無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

由于大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，共同完成信息收集、目標(biāo)監(jiān)視和感知環(huán)境的任務(wù)。因此，在信息采集的過程中，采用各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的方法顯然是不合適的。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)存在大量冗余信息，這樣會(huì)浪費(fèi)大量的通信帶寬和寶貴的能量資源。此外，還會(huì)降低信息的收集效率，影響信息采集的及時(shí)性。

為避免上述問題，人們采用了一種稱為數(shù)據(jù)融合（或稱為數(shù)據(jù)匯聚）的技術(shù)。所謂數(shù)據(jù)融合是指將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更高效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。在大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用當(dāng)中，許多時(shí)候只關(guān)心監(jiān)測結(jié)果，并不需要收到大量原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合是處理該類問題的有效手段。

1．?dāng)?shù)據(jù)融合技術(shù)的產(chǎn)生背景來自于數(shù)據(jù)融合的幾個(gè)重要作用

（1）節(jié)省能量

由于部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性（即保證一定的精度），需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的冗余配置。在這種冗余配置的情況下，監(jiān)測區(qū)域周圍的節(jié)點(diǎn)采集和報(bào)告的數(shù)據(jù)會(huì)非常接近或相似，即數(shù)據(jù)的冗余程度較高。如果把這些數(shù)據(jù)都發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，在已經(jīng)滿足數(shù)據(jù)精度的前提下，除了使網(wǎng)絡(luò)消耗更多的能量外，匯聚節(jié)點(diǎn)并不能獲得更多的信息。而采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，就能夠保證在向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，處理掉大量冗余的數(shù)據(jù)信息，從而節(jié)省了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量資源。

（2）獲取更準(zhǔn)確的信息

由于環(huán)境的影響，來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存在著較高的不可靠性。通過對監(jiān)測同一區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，有效地提高獲取信息的精度和可信度。

（3）提高數(shù)據(jù)收集效率

網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，降低傳輸擁塞，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，減少傳輸數(shù)據(jù)沖突碰撞現(xiàn)象，可在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)的效率。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以從不同角度進(jìn)行分類，主要的依據(jù)是三種：融合前后數(shù)據(jù)信息含量、數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系以及融合操作的級(jí)別。

2，根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)信息含量劃分為無損融合和有損融合

前者在數(shù)據(jù)融合過程中，所有細(xì)節(jié)信息均被保留，只去除冗余的部分信息。后者通常會(huì)省略一些細(xì)節(jié)信息或降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3．根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系劃分為依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合以及兩種結(jié)合的融合技術(shù)

依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合可以獲得較大的數(shù)據(jù)壓縮，但跨層語義理解給協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)帶來了較大的難度。獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合可以保持協(xié)議棧的獨(dú)立性，但數(shù)據(jù)融合效率較低。以上兩種技術(shù)的融合可以得到更加符合實(shí)際應(yīng)用需求的融合效果。

4．根據(jù)融合操作的級(jí)別劃分為數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合以及決策級(jí)融合

數(shù)據(jù)級(jí)融合是指通過傳感器采集的數(shù)據(jù)融合，是最底層的融合，通常僅依賴于傳感器的類型。特征級(jí)融合是指通過一些特征提取手段，將數(shù)據(jù)表示為一系列的特征向量，從而反映事物的屬性，是面向監(jiān)測對象的融合。決策級(jí)融合是根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行較高級(jí)的決策，是最高級(jí)的融合。

5. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)協(xié)議層來進(jìn)行

在應(yīng)用層，可通過分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，達(dá)到融合效果；在網(wǎng)絡(luò)層，可以結(jié)合路由協(xié)議，減少數(shù)據(jù)的傳輸量；在數(shù)據(jù)鏈路層，可以結(jié)合MAC，減少M(fèi)AC層的發(fā)送沖突和頭部開銷，達(dá)到節(jié)省能量目的的同時(shí)，還不失去信息的完整性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)只有面向應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)，才會(huì)真正得到廣泛的應(yīng)用。

（1）應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)融合

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，因此應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合需要考慮以下因素：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)請求，應(yīng)用層應(yīng)當(dāng)提供方便和靈活的查詢提交手段；應(yīng)用層應(yīng)當(dāng)為用戶提供一個(gè)屏蔽底層操作的用戶接口，用戶使用時(shí)無須改變原來的操作習(xí)慣，也不必關(guān)心數(shù)據(jù)是如何采集上來的；由于節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)高于節(jié)點(diǎn)本地計(jì)算的代價(jià)，應(yīng)用層的數(shù)據(jù)形式應(yīng)當(dāng)有利于網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算處理，減少通信的數(shù)據(jù)量和減小能耗。

從網(wǎng)絡(luò)層來看，數(shù)據(jù)融合通常和路由的方式有關(guān)，例如以地址為中心的路由方式（最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)路由），路由并不需要考慮數(shù)據(jù)的融合。然而，以數(shù)據(jù)為中心的路由方式，源節(jié)點(diǎn)并不是各自尋找最短路徑路由數(shù)據(jù)，而是需要在中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。如圖1所示，這里給出了兩種不同的路由方式的對比。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)融合樹（aggregatton tree）的構(gòu)造。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基站或匯聚節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)時(shí)是通過反向組播樹的形式從分散的傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)逐步匯聚起來的。當(dāng)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到突發(fā)事件時(shí)，傳輸

圖1 以地址為中心的路由與以數(shù)據(jù)為中心的路由的區(qū)別

數(shù)據(jù)的路徑形成一棵反向組播樹，這個(gè)樹就成為數(shù)據(jù)融合樹。如圖2所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是通過融合樹來報(bào)告監(jiān)測到的事件的。

圖2 利用數(shù)據(jù)融合樹來報(bào)告檢測事件