摘 要 由于傳感器網(wǎng)絡的能量受限，因此數(shù)據(jù)聚合問題是一個研究的重點，其主要目標是以節(jié)能的方式收集和聚合數(shù)據(jù)，從而提高網(wǎng)絡的生存期。本文綜述了無線傳感器網(wǎng)絡中的兩種數(shù)據(jù)聚合算法，并討論了它們的優(yōu)勢和局限性。

關(guān)鍵詞 傳感器網(wǎng)絡;數(shù)據(jù)聚合;節(jié)能

引言

無線傳感器網(wǎng)絡被廣泛應用于軍事監(jiān)控、設施監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。通常，無線傳感器網(wǎng)絡具有大量的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點之間能夠相互協(xié)調(diào)，相互通信，也能夠與外部匯聚節(jié)點或基站通信。傳感器周期性地感知數(shù)據(jù)，對其進行處理并將其發(fā)送到基站。報告數(shù)據(jù)的頻率和報告數(shù)據(jù)的傳感器的數(shù)量通常取決于具體的應用。

數(shù)據(jù)采集被定義為從多個傳感器中系統(tǒng)地收集感測數(shù)據(jù)，并最終發(fā)送到基站進行處理。由于傳感器節(jié)點的能量受限，而且在相鄰傳感器生成的數(shù)據(jù)通常是冗余和高度相關(guān)的，因此把所有傳感器數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)交镜男屎艿汀Ｒ虼?，我們需要在傳感器本地或中間節(jié)點處將數(shù)據(jù)進行聚合，從而形成高質(zhì)量的信息，這樣可以減少發(fā)送到基站的數(shù)據(jù)包數(shù)量，從而節(jié)省能量和帶寬。這可以通過數(shù)據(jù)聚合來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)聚合嘗試將來自多個傳感器的數(shù)據(jù)融合起來，以消除冗余傳輸，并將融合后的信息傳遞給基站，同時盡量將數(shù)據(jù)延遲降到最低。數(shù)據(jù)延遲問題在許多應用程序中非常重要，例如在環(huán)境監(jiān)測應用中，數(shù)據(jù)的新鮮度也是一個重要因素。開發(fā)高效節(jié)能的數(shù)據(jù)聚合算法以提高網(wǎng)絡生存期是至關(guān)重要的。

網(wǎng)絡生存期、數(shù)據(jù)準確性和延遲程度是數(shù)據(jù)聚合算法的一些重要性能度量。網(wǎng)絡生存期定義為直到網(wǎng)絡中α%的傳感器死亡時，數(shù)據(jù)聚合的輪次數(shù)，其中α由系統(tǒng)設計者指定。例如，在一個應用中，所有節(jié)點需要一起工作，生存期就被定義為第一個傳感器耗盡其能量之前查詢執(zhí)行的輪次數(shù)。針對這樣的應用，其設計的主要思想是通過執(zhí)行數(shù)據(jù)聚合使得網(wǎng)絡中各個節(jié)點有統(tǒng)一的能量消耗。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)精度的定義取決于傳感器網(wǎng)絡針對的具體應用。例如，在目標定位問題中，接收端對目標位置的估計決定了數(shù)據(jù)的準確性。延遲程度被定義為數(shù)據(jù)傳輸、路由和數(shù)據(jù)聚合所導致的延遲。它可以通過在源節(jié)點生成數(shù)據(jù)和在匯聚節(jié)點端接收到數(shù)據(jù)包之間的時間間隔來衡量。

近年來，人們對無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)聚合進行了大量的研究。本文對其中幾種數(shù)據(jù)聚合算法進行了綜述，介紹了其基本功能和不同的特點，討論了它們的性能，并與其他類似方法進行了比較。在此根據(jù)數(shù)據(jù)聚合所涉及的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)對不同的數(shù)據(jù)聚合協(xié)議進行了分類。

1平面網(wǎng)絡

在平面網(wǎng)絡中，每個傳感器節(jié)點扮演相同的角色，并配備大致相同功率的電池。在這種網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)聚合是通過以數(shù)據(jù)為中心的路由來實現(xiàn)的，其中匯聚節(jié)點通常通過泛洪向所有傳感器發(fā)送查詢消息，并且具有與查詢匹配的數(shù)據(jù)的傳感器將響應消息發(fā)送回匯聚節(jié)點。接下來描述兩種協(xié)議，并介紹它們各自的優(yōu)點和局限性。

1.1 推送-擴散方案

在推送-擴散方案中，源節(jié)點是活躍的參與者，當匯聚節(jié)點對源做出響應時啟動擴散。當源節(jié)點檢測到一個事件時，會將數(shù)據(jù)進行泛洪式擴散，最終被匯聚節(jié)點獲得。通過協(xié)商獲得信息的傳感器協(xié)議（SPIN）[1]就是一種基于推送的擴散協(xié)議。SPIN的兩個主要特征是協(xié)商和資源自適應。為了成功地進行數(shù)據(jù)協(xié)商，傳感器節(jié)點需要一個描述符來簡潔地描述其觀測數(shù)據(jù)。這些描述符在SPIN中定義為元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)的格式是根據(jù)應用程序特定的。例如，在區(qū)域覆蓋問題中，覆蓋不相交區(qū)域的傳感器可以使用其唯一ID作為元數(shù)據(jù)。

當一個節(jié)點采集了新數(shù)據(jù)，其作為發(fā)起節(jié)點使用元數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡中的相鄰節(jié)點播發(fā)數(shù)據(jù)。對這種數(shù)據(jù)感興趣的相鄰節(jié)點向發(fā)起節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求。發(fā)起方節(jié)點響應并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。每個節(jié)點都有一個資源管理器，用于監(jiān)測其能源使用情況。每個節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸前要了解其電池電量。這使得傳感器在能量不足時可以減少某些任務。模擬結(jié)果表明，在一段時間內(nèi)，使用SPIN傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與泛洪方式幾乎相同。然而，SPIN帶來的能量消耗減少了3.5倍，并且與泛洪相比，SPIN能夠利用每單位能量多傳輸60%的數(shù)據(jù)量。SPIN的一個主要優(yōu)點是拓撲變化是局部的，因為每個節(jié)點只需要知道它的單跳鄰居。SPIN的主要缺點是無法保證數(shù)據(jù)的傳輸。例如，在入侵檢測應用中，如果對數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點離源節(jié)點較遠，而中間節(jié)點對數(shù)據(jù)不感興趣，則數(shù)據(jù)不會傳遞到匯聚節(jié)點。

1.2 兩階段拉擴散

定向擴散是兩階段拉擴散的一種典型方法，它也是一種以數(shù)據(jù)為中心的路由方案。匯聚節(jié)點最初在網(wǎng)絡中通過發(fā)送興趣消息發(fā)出查詢?nèi)蝿?。如果源?jié)點生成的數(shù)據(jù)的屬性與查詢興趣匹配，則設置一個梯度來標識傳感器節(jié)點生成的數(shù)據(jù)。梯度指定數(shù)據(jù)擴散速率和發(fā)送數(shù)據(jù)的方向。中間節(jié)點能夠緩存和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。每個節(jié)點維護一個數(shù)據(jù)緩存，該緩存記錄了最近被看到的數(shù)據(jù)項。當匯聚節(jié)點接收到低數(shù)據(jù)速率事件后，它加強一個特定的臨節(jié)點以獲得較大的數(shù)據(jù)率。因此，定向擴散是通過利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的局部規(guī)則來實現(xiàn)的。

每個節(jié)點的平均能耗和延遲率被用作性能度量指標。仿真結(jié)果表明，定向擴散比全知多播方案具有更高的能量效率。在全知多播方案中，每個節(jié)點沿著最短路徑多播樹向所有匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。定向擴散的平均能耗僅為全知多播方案的60%，而二者的平均延遲率相差無幾。定向擴散適用于源節(jié)點較多而匯聚節(jié)點較少的網(wǎng)絡。在定向擴散中，不必像SPIN那樣維護全局網(wǎng)絡拓撲。然而，定向擴散并不適用于需要連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的應用。

2層次網(wǎng)絡

平面網(wǎng)絡會導致匯聚節(jié)點的通信和計算負擔過重，從而導致其電池電量的更快耗盡。匯聚節(jié)點的死亡會破壞網(wǎng)絡的功能。因此，從可擴展性和能源效率的角度出發(fā)，提出了幾種層次化的數(shù)據(jù)聚合方法。分層數(shù)據(jù)聚合涉及在特定節(jié)點上的數(shù)據(jù)融合，這減少了發(fā)送到匯聚節(jié)點的消息數(shù)量，提高了網(wǎng)絡的能源效率。接下來介紹一種基于簇的分層數(shù)據(jù)聚合協(xié)議，并說明它們的主要優(yōu)點和局限性。

在大規(guī)模且能量受限的傳感器網(wǎng)絡中，傳感器直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的效率很低。在這種情況下，傳感器可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜鼐酆掀骰虼仡^，后者會將集群中所有傳感器的數(shù)據(jù)聚合后并將結(jié)果傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，這就節(jié)省了大量的能量。簇頭可以通過遠程傳輸或通過其他簇頭的多跳直接與匯聚節(jié)點通信。接下來介紹兩種基于簇的網(wǎng)絡組織和數(shù)據(jù)聚合協(xié)議，即低功耗自適應集簇分層型協(xié)議LEACH和使用固定簇半徑的分簇協(xié)議HEED[2]。

LEACH協(xié)議是分布式的，傳感器節(jié)點將自組成簇進行數(shù)據(jù)聚合。每個簇中的指定節(jié)點（簇頭）將簇中多個傳感器的聚合數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。這會減少傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的信息量。LEACH適用于涉及持續(xù)監(jiān)控和定期數(shù)據(jù)報告的應用。它的兩個主要階段包括建立簇階段和穩(wěn)態(tài)階段。在建立簇階段將整個網(wǎng)絡組織成簇并選擇簇頭。在穩(wěn)態(tài)階段會在簇頭周期性地進行數(shù)據(jù)聚合并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。簇頭的確定方式是以循環(huán)的方式隨機選擇的，這樣能將整個網(wǎng)絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網(wǎng)絡能源消耗和提高網(wǎng)絡整體生存期的目的。

HEED的主要目標是形成有效的集群以最大限度地延長網(wǎng)絡壽命。HEED假設在傳感器節(jié)點上有多個功率級。簇頭選擇基于主次兩個參數(shù)，其中主參數(shù)為每個節(jié)點的剩余能量，具有較多剩余能量的節(jié)點具有較高的概率成為臨時簇頭;次參數(shù)依賴于節(jié)點鄰近度或節(jié)點密度。對于處于多個簇覆蓋范圍內(nèi)的成員節(jié)點則根據(jù)次參數(shù)AMRP來選擇最終的簇加入。AMRP是集群范圍內(nèi)所有節(jié)點到達簇頭所需的最小功率水平的平均值，其提供了通信成本的估計值。

HEED沒有考慮簇間通信，將HEED的性能與廣義LEACH（gen-LEACH）進行了比較。仿真結(jié)果表明，HEED協(xié)議比gen-LEACH協(xié)議提高了網(wǎng)絡生存時間。在gen-LEACH中，簇頭的選擇是隨機的，這可能導致某些節(jié)點的快速死亡。然而，在HEED中，簇頭的選擇使得它們以最小的通信開銷均勻分布。此外，與gen-LEACH相比，HEED在簇內(nèi)部消耗的能量更少。這是由于gen-LEACH需要在簇內(nèi)部廣播各節(jié)點的剩余能量?？傊?，HEED延長了網(wǎng)絡生命周期，從地理位置上較好地實現(xiàn)了簇頭的均勻分布。

參考文獻

[1] Kulik J，Heinzelman W，Balakrishnan H . Negotiation-Based Protocols for Disseminating Information in Wireless Sensor Networks[J]. Wirel. Netw，2002，8（3）：169-185.

[2] Heinzelman? Application-specific protocol architectures for wireless networks[J].PhD Thesis，Massachusetts Institute of Technology，2010（6）：109.

作者簡介

程文靜（1983-），女，河南新鄉(xiāng)人;職稱：講師，現(xiàn)就職單位：鄭州航空工業(yè)管理學院，研究方向：數(shù)據(jù)知識工程。