无线传感器网络中网内数据融合的概念

无线传感器网络的特点是传感器节点的电源能量有限、通信能力有限、计算能力有限、与物理世界紧密耦合、大规模密集部署、网络动态性强。为了准确、及时地获取信息,必须依靠节点间的协作,大量的M EM S 传感器节点只有通过低功耗无线电通信技术连成网络才能够发挥其整体和综合作用,所以传感器网络作为一个自治系统,涉及到定位及时间同步、协同信号处理、通信模式及协议、网络容量、寿命、任务分配协调控制、自适应性、中间件等诸多问题。

无线传感器网络的某些应用(如森林火灾监测),要求系统生命期必须达到数月,甚至数年的级别,而传感器节点一般由电池驱动,能源有限(再生能源技术又不成熟,成本高,目前还无法应用于微型传感器节点),且对于大规模与物理环境紧密耦合的系统而言,更换电池补充能源的方式是不现实的,这使得能源消耗成为确定系统生命期的最重要因素。图1所示为传感器节点在各种状态下的能量消耗情况[1]。由此可见,通信是能源的主要消耗者。在Berke ley M o te 中,1bit 数据传输的能源消耗可以执行800条指令[2],因此减少传感器网络的通信量是延长网络生命期的主要手段之一。

在传感器网络中主要有两种通信量:从用户到网络的查询和从传感器节点到用户的感知数据。每一个传感器节点都有

243 第4期郑 勇等:基于无线传感器网络的网内数据融合