李　娜　吳　帆　劉元安

摘要:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的傳輸技術(shù)發(fā)展迅速,但單純的傳輸原始感知數(shù)據(jù)并不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益發(fā)展的智能化需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)在原始采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將大量的信息處理和計算移植到傳感網(wǎng)內(nèi)部進行,從海量的、雜亂無章的、難以理解的原始數(shù)據(jù)中抽取并推導(dǎo)出對于某些特定的用戶來說具有特定意義和判決參考價值的數(shù)據(jù)。網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)能夠降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量、節(jié)約能量資源、提高數(shù)據(jù)精度、減小傳輸延遲,以達到提高網(wǎng)絡(luò)性能,高度契合用戶信息需求的目標,是未來傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)內(nèi)信息處理;協(xié)作聚集;數(shù)據(jù)融合

Abstract: The transmission technology of Wireless Sensor Networks (WSNs) has developed rapidly; however, it cannot follow the steps of intelligent applications of the future WSN by just transmitting the original data. Network information processing transfers the majority of processing and computing works into WSN based on original data collection. A mass of incomprehensible original data is extracted and inferred into meaningful and consultable data to some certain users. Meanwhile, by network information processing, the data transmission account and latency are decreased; the energy efficiency and data accuracy are increased. Network information processing for advancing network performance and according to users information requirements is one of the most important development directions of the future WSN.

Key words: wireless sensor network; network information processing; cooperated collection; data fusion

近年來,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展突飛猛進[1-2],在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、工作機制、傳輸協(xié)議等方面已具備較為成熟的理論體系。在現(xiàn)有的較完備的網(wǎng)絡(luò)傳輸體系基礎(chǔ)之上,傳感網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢將朝向網(wǎng)絡(luò)進一步的完善技術(shù)——傳感網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)。應(yīng)用技術(shù)從傳感器節(jié)點硬件設(shè)備及平臺的制造、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的角度推進傳感器網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)實應(yīng)用轉(zhuǎn)化;網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)包括定位技術(shù)、同步技術(shù)、安全技術(shù)、網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)等,以網(wǎng)絡(luò)性能的提升為主要目標,提高網(wǎng)絡(luò)整體的服務(wù)質(zhì)量和智能化。

網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)旨在對原始采集數(shù)據(jù)進一步包裝整合,將大量的信息處理和計算移植到傳感網(wǎng)內(nèi)部進行,從而簡化對用戶端的設(shè)備要求,用戶側(cè)可以使用更加低端和簡易設(shè)備進行感知信息的讀取和應(yīng)用。網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)使傳感網(wǎng)具有更高級、更完善的信息處理能力,提供給用戶的感知信息將更易理解。

1 網(wǎng)內(nèi)信息處理概述

從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度來看,由大量底層的感知節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)過層層聚集,傳輸?shù)絽R聚節(jié)點,這種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量分布特性稱為“漏斗效應(yīng)”[3]。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大,數(shù)據(jù)流量越多,漏斗的壓力也就越大,發(fā)生阻滯和擁塞的可能性也越大,將會嚴重地影響網(wǎng)絡(luò)性能。網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)能夠很好地解決這個問題,針對底層節(jié)點龐大的數(shù)據(jù)流量,隨著數(shù)據(jù)匯聚程度的增加,在保證基本信息不丟失的前提下,盡量地減小傳輸數(shù)據(jù)量。

因此,網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)最大的特點和優(yōu)勢體現(xiàn)為:網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)的同時,也對數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)在由采集節(jié)點到用戶域的傳輸過程中,完成了復(fù)雜而完整的信息處理流程,而具體的信息處理方法則根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行設(shè)計和實現(xiàn)。由網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)帶來的直接網(wǎng)絡(luò)收益主要體現(xiàn)在以下4個方面:節(jié)約電池能量、減少數(shù)據(jù)冗余、提高數(shù)據(jù)精度、減小傳輸延遲。

(1)節(jié)約電池能量

大量文獻表明[4-5],無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點電池電量消耗最大的是無線電發(fā)送和接受數(shù)據(jù),而在節(jié)點的數(shù)據(jù)處理模塊中對數(shù)據(jù)進行處理所消耗的能量遠遠小于無線射頻模塊。因此,對節(jié)點采集的原始數(shù)據(jù)進行處理,能夠減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量,節(jié)約電池能量,延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

(2)減少數(shù)據(jù)冗余

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,位置相近的傳感器節(jié)點采集到的周邊環(huán)境信息,往往具有較高的相似性,重復(fù)發(fā)送冗余信息顯然不是明智之舉。因此,將具有較高相關(guān)度的多個傳感器節(jié)點采集信息先進行合并處理,得到高質(zhì)量數(shù)據(jù)再進行發(fā)送將會減小中轉(zhuǎn)節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

(3)提高數(shù)據(jù)精度

網(wǎng)內(nèi)信息處理擴展了單個感知小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的連通性,通過協(xié)同工作的工作模式,節(jié)點之間信息交互,能夠進行數(shù)學(xué)計算,得到網(wǎng)絡(luò)管理、移動性管理、業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)化結(jié)果,輔助上層的業(yè)務(wù)操作、傳輸選路、用戶決策等。精度在不同的應(yīng)用場景中有不同的定義,比如在目標跟蹤定位的應(yīng)用中,多個節(jié)點之間的信息交互和聚合協(xié)作,能夠計算出更為精確的目標位置信息。

(4)減小傳輸延遲

傳輸延遲在很多應(yīng)用中是非常重要的網(wǎng)絡(luò)指標,在傳輸過程中對數(shù)據(jù)進行排序、壓縮等處理方法,能夠降低傳輸擁塞率,減小數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲。

網(wǎng)內(nèi)信息處理過程貫穿于從數(shù)據(jù)鏈路層到應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中,如圖1所示。各層協(xié)議根據(jù)網(wǎng)內(nèi)信息處理的總體策略和規(guī)劃,以信息處理為最終目標,執(zhí)行各自的網(wǎng)絡(luò)職能。網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)將信息處理與數(shù)據(jù)傳輸同步進行,因此,在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的每一步都需要針對總體的網(wǎng)內(nèi)信息處理策略制訂相應(yīng)的機制。網(wǎng)絡(luò)控制與管理負責(zé)協(xié)議各層嵌入各種信息接口,定時收集協(xié)議運行狀態(tài),以網(wǎng)內(nèi)信息處理的總體策略為指導(dǎo),實時的協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行。網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)主要包括兩方面的研究內(nèi)容:網(wǎng)內(nèi)協(xié)作模式的數(shù)據(jù)聚集和網(wǎng)內(nèi)信息融合處理。

2 網(wǎng)內(nèi)協(xié)作模式的數(shù)據(jù)聚集

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點是:節(jié)點的體積微小,存儲和處理數(shù)據(jù)的能力低下,且大部分節(jié)點由電池供電,能量受到極大的限制。多年來,關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究和設(shè)計大部分都是圍繞著低能耗、低處理能力特點而進行的,網(wǎng)內(nèi)協(xié)作模式的數(shù)據(jù)聚集一直是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容,以網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的協(xié)作互助為基本方式,解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題,通過協(xié)作模式補償節(jié)點能力和能量受限的問題。

2.1 數(shù)據(jù)聚集的空間策略

傳感器網(wǎng)絡(luò)中邊傳輸邊處理的總體策略決定了網(wǎng)絡(luò)層路由“以數(shù)據(jù)為中心”的特點,如何選擇適合信息處理的最佳傳輸路徑,數(shù)據(jù)流相遇時是否應(yīng)該融合處理,不同的拓撲結(jié)構(gòu)中如何選擇最優(yōu)聚合點,是數(shù)據(jù)聚集的空間策略解決的主要問題。

顯而易見,數(shù)據(jù)聚集的空間策略與網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸路徑存在非常緊密的聯(lián)系?；趯哟蔚姆执鼐W(wǎng)絡(luò)是一種適合于網(wǎng)內(nèi)信息處理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6],在分簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議中,簇首節(jié)點則是理想的數(shù)據(jù)聚合點,所有的簇內(nèi)節(jié)點都會將本地采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點。而且簇成員節(jié)點因為地理位置比較接近,相關(guān)性比較大,數(shù)據(jù)冗余度相對較高,適宜在簇內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理以消除冗余。另一種數(shù)據(jù)收集方法采用樹狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以數(shù)據(jù)融合相關(guān)參數(shù)為路由啟發(fā),生成最優(yōu)化路由,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,進行數(shù)據(jù)融合。文獻[7]提出一種以鄰居節(jié)點之間的數(shù)據(jù)相關(guān)度為選路標準,便于相關(guān)度較高的節(jié)點進行數(shù)據(jù)合并壓縮,降低傳輸能量消耗的路由算法。文獻[8]對大數(shù)據(jù)量的感知信息在路由過程中的融合處理考慮了融合代價問題,即對融合處理和直接轉(zhuǎn)發(fā)在能量上的權(quán)衡,對數(shù)據(jù)在傳輸過程中最優(yōu)化的聚合點和聚合條件做出詳細的決策依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)聚集的時機控制

在無線傳感網(wǎng)中,一個事件的產(chǎn)生所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)由多個傳感器節(jié)點協(xié)作采集和傳輸。以網(wǎng)內(nèi)信息處理為需求的路由方法決定了空間策略的數(shù)據(jù)聚集,而時間上的控制方法也會對其性能產(chǎn)生重要的影響。數(shù)據(jù)聚集的時機控制決定中間節(jié)點合并下游節(jié)點傳來數(shù)據(jù)的最優(yōu)時機,以及對本地數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、合并數(shù)據(jù)的發(fā)送需要等待多長時間等。

關(guān)于聚集時機的選擇有很多種方案。文獻[9]提出一種周期性簡單的聚合時機控制方法,節(jié)點等待一個規(guī)定的固定長度的時間,對已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)據(jù)聚合,然后向下一跳發(fā)送聚合后的數(shù)據(jù)包。文獻[10]根據(jù)節(jié)點在拓撲結(jié)構(gòu)中的位置,確定數(shù)據(jù)聚合的時機,距離匯聚節(jié)點近的節(jié)點等待時間長,距離匯聚節(jié)點遠的節(jié)點等待時間短,所有節(jié)點的等待時間形成一種級聯(lián)效應(yīng),也就是說處于同一層次的節(jié)點,其數(shù)據(jù)聚合時機相同。這種選擇方法在保證數(shù)據(jù)準確性及時延的情況下,可以使所有傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)在沿已知路徑回傳時,最大程度地聚合,有效節(jié)省了傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量。

3 網(wǎng)內(nèi)信息融合處理

如前所述,傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的不僅僅是感知數(shù)據(jù)的采集與透明傳輸,網(wǎng)絡(luò)在實時、可靠地傳輸數(shù)據(jù)的同時,也是一個信息加工的工廠,在原始數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行了大量數(shù)據(jù)處理工作,傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)外部終端的感知信息將是從海量的、可能是雜亂無章的、難以理解的原始數(shù)據(jù)中抽取并推導(dǎo)出對于某些特定的用戶來說具有價值、具有意義的處理后數(shù)據(jù)。網(wǎng)內(nèi)信息融合處理功能框圖如圖2所示。

網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合處理與傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式密切相關(guān),涉及到多種數(shù)據(jù)處理功能。針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同信息獲取需求,選擇不同的數(shù)據(jù)處理功能,從而滿足對于特定應(yīng)用場景的需求。按照操作對象的特點,網(wǎng)內(nèi)信息融合處理分為以下級別:數(shù)據(jù)級、特征級、融合級、表示級。

3.1 數(shù)據(jù)級處理

(1)數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲方式直接影響系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)處理模塊的運行,傳感器網(wǎng)絡(luò)中采集的數(shù)據(jù)可以選擇分布式或中央集控式存儲方式,存儲方式要考慮到節(jié)點容量限制、數(shù)據(jù)收集和分發(fā)模式、冗余備份和能耗最小化等問題。

(2)數(shù)據(jù)備份

網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)具有一定的時間有效性,在進行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理的時候,處理的結(jié)果可以實時傳輸?shù)浇K端用戶,以便針對發(fā)生的事件進行及時有效的處理控制。但對于重要的數(shù)據(jù),需要進行數(shù)據(jù)備份,制作歷史記錄以備查詢,備份的數(shù)據(jù)在超過數(shù)據(jù)的時間有效期之后可以刪除。

3.2 特征級處理

(1)特征提取

對某一模式的一組測量值進行計算和變換,突出該模式具有代表性的特征,針對不同的數(shù)據(jù)特征,進行數(shù)據(jù)處理。同一個模擬信息源有不同的特征提取方法,根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇需要提取的特征。

(2)數(shù)據(jù)分類

利用提取的不同數(shù)據(jù)特征,可以把采集的數(shù)據(jù)按不同需求整理分類,可以按數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)包長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容等多種規(guī)則進行分類。分類后的數(shù)據(jù)便于進行下一級的融合處理。分類規(guī)則與更高層的融合策略有關(guān)。

(3)數(shù)據(jù)排序

數(shù)據(jù)排序功能需要數(shù)據(jù)庫支持,通過對數(shù)據(jù)項的特征排序,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)按不同的優(yōu)先級處理,排序整理后的數(shù)據(jù),提高了傳輸有序性,同時也優(yōu)化了用戶所獲得的信息結(jié)果。

(4)數(shù)據(jù)篩選

數(shù)據(jù)篩選完成傳感器節(jié)點所采集數(shù)據(jù)與用戶的信息需求之間的匹配、總結(jié)和轉(zhuǎn)換功能。一方面,對于數(shù)據(jù)集合,用戶所要獲取的信息可能并不是傳感器網(wǎng)絡(luò)采集得到的所有數(shù)據(jù),另一方面,對于單個數(shù)據(jù)項,用戶所要獲取的信息可能只是該項中的一部分,因此需要針對性地通過篩選將用戶需要的信息提取出來傳送給用戶,屏蔽不需要的數(shù)據(jù)。

3.3 融合級處理

(1)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

關(guān)聯(lián)分析的目的是找出數(shù)據(jù)中隱藏的關(guān)聯(lián)網(wǎng)。某種情況下的感知信息獲取,單一的數(shù)據(jù)不能表征物體的特性,需要多個數(shù)據(jù)協(xié)同表示。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的結(jié)果取決于關(guān)聯(lián)規(guī)則的可信程度。關(guān)聯(lián)可分為多維度的不同數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、多時刻的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、多個不同類型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

(2)數(shù)據(jù)變換

某些信息(例如圖像特征的信息)直接處理的復(fù)雜性非常大,為了方便處理,需要對這類信息進行數(shù)據(jù)的變換,在變換域中進行數(shù)據(jù)處理。通過對這類數(shù)據(jù)的變換計算能節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)的計算資源。對于標量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)變換主要用于計算數(shù)據(jù)的最大最小值、平均值、統(tǒng)計計數(shù)等。

(3)數(shù)據(jù)合并

數(shù)據(jù)合并處理數(shù)據(jù)項之間的關(guān)系,合并相同的數(shù)據(jù)項,或按照關(guān)聯(lián)規(guī)則進行數(shù)據(jù)項的合并,從而減少數(shù)據(jù)量,減少冗余,降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸開銷和能耗。

(4)數(shù)據(jù)加密

考慮到網(wǎng)絡(luò)安全問題,數(shù)據(jù)加密以加密格式存儲和傳輸敏感數(shù)據(jù)。加密算法是公開的,而密鑰則是不公開的。傳統(tǒng)加密方法有兩種,替換和置換。替換的方法是使用密鑰將明文中的每一個字符轉(zhuǎn)換為密文中的一個字符,而置換僅將明文的字符按不同的順序重新排列。

3.4 表示級處理

(1)數(shù)據(jù)重構(gòu)

根據(jù)用戶的不同需求,最終數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式可能與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同,這時就需要進行數(shù)據(jù)重構(gòu)。先提取網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述,根據(jù)用戶的需求,通過相應(yīng)的映射函數(shù)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換,這樣用戶就可以訪問到正確的數(shù)據(jù)信息。

(2)數(shù)據(jù)表示

對于不同的應(yīng)用,呈現(xiàn)在用戶面前的數(shù)據(jù)有不同的表現(xiàn)方法。對于標量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式可以分為單點數(shù)值表示和多點數(shù)值表示。單點數(shù)值表示特定時間的信息。還可以根據(jù)多點的變化趨勢情況表現(xiàn)數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)的總體情況。對于非標量數(shù)據(jù),二維或多維的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)才可以反映數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征。

(3)壓縮編碼

按照特定的編碼機制用比較少的數(shù)據(jù)位元(或者其他信息相關(guān)的單位)表示信息,從壓縮結(jié)果來看可以分為有損壓縮和無損壓縮,由于傳感器采集的一般是模擬信息,所以主要采用有損壓縮算法。針對不同的傳感器數(shù)據(jù)特征又可以采用標量數(shù)據(jù)壓縮算法或者矢量數(shù)據(jù)壓縮算法,根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類別可以選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)壓縮算法。

4 結(jié)束語

網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)使傳感器網(wǎng)絡(luò)的職能不僅僅是一個向用戶提供物理世界信息的傳輸工具,更是一個具有高度計算能力和處理能力的信息加工廠。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中得到計算處理,用戶端接收到的是經(jīng)過了大量網(wǎng)內(nèi)處理的非原始數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對節(jié)點采集數(shù)據(jù)進行聚合處理,降低數(shù)據(jù)總量、節(jié)約能量資源、提高數(shù)據(jù)精度、減小傳輸延遲,以達到提高網(wǎng)絡(luò)性能,高度契合用戶的信息需求的目標。未來對于網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)的研究和實現(xiàn)將推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為真正成為智能的信息獲取渠道。

5 參考文獻