探究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及數(shù)據(jù)融合技術(shù)

曲馨

摘 要 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議即WSN路由協(xié)議，該協(xié)議是面向應(yīng)用的，能夠適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需要。本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹，旨在使人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及數(shù)據(jù)融合技術(shù)有進(jìn)一步的了解。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究時(shí)間尚短，最早是借鑒Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議發(fā)展起來的，由于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議無法在所有的場(chǎng)合下運(yùn)用，因此需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要設(shè)計(jì)不同的路由協(xié)議。數(shù)據(jù)融合技術(shù)屬于前沿性新技術(shù)，目前已研究出大量的能夠指出數(shù)據(jù)融合的路由協(xié)議，這不僅減少了能量消耗，同時(shí)也降低了通信成本。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由器分類

目前這類路由器主要包括了五大類型：按照拓?fù)漕愋蛠矸诸愔饕譃槠矫媛酚蓞f(xié)議、分簇路由協(xié)議；按照路徑數(shù)量可分為單路徑、多路徑路由協(xié)議；按照通信的模式可分為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)型路由協(xié)議、時(shí)間驅(qū)動(dòng)型路由協(xié)議與查詢驅(qū)動(dòng)型路由協(xié)議；按照節(jié)點(diǎn)數(shù)量可分為單播路、多播路路由協(xié)議；按照數(shù)據(jù)融合與否可分為融合、非融合路由協(xié)議。

1.2 各類型無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

平面路由協(xié)議的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)一般是對(duì)等的，具有相同的功能，較適用于較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，容易維護(hù)但是無法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化管理；分簇路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)功能則不相同，各節(jié)點(diǎn)的職責(zé)不同，該協(xié)議具有較好的擴(kuò)展性，常應(yīng)用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中。

單路徑路由協(xié)議能夠?qū)?shù)據(jù)沿著一條路徑進(jìn)行傳遞，但是該協(xié)議的數(shù)據(jù)傳遞通道較少，盡管能量消耗低，但也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中的丟包現(xiàn)象，同時(shí)錯(cuò)誤率較高；而多路徑路由協(xié)議則是將單獨(dú)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，并將分組后的數(shù)據(jù)沿著多個(gè)路徑傳遞，因此若某一條路徑數(shù)據(jù)報(bào)廢，數(shù)據(jù)也能夠沿著其他路徑進(jìn)行傳遞，該路由協(xié)議具有較高的可靠性，但是能夠消耗和重復(fù)率較高，因此應(yīng)用受到一定局限。

時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)型傳感器節(jié)點(diǎn)能夠周期性的將采集的數(shù)據(jù)主動(dòng)地匯集到Sink節(jié)點(diǎn)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議等；時(shí)事并將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn)，如預(yù)警類的無線傳感器路由協(xié)議等；而查詢驅(qū)動(dòng)型路由協(xié)議則在收到用戶感興趣查詢時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

單播路由協(xié)議采用一對(duì)一的數(shù)據(jù)傳播方式，即一個(gè)方向?qū)?yīng)一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)；多播路由器則擁有多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)按照樹的形式進(jìn)行傳播，其中樹的分叉處屬于數(shù)據(jù)包復(fù)制與轉(zhuǎn)發(fā)之處。

數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議，能夠?qū)鬏斨械臄?shù)據(jù)按照指定的規(guī)則將多個(gè)數(shù)據(jù)包的信息進(jìn)行融合、壓縮，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)的冗余，減少通信量與能耗，但是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延將增加；非融合路由協(xié)議在數(shù)據(jù)的傳輸中不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸量較大，能量的消耗大，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸擁堵。

上述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中以平面路由協(xié)議與分簇路由協(xié)議為比較典型的兩類。其中，平面路由協(xié)議包括了如Flooding泛洪路由協(xié)議、Gossiping閑聊路由協(xié)議、SPIN路由協(xié)議、MTE路由協(xié)議、DD定向擴(kuò)展路由協(xié)議等；分簇路由協(xié)議則包括了如LEACH、TEEN、HEED、TTDD路由協(xié)議等。此外，還有如SAR、GEAR、SPEED等其他協(xié)議。

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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是高密度的部署，因此節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)有較大的冗余，因此如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)均單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，就會(huì)造成大量的冗余，消耗較多的能量，增加MAC層的調(diào)動(dòng)負(fù)擔(dān)，所以節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合功能能減少上述情況的發(fā)生。

2.1 數(shù)據(jù)融合分類

數(shù)據(jù)融合主要分為三大類，即像素級(jí)、特征層以及決策層融合。像素級(jí)融合是一種低層次的融合，能夠?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)層直接融合，并對(duì)傳感器未經(jīng)處理原始數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、分析；特征層融合屬中間層次融合，能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行提取，并綜合、處理；而決策層融合是一種高級(jí)層次融合，需要經(jīng)本地完成預(yù)處理、特征抽取、識(shí)別等處理，有了初步結(jié)論后進(jìn)行的關(guān)聯(lián)處理，并最終得到聯(lián)合推斷結(jié)果。通過數(shù)據(jù)的融合能夠減少節(jié)點(diǎn)消耗的能量、有效去除冗余，減少數(shù)據(jù)的傳輸量，降低MAC層負(fù)擔(dān)。

2.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

目前，較為常用的數(shù)據(jù)融合技術(shù)包括了貝葉斯法、卡爾曼濾波法、貝葉斯推理、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及D.S證據(jù)推理等等。其中以貝葉斯法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論比較成熟，并廣泛的應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，而D.S證據(jù)推理研究者還有著不同的看法。數(shù)據(jù)融合是一個(gè)多層面和多級(jí)的數(shù)據(jù)處理過程，其最終目標(biāo)是從4個(gè)不同層級(jí)來實(shí)現(xiàn)的：Leve0，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化、標(biāo)準(zhǔn)化、次序化以及壓縮等處理，進(jìn)而使數(shù)據(jù)能夠滿足處理器的要求；Leve1，是將單個(gè)的傳感器位置、身份類別信息進(jìn)行融合，以此獲得更加準(zhǔn)確的位置與身份類別；Leve2、Leve3分別輔助實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)、威脅估計(jì)；Leve4則是對(duì)上述的估計(jì)進(jìn)行修正、評(píng)價(jià)和補(bǔ)充。數(shù)據(jù)融合與分簇協(xié)議的關(guān)系在于，數(shù)據(jù)融合點(diǎn)需要利用路由協(xié)議的回傳數(shù)據(jù)，并將路由結(jié)構(gòu)中的某些節(jié)點(diǎn)作為融合點(diǎn)。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的傳感器方式相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有精度高、靈活性強(qiáng)、可靠性高，具有較高的經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合有效的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠大大的減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂嗪湍芰康南模瑫r(shí)還能減輕MAC層的調(diào)度負(fù)擔(dān)，使數(shù)據(jù)的傳輸速度獲得提高。

參考文獻(xiàn)

1]郭新.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)，2013.

[2]賈西貝.數(shù)據(jù)融合為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D].山東大學(xué)，2012.

[3]侯冰俏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合算法研究[D].山東師范大學(xué)，2014.

作者單位

91550部隊(duì) 遼寧省大連市 116023