無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量的評價方法研究*

龍 吟,吳銀鋒,王 霄,馮仁劍,萬江文

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量反映網(wǎng)絡(luò)運行狀況的優(yōu)劣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)量大,節(jié)點資源能量受限的特點,評估計算機互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的方法無法適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),因此,需要研究新方法來評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

目前,模擬是研究評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要手段,但是現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬工具 ,如 NS-2[1]、GloMoSim[2]、TOSSIM[3]、OPNET[4]、SensorSim[5]、OMNeT++[6]、SENSE[7]等通常都對傳感、信道、拓?fù)涞葏?shù)或模型做了諸多簡化和假設(shè),對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的評價帶來理論誤差,難以真實體現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量?；跍y試系統(tǒng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評價能夠避免模型簡化帶來的理論誤差,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量的評價,使評價結(jié)果真實可信。哈佛大學(xué)的 MoteLab[8]、俄亥俄州立大學(xué)的 Kansei[9]等報道了其對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)技術(shù)的研究進(jìn)展。他們的測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)的實時捕獲,以及對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)的量化評價。但是上述測試系統(tǒng)沒有從網(wǎng)絡(luò)分層模型的角度對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價指標(biāo)的劃分和測量,難以分析網(wǎng)絡(luò)各層服務(wù)質(zhì)量對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)質(zhì)量的影響以及網(wǎng)絡(luò)各層服務(wù)質(zhì)量之間的影響。而實際上,服務(wù)質(zhì)量的各個評價指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性,例如,路由魯棒性雖然無法直接測量,但和丟包率、通信成功率等指標(biāo)關(guān)系密切。

針對上述問題,需要研究一種新的基于測試系統(tǒng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的評價算法,從網(wǎng)絡(luò)分層模型的角度,對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價指標(biāo)的劃分和測量,并且考慮各個評價指標(biāo)之間的相關(guān)性。鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的多樣性和復(fù)雜性,按照網(wǎng)絡(luò)分層模型,這里僅對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行量化評價,該方法同樣適用于評價其余層服務(wù)質(zhì)量,具有較好的可擴展性。

1 測試系統(tǒng)描述

如圖 1所示,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試系統(tǒng)由 PC端、測試床和傳感器節(jié)點組成。多個傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過無線方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至匯聚節(jié)點(Sink節(jié)點),Sink節(jié)點再通過串口方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至PC端;同時,傳感器節(jié)點又通過有線方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至測試床,測試床通過以太網(wǎng)方式轉(zhuǎn)發(fā)給PC端;PC端通過對測試數(shù)據(jù)的測試處理,實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量的評價。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)

PC端的用戶應(yīng)用程序接口如圖 2所示,支持Web訪問方式,用于對測試數(shù)據(jù)的存儲、分析和顯示。其具體功能包括：注冊功能,注冊節(jié)點及測試床的 ID,確保實驗數(shù)據(jù)的安全可靠;服務(wù)質(zhì)量計算功能,根據(jù)原始采集信息及其相關(guān)算法,計算出服務(wù)質(zhì)量的各個指標(biāo);實時顯示功能,實時顯示節(jié)點的信息,包括電源通斷信息、能耗信息、路由信息、傳感器信息、狀態(tài)信息等;歷史查詢功能,查詢測試床上傳的節(jié)點歷史信息;數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能,將查詢到的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出到本地計算機上。

圖2 PC端軟件結(jié)構(gòu)圖

2 評價指標(biāo)的分類及說明

目前,國內(nèi)外關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的評價指標(biāo)體系尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化[10-12],本文總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量的各項評價指標(biāo)及相互關(guān)系,如圖 3所示。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)的分類及映射關(guān)系

定義 1丟包率 用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性,與節(jié)點電量、信道質(zhì)量、吞吐量以及環(huán)境因素有關(guān)。按照測量范圍,丟包率分為節(jié)點丟包率和網(wǎng)絡(luò)丟包率：①節(jié)點丟包率定義為在一個測量周期內(nèi),網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點發(fā)往該節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)量和該節(jié)點實際接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量的差值與網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點發(fā)往該節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值。②網(wǎng)絡(luò)丟包率定義為在一個測量周期內(nèi),所有源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)中所有目的節(jié)點實際接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量的差值與所有源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值。

定義 2通信成功率 定義為網(wǎng)絡(luò)中所有源節(jié)點向 Sink節(jié)點發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包,Sink節(jié)點成功收到的數(shù)據(jù)包的總和與源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總和的比值。

定義 3吞吐量 用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力,與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧以及環(huán)境因素有關(guān)。吞吐量分為節(jié)點吞吐量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量：①節(jié)點吞吐量定義為在一個測量周期內(nèi),節(jié)點產(chǎn)生、轉(zhuǎn)發(fā)和接收的數(shù)據(jù)包總量;②網(wǎng)絡(luò)吞吐量定義為在一個測量周期內(nèi),所有節(jié)點吞吐量的總和。

定義 4能量效率 用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)包的能耗,與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧以及環(huán)境因素有關(guān)。能量效率定義為所有源到目的節(jié)點對中,傳送一個數(shù)據(jù)包的平均能耗。

定義 5路由魯棒性 用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在外界環(huán)境因素的擾動下仍然能夠保持系統(tǒng)原有性能的能力,主要與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有關(guān)。

上述各個評價指標(biāo)并非彼此孤立,而是存在相互制約的關(guān)系。制約關(guān)系分為正相關(guān)影響,負(fù)相關(guān)影響和不確定影響,已如圖 3所示。

3 評價指標(biāo)的量化評價算法

假定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由 n個節(jié)點組成,每個節(jié)點分別用 Ni(i=1,2,…n)表示。所有節(jié)點實現(xiàn)無線組網(wǎng)的同時都通過有線方式連接到測試床。規(guī)定測量周期為 T。

3.1 丟包率

節(jié)點丟包率的評價算法 節(jié)點 Ni的丟包率表示為 PNi。從節(jié)點 N1,..,Ni-1,Ni+1,…Nn中,隨機抽取若干樣本節(jié)點,組成發(fā)送節(jié)點集 S,S中的節(jié)點分別以速率v向被測節(jié)點 Ni發(fā)送數(shù)據(jù)包。節(jié)點 Ni通過有線方式將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至測試床,測試床統(tǒng)計包數(shù)量記為 Nr。發(fā)送節(jié)點集 S也通過有線方式將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至測試床,測試床統(tǒng)計包數(shù)量記為Ns。實驗持續(xù)m個測量周期 T,則節(jié)點丟包率計算公式如下：

通過對所有節(jié)點的節(jié)點丟包率取平均,可以得到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點平均丟包率,用 PA表示：

網(wǎng)絡(luò)丟包率的評價算法 用 PT表示網(wǎng)絡(luò)丟包率,在一個 T內(nèi),PT維持在一個恒定值。假設(shè)源節(jié)點數(shù)目為 a,目的節(jié)點數(shù)目為 b。統(tǒng)計 T內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù) NST和網(wǎng)絡(luò)中所有目的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù) NRT,實驗持續(xù) m個測量周期 T,則網(wǎng)絡(luò)丟包率 PT的計算公式如下：

3.2 通信成功率

用 Psuc來表示通信成功率,通過有線方式,統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中所有的源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量,記為 Ns。同樣,通過有線方式,統(tǒng)計 Sink節(jié)點收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量,記為 Nr。在 T內(nèi),Psuc維持在一個恒定值,實驗持續(xù) m個測量周期 T,則 Psuc表示為：

3.3 吞吐量

用 THRi(i=1,2,…,n)來表示節(jié)點 Ni(i=1,2,…,n)的吞吐量,THRt表示網(wǎng)絡(luò)吞吐量。節(jié)點將接收、轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)送的數(shù)據(jù)包,通過有線方式上傳至測試床,統(tǒng)計出 T內(nèi)節(jié)點 Ni的吞吐量。將所有節(jié)點的吞吐量相加,得到 THRt。由于節(jié)點在短時間內(nèi)收到的包數(shù)量隨時間不同抖動較大,故采用指數(shù)加權(quán)位移平均算法,將歷史信息引入最終的測量結(jié)果。計算公式如下,其中 α∈(0,1],表示加權(quán)因子。

3.4 能量效率

用 Ee來描述能量效率,單位為 J/packet。用ENi表示節(jié)點 Ni的能耗,UNi代表節(jié)點 Ni的電壓,INi代表節(jié)點 Ni的電流,TNi代表節(jié)點 Ni的測量時間。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通過有線方式將能耗信息上傳至測試床,測試床通過統(tǒng)計 T內(nèi)所有節(jié)點上傳的能耗信息,計算出總能耗,根據(jù)總能耗與網(wǎng)絡(luò)吞吐量的比值得到 Ee。能量效率計算公式如下：

3.5 路由魯棒性

路由魯棒性是一個抽象的概念,具有模糊性和隨機性。文獻(xiàn)[13]提出了一種利用云模型量化評價路由魯棒性的算法,該算法解決了路由魯棒性量化評價的問題,但是算法是在 Matlab環(huán)境下仿真實現(xiàn)的,數(shù)據(jù)來源是理想化的,存在較大的理論誤差。因此,需要通過實驗床測試真實無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行參數(shù),利用云模型算法計算真實環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由魯棒性指標(biāo),以避免模擬環(huán)境下的理論誤差。

路由魯棒性的評價算法：在一定的節(jié)點丟包率下的網(wǎng)絡(luò)通信成功率大小在一定程度上反映了一個路由算法魯棒性的高低。首先,建立并云化規(guī)則前件。選擇節(jié)點平均丟包率 PA和網(wǎng)絡(luò)通信成功率Psuc作為規(guī)則前件,這兩個參數(shù)是可以準(zhǔn)確測得的。然后,建立并云化規(guī)則后件。選擇路由魯棒性作為規(guī)則后件。規(guī)則前件及規(guī)則后件的等級劃分如表 1所示,對應(yīng)的云模型數(shù)字特征如表 2所示。

表1 規(guī)則前件及規(guī)則后件的等級劃分

表2 規(guī)則前件及規(guī)則后件對應(yīng)的云模型數(shù)字特征

最后,結(jié)合專家系統(tǒng)建立推理規(guī)則,推理規(guī)則矩陣 R如下：

其中,Ci表示在規(guī)則前件 Ai和 Bj的作用下,輸出的路由魯棒性等級。比如r23=C4代表的規(guī)則為,在丟包率為 A2,通信成功率為 B3的條件下,路由魯棒性為 C4。

4 實驗分析

在普通大樓內(nèi)實驗室環(huán)境下部署 32個節(jié)點,定時采集室內(nèi)環(huán)境信息并向監(jiān)控終端匯報。節(jié)點集成Atmega128處理器、CC2420無線射頻收發(fā)器以及相應(yīng)傳感器;節(jié)點上運行 TinyOS2.0操作系統(tǒng);4個測試床對節(jié)點提供在線編程服務(wù)、供電控制服務(wù)以及實時能耗監(jiān)測服務(wù);監(jiān)控終端收集并顯示節(jié)點上報數(shù)據(jù),通過相應(yīng)測試命令對網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行綜合量化評價。實驗設(shè)置測量周期為 20 m in,數(shù)據(jù)包大小為 39字節(jié),節(jié)點發(fā)包速率為 1packet/6s。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試系統(tǒng)如圖 4所示。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試系統(tǒng)

Active Message Protocol(AM)是伯克利實驗室實現(xiàn)的 Many-to-one可靠路由協(xié)議,適用于數(shù)據(jù)收集型傳感器網(wǎng)絡(luò)。它建立一個以 Sink為根節(jié)點的星型拓?fù)?每個節(jié)點將自己的數(shù)據(jù)經(jīng)由單跳方式傳送至 Sink節(jié)點。

Tymo Protocol是 IETF國際性互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的基于 TinyOS的多跳路由協(xié)議。此協(xié)議主要針對具有點對點、自組織、大規(guī)模特性的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計的。

根據(jù)前述網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量評價算法,采用自主研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗床(包括傳感器節(jié)點、測試床和 PC端)分別對 AM協(xié)議和 Tymo協(xié)議進(jìn)行量化評價,由實驗結(jié)果分析這二種路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量的影響。

(1)丟包率測試 根據(jù)前述丟包率測試算法,分別對基于 AM路由協(xié)議和 Tymo路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量,根據(jù)公式(1)得到節(jié)點丟包率如表3、表 4所示。根據(jù)公式(2)得到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點平均丟包率：AM路由協(xié)議為 24%,Tymo路由協(xié)議為 28%。

表3 基于AM的節(jié)點丟包率信息

表4 基于 Tymo的節(jié)點丟包率信息

(2)通信成功率測試 通過統(tǒng)計 Sink節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)中所有發(fā)往 Sink節(jié)點的數(shù)據(jù)包的數(shù)量,根據(jù)公式(4)得到測量周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信成功率：AM路由協(xié)議為 76%,Tymo路由協(xié)議為81%。

(3)吞吐量測量 通過統(tǒng)計測量周期內(nèi),節(jié)點產(chǎn)生、轉(zhuǎn)發(fā)和接收數(shù)據(jù)包的總量,得到節(jié)點吞吐量如表 5所示。根據(jù)公式(6)得到測量周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為 ：6 816 packet。

表5 基于Tymo的節(jié)點吞吐量信息

(4)能量效率測量 節(jié)點供電電壓恒為 3.3V,節(jié)點電流測量如表 6所示。根據(jù)公式(7),計算網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的能耗為：3115.2J。根據(jù)能量效率的定義,令能耗除以測量周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量,得到能量效率為 ：0.45J/packet。

表6 基于Tymo的節(jié)點能耗信息

(5)路由魯棒性測試 根據(jù) AM和 Tymo路由協(xié)議下的節(jié)點平均丟包率和網(wǎng)絡(luò)通信成功率,計算出網(wǎng)絡(luò)的路由魯棒性如表 7所示。其中 AM路由協(xié)議的魯棒性為 0.51,屬于魯棒性中。Tymo路由協(xié)議的魯棒性為 0.72,屬于魯棒性良。通過云模型得到的結(jié)論和實際應(yīng)用相吻合。

表7 路由魯棒性測試信息

5 結(jié)束語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量的評價算法,從網(wǎng)絡(luò)分層模型角度實現(xiàn)對丟包率、通信成功率、吞吐量、能量效率和路由魯棒性指標(biāo)的量化評價,可以避免采用仿真方法帶來的理論誤差,并且能夠兼顧各個指標(biāo)之間的相關(guān)性。實驗證明,該評價算法可信有效,具有較好的易用性和可擴展性。

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