基于合作域的无线传感器网络数据存储机制研究*

李 薇，侯 睿，杨文俊

(中南民族大学 计算机科学学院，湖北 武汉430074)

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)中，节点需要存储本地观测数据，并能够向最终的用户方提供实际的观测信息，其在建筑健康状态监控［1］、环境监控［2］等多个领域中均已得到广泛应用。然而，受传感器节点能量、处理器性能和节点存储空间等多方面因素的制约，传感器已采集数据的存储与处理往往都需要由网络外部的高性能计算机来完成。因此，一些主要的应用均假定传感器网络能够将实时数据连续地发送至汇聚节点［3］。但当网络中出现失效节点或通信受到影响时，终端处理机将有可能无法连续地收到节点采集的数据，此时就需要在网络内采用一定的数据存储机制，并在节点失效的情况下能够尽量地恢复重要数据。在早期的一些研究工作中，通常采用信源编码以提高向汇聚节点的数据传输效率，它们往往利用数据中的时空关系压缩数据［4］，主要编码方式可以分为分布式的变换编码［5］、分布式的信源编码［6］和向量编码［7］等。而在恢复因节点失效而丢失的随机数据时，传统的方式往往只能恢复全部数据而无法进行部分恢复，而且都是基于全网中心化的编码方式，计算量过大［8］，因此，无法适用于传感器网络的应用。

本文针对以上这些问题，提出了一种新型的无线传感器网络数据存储机制。根据节点间的相对位置和探测的事件类型进行分组，使得每个分组能够承担一定范围内的一个或多个事件探测任务。在单个节点无法存储组内所有事件信息的情况下，引入合作域的概念，通过基于网络编码［9］的协作存储机制和存储算法，极大地提高了数据存储的有效性，加强了整个网络的数据容错能力。仿真结果表明:该机制能够节约节点能量，提高节点数据的有效性，加强整个传感器网络的持续性。

1 合作域数据存储机制架构

1.1 应用假设与设计目标

假设在一个拥有N 个传感器节点的网络中，节点采集到的数据信息需要发送至汇聚节点以便进行下一步的处理。由于节点的无线传输速率有限，将所有实时数据均传输给汇聚节点所需的带宽可能大大超出整个网络的通信能力，因此，需要在节点中进行适当的数据缓存。此网络中的每个节点均为同质节点，有一定的运算能力以便对数据进行有限的编解码工作，以提高传输和存储的有效性。

在将传感器网络部署在某些危险区域时，如地震带、火灾现场等，需要传感器网络能够迅速地将实时数据反馈给上层用户，并且能够对网络有一定的控制能力。基于以上的假设和应用场景，可将设计目标总结如下:

1)能够在最短时间尽可能多地向汇聚节点传递数据;

2)使网络具有一定的可配置性，以便针对不同的监控情况对网络加以控制;

3)网络因具有一定的自适应性，以应变恶劣环境带来的影响;

1.2 体系架构

此机制的核心目标是对各种事件进行监测并管理节点采集到的数据信息，此外，还需要进行相关的分组控制、QoS调度和路由控制等工作。为了在有限的资源下达到此目标，引入合作域(cooperation region)的概念，即将网络中监控事件类型一致并可以通过单跳或两跳实现传输的临近节点分为一组，并通过组内协商确定合作域的管理(cooperation manager，CM)节点。合作域内的成员节点实现数据冗余缓存，并由CM 统一进行管理。

2 信息合作域的建立

为了说明合作域，首先给出其相关定义:令Z={z1，z2，…，zn}是由无线传感器网络中N 个节点所组成的集合，若)均可以直接进行通信或通过另一个节点)进行信息中转，那么就称zi，zj是邻节点，且Z 可以形成一个合作域。

在网络初始状态下，节点会定时广播本地的基本信息，如剩余能量、存储能力等。每个节点接收到其他节点的信息后即可构建其本地的邻节点列表。在一个高密度的网络中，某些节点可能包含在多个节点的邻节点列表中，如直接根据邻节点列表建立合作域，那么就会使得不同合作域出现重叠，此时就需要通过选取管理节点建立彼此独立的合作域，这一过程与APTEEN［10］等协议中簇头节点的选取比较类似。但由于CM 要担负起一定的管理功能，因此，引入了一个CM 判定的权重机制，即

由式(1)即可获得节点i 的权重值wi，通过比较各节点的权重，选取剩余能量和存储空间较多，而距离其他节点较近，即wi较大的节点作为CM 节点。

3 合作域内的数据存储与提取

传统的数据存储方式往往未对数据进行编码，或由于编解码计算量过大且数据恢复困难而无法应用于传感器网络之中。如果不对数据进行编码直接存储，那么就需要在不同节点上保存冗余数据。当节点内存耗尽或一定周期之后，再随机丢弃数据包。这样一来，为达到较好的恢复效果，将消耗较多的内存和大量的查询开销。本文采用网络编码技术来解决这一问题，这种编码方式可以将不同的数据糅合在一起，以减少对单个节点数据的依赖，从而增加数据的传输、存储的可靠性，非常适合于传感器网络报文易丢失、节点容易失效的应用特点［11］。

增值税新政对企业带来减税效应的研究 …………………………………………………………………… 谢 想 吴力佳（6/38）

实用网络编码将分组数据编码成一组线性无关的数据，接收端只要能够收到其中的一部分即可从中解码出原始数据。在某段时间T 内，当某个合作域内的管理节点CM接收到其他合作域的待缓存数据后，将该组数据定义为一代，因此，同一代的数据包含一定的时空相关性。假设n 为这一组数据中的数据包数量，N 为合作域内当前的节点数量，那么原始数据包队列向量可以表示为，其中的每个数据包向量的长度由数据包大小和有限域的尺寸，那么包中的每个字节就可以表示为向量中的一个元素，即pi，j。为简化说明，此时假设所有数据包的大小一致，均为k 字节，则每个数据包可表示为

3.1 数据的编码与分发

其中

在传感器网络中，为节省节点能量，节点在正常工作一段时间后就会进入休眠直到下次激活。尽管各节点的工作时长相同，但由于各节点的具体激活时间一般处于随机状态，可能造成管理节点需要较长时间才能与某些节点建立通信，进而导致管理节点难于将编码后的数据即时、均匀地分发给合作域中的成员节点。虽然可以让管理节点一直处于工作状态，等待其他节点的激活以发送数据，但这种方式也将增大管理节点的能量消耗。因此，引入了激活时间控制机制。当合作域建立后，通过管理节点协调域内节点的激活时间点，使得管理节点在一定的周期内能够与所有的成员节点均建立通信，以便及时地发送缓存数据。

管理节点编码过程:

1)生成M×n 维的随机系数矩阵Φ={φij}，其中1≤i≤M，1≤j≤n;

2)IF 已完整收到一代数据中的所有数据包THEN

3)END IF;

4)IF 与节点ni(1≤i≤N)建立通信AND 未发送过缓存数据包THEN;

5)从P'中随机选择M/N 个包进行发送，并将它们从P'中删除;

6)END IF。

3.2 数据的提取与解码

当汇聚节点节点或其他的移动数据收集器访问合作域并进行数据查询时，合作域中的节点即可将编码后的数据提交给接收对象。根据上文的编码方式，此时需要获取至少n 个已编码的数据包才能对其进行解码以获得原始数据，即需要查询［nN/M］个节点。接收到这些数据包后，从中提取出n×n 阶的系数矩阵Ψ 和n×k 阶的数据矩阵D，如果Ψ 满秩，则可通过式(3)获得原始数据

若Ψ 不满秩，则需要继续从合作域中的其他节点处获得其他编码数据包后再进行解码。

4 仿真与分析

能够对网络性能带来根本影响的主要指标参数包括:1)每代数据组中的数据包数量n;2)合作域尺寸，即域内节点的数目N;3)编码度M。

网络性能主要可以通过以下指标进行判定:1)控制消息开销;2)传感器网络内的信息可靠性，即出现节点失效后现有数据占原有数据的百分比;3)数据包解码率。本文使用OMNeT++仿真平台［12］实现了此机制的部分组件，以便于比较在不同参数下的具体网络性能。仿真中的相关参数详为:场景大小为100 m×100 m，仿真时间为2 h，节点数量为121 个，节点间距为10 m，节点通信半径为20 m。

4.1 控制信息的开销

在实验中，首先研究了不同合作域尺寸N 对控制信息开销带来的影响。如图1 所示，随着域尺寸的增长，整个控制信息所消耗的通信量在总通信量中所占的比例也随之增长。主要原因在于，当合作域内节点数目增加时，为维持合作域的正常运行的调度开销也会增加，选举新的管理节点也更为复杂。

图1 不同域尺寸下的控制信息开销Fig 1 Control Information overhead of different region size

4.2 信息的有效性

核心设计目标就是在有限的条件下尽量提高信息的可靠性。图2 说明了在不同的域尺寸和节点失效比率的情况下数据有效率的变化。从图2 中可知，当合作域内节点数目较多时，由于提取数据时很容易获得一个满秩的Ψ 矩阵，从而解码出原始数据，使得节点失效对信息可靠性的影响不大。因此，在个别节点容易失效的环境下，增大域尺寸有利于提高信息的可靠性。从图中可知，在节点失效率分别为10%和30%的情况下，如果要取得97%的信息可靠率，那么域内节点数目分别需要达到10 个和15 个。

图2 不同平均域尺寸下的信息有效率Fig 2 Information availability rate of different average region size

虽然增加域尺寸对信息可靠性的提高大有裨益，但从图1 可知，这同样也增加了域内的控制信息开销，使得节点能量消耗增加。因此，需要综合考虑这些因素，设定一个合适的域尺寸，以便在尽量节约节点能量的前提下增加信息的有效性。

5 结 论

通过分析无线传感器网络的特性及其应用特点，针对节点存储能力有限，无法将网内大量数据信息存储在若干个存储节点上的情况，提出了一种新型的基于合作域的传感器网络数据储机制，以便在节约节点能量和内存开销的前提下提高数据的可靠性。给出了其设计目标和体系结构，提出了数据存储合作域、管理节点等基本概念，以及合作域的建立机制和管理节点的选取算法。通过仿真测试，证明其能够在较低的资源开销下提高信息的可靠性。

［1］ Akio H，Kenichi S，Ruoshui L，et al.Lagrangian heuristic method for the wireless sensor networks design problem in railway structural health monitoring［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2012，28:20－35.

［2］ Mohd F，Khairunnisa S.Wireless sensor networks applications:A study in environment monitoring system［J］.Procedia Engineering，2012，41:1204－1210.

［3］ Ousmane D，Joel J，Mbaye S.Real－timedata management on wireless sensor networks:A survey［J］.Journal of Network and Computer Applications，2012，35(3):1013－1021.

［4］ Tossaporn S，Kamol K，Poonlap L，et al.Practical data compression in wireless sensor networks:A survey［J］.Journal of Network and Computer Applications，2012，35(1):37－59.

［5］ Oka A，Lampe L.Energy efficient distributed filtering with wireless sensor networks［J］.IEEE Transaction on Signal Process，2008，56(5):2062－2075.

［6］ Chew L W，Ang L M，Seng K P.Survey of image compression algorithms in wireless sensor networks［C］∥International Symposium on Information Technology，Kuala Lumpur:IEEE，2008:1－9.

［7］ Donoho D L.Compressed sensing［J］.IEEE Transaction on Information Theory，2006，52(4):1289－1306.

［8］ Marcelloni F，Vecchio M.An efficient lossless compression algorithm for tiny nodes of monitoring wireless sensor networks［J］.The Computer Journal，2009，52(8):969－987.

［9］ Fragouli C，Boudec J L，Widmer J.Network coding:An instant primer［J］.Computer Communication Review，2006，36(1):63－68.

［10］Manjeshwar A，Agrawal D P.APTEEN:A hybrid protocol for efficient routing and comprehensive information retrieval in wireless sensor networks［C］∥Proc of the 2nd Int'l Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing，Florida:IEEE，2002:195－202.

［11］Li Y H，Zhang Q Y，Wu S H.Efficient data gathering with network coding coupled compressed sensing for wireless sensor networks［J］.Information Technology Journal，2013，12(9):1737－1745.

［12］Weingartner E，Vom L H，Wehrle K.A performance comparison of recent network simulators［C］∥IEEE International Conference on Communications，Dresden:IEEE，2009:1－5.