無線傳感器網(wǎng)絡多維QoS分析方法研究

安陽工學院計算機科學與信息工程學院 王 敏 趙 凱

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）在軍事國防、工業(yè)監(jiān)控、精細農(nóng)業(yè)、智能交通、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、煤礦安全、防恐反恐等許多重要領域都有廣泛的應用。目前由于傳感器網(wǎng)絡QoS技術研究的相對滯后，已經(jīng)制約了其在準確性和實時性要求較高領域中的應用[1]。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡利用端到端QoS參數(shù)（如帶寬、延遲、延遲抖動、丟失率等）來評價網(wǎng)絡的QoS；QoS模型相對穩(wěn)定；支持多媒體應用的QoS需求等。人們在不同的協(xié)議層次上提出了許多的方法支持端到端的QoS，如IETF提出的IntServ和DiffServ兩種互聯(lián)網(wǎng)QoS體系。無線傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同，傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為核心、資源高度受限、密集分布的多跳傳輸、流量非均勻分布、多用戶多任務并發(fā)等特點，使傳統(tǒng)網(wǎng)絡的QoS機制不再適用。傳感器網(wǎng)絡的QoS需求與傳統(tǒng)網(wǎng)絡有較大的差異，傳統(tǒng)的端到端的QoS參數(shù)不足以描述它們，需要新的QoS參數(shù)加以衡量，并探索新的QoS體系或機制以對傳感器網(wǎng)絡應用提供支持。

2.傳感器網(wǎng)絡QoS特征與需求分析

傳感器網(wǎng)絡具有應用定制的特點，不同應用的QoS需求差異較大，且受到傳感器網(wǎng)絡有限資源的約束，不會出現(xiàn)一個適合所有應用的QoS解決方案。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡的QoS特點，在不同層面將其映射為面向應用的QoS需求和面向網(wǎng)絡的QoS需求：

面向應用的QoS需求：應用所需的是傳感器網(wǎng)絡的最終信息，可以將傳感器網(wǎng)絡感知數(shù)據(jù)的某些特性，如數(shù)據(jù)新鮮度、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)解析度等看成是面向應用的QoS參數(shù)。面向應用的QoS具有多維特性，如數(shù)據(jù)新鮮度可看成時間維，而數(shù)據(jù)精度可看成數(shù)據(jù)維。這些多維QoS參數(shù)相互影響，相互制約，如提高數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)解析度，將導致網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量增大，影響數(shù)據(jù)新鮮度。由于傳感器節(jié)點使用電池供電，能源消耗成為確定系統(tǒng)生命期的最重要因素。某些應用要求傳感器網(wǎng)絡生命期達到數(shù)月甚至數(shù)年，所以傳感器網(wǎng)絡QoS保障需要以能源有效的方式設計，以滿足應用對網(wǎng)絡生命期的需求。面向網(wǎng)絡的QoS需求：傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)，要通過網(wǎng)絡傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，從而遞交給用戶。傳感器網(wǎng)絡的某些關鍵任務應用，對數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性、延遲等有明確要求。如煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)可靠性有特殊需求，而在戰(zhàn)場監(jiān)測系統(tǒng)中，不僅要求信息的可靠性，而且對信息傳輸延遲有特殊要求。

為了保障應用的QoS，網(wǎng)絡需要一定的機制來滿足相關的QoS參數(shù)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡以節(jié)點為中心的通信模式不同，傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心，網(wǎng)絡作為整體采集用戶所需數(shù)據(jù)，發(fā)送到匯聚節(jié)點，從而遞交給用戶。因此，為了滿足面向應用的QoS參數(shù)，如數(shù)據(jù)精度或數(shù)據(jù)解析度，需要從數(shù)據(jù)采集的過程加以保證。而對于面向網(wǎng)絡的QoS參數(shù)，如可靠性和實時性，則從數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程加以保證。

目前，國內(nèi)外此領域的研究主要集中在網(wǎng)絡層QoS路由、數(shù)據(jù)傳輸保證、特定應用QoS三個方面[2]。傳感器網(wǎng)絡QoS的研究主要集中在如何保證傳輸網(wǎng)絡QoS的研究，如設計QoS路由、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在面向應用的QoS保障方面研究較少。由于傳感器網(wǎng)絡QoS與應用密切相關，而且QoS具有多維特性，多維QoS參數(shù)之間相互關聯(lián)，相互影響，因此需要研究面向應用的多維QoS保障和優(yōu)化技術。

3.多維QoS分析模型研究

建立層次化QoS分析模型，需要確定各層QoS參數(shù)之間的邏輯與約束關系，研究從應用層QoS需求到網(wǎng)絡層QoS指標的映射機制；根據(jù)多維QoS參數(shù)的約束關系，建立多維QoS的權(quán)衡優(yōu)化模型。

3.1 多維QoS模型的建立與優(yōu)化

傳感器網(wǎng)絡應用的QoS需求具有多維特性，這些因素之間相互影響，相互制約，需要建立整個系統(tǒng)的QoS分析模型，通過模型分析多維參數(shù)之間的關系，為提出系統(tǒng)級的QoS保障機制提供基礎。首先定義無線傳感器網(wǎng)絡QoS參數(shù)，并對其進行形式化的規(guī)約說明；然后建立系統(tǒng)級的層次化QoS分析模型，確定各層QoS參數(shù)之間的邏輯與約束關系；最后基于傳感器網(wǎng)絡QoS參數(shù)之間的約束關系，研究從應用的QoS需求到每個層面QoS指標的映射機制。將應用的QoS需求分解為各個層面具體的QoS參數(shù)。QoS需求可以從時間維（響應時間、數(shù)據(jù)新鮮度），數(shù)據(jù)質(zhì)量維（數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)解析度），概率維（檢測概率、數(shù)據(jù)置信度）和系統(tǒng)維（系統(tǒng)生命期）等多個角度衡量。傳感器網(wǎng)絡應用的多維QoS參數(shù)之間相互影響，相互制約，如數(shù)據(jù)質(zhì)量維和系統(tǒng)維之間相互約束，不加限制的提高數(shù)據(jù)質(zhì)量維參數(shù)，即提高數(shù)據(jù)采集的精度和解析度，可能會影響系統(tǒng)生命期。因此，需要對應用的多維QoS綜合考慮，整體優(yōu)化。根據(jù)應用多維QoS參數(shù)之間的約束關系，建立多維QoS的優(yōu)化模型，設計相應的權(quán)衡機制，從感知數(shù)據(jù)的時空特性出發(fā)，在諸多QoS參數(shù)之間進行有效權(quán)衡。

3.2 QoS規(guī)約

采用形式化方法定義QoS規(guī)約語言。QoS規(guī)約語言把應用的QoS請求表達為一些時間邏輯規(guī)則，這些規(guī)則通過邏輯和時間操作符建立在一套原子命題上，然后通過QoS解析器將規(guī)約后的標準的QoS需求解析為對資源的請求。

3.3 QoS參數(shù)分析與映射

分析傳感器網(wǎng)絡應用的QoS需求，綜合考慮傳感器網(wǎng)絡多個層面的QoS參數(shù)，建立QoS參數(shù)視圖。從應用和網(wǎng)絡兩個角度討論QoS參數(shù)之間的映射機制。從應用需求的角度，用戶的QoS需求發(fā)送到網(wǎng)絡，傳感器網(wǎng)絡選擇感知節(jié)點為用戶提供數(shù)據(jù)，這種映射表現(xiàn)為將用戶的需求翻譯為感知節(jié)點的數(shù)量，傳感器的采樣速率和感知范圍等指標，為應用提供數(shù)據(jù)服務的QoS保障。從網(wǎng)絡的角度，網(wǎng)絡層面主要為眾多感知節(jié)點和用戶之間提供非端到端的通信質(zhì)量保障，實現(xiàn)可靠或?qū)崟r的通信。

3.4 多維QoS權(quán)衡策略

由于傳感器網(wǎng)絡應用QoS之間具有較大差異，質(zhì)量函數(shù)可以作為一種一致的方式來規(guī)整各種QoS。質(zhì)量函數(shù)是一個從服務質(zhì)量相關的概念到一個質(zhì)量值的范圍的映射，定義某個QoS參數(shù)的每個值所對應的表示質(zhì)量好壞的值，即將服務質(zhì)量Quality所有可能的選擇的集合規(guī)格化并映射到一個質(zhì)量值范圍[a,b]。若一個傳感器網(wǎng)絡應用的QoS需求由n各不同的QoS參數(shù)所描述，稱這個應用的QoS需求由n維構(gòu)成。每維QoS參數(shù)的權(quán)重表示了該QoS參數(shù)對于應用的重要程度。每個權(quán)重的取值限制在[0,1]。整個應用的Quality等于所有QoS參數(shù)的Quality取值Qi乘以權(quán)重Wi之和，除以權(quán)重之和。

傳感器網(wǎng)絡多維QoS的整體優(yōu)化是在給定傳感器網(wǎng)絡應用條件下，在諸多QoS參數(shù)之間進行權(quán)衡，以追求最大的應用服務質(zhì)量。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡應用的質(zhì)量函數(shù)，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等層面上對多維QoS進行整體優(yōu)化。

4.結(jié)語

本文研究了無線傳感器網(wǎng)絡面向應用的多維QoS保障和優(yōu)化技術。以后的工作將針對大規(guī)模網(wǎng)絡應用環(huán)境，利用仿真軟件，建立仿真實驗環(huán)境，分析多維QoS實現(xiàn)機制和相應算法在大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下的適用性。對多維QoS參數(shù)及不同參數(shù)組合，調(diào)整實驗指標，通過試驗結(jié)果分析多維QoS參數(shù)之間的約束關系，評價多維QoS權(quán)衡策略。

[1]梁俊斌,陳寧江.一種基于服務中間件的無線傳感器網(wǎng)絡多維QoS評價機制[J].計算機科學,2009,36(10):91-93.

[2]D.Chen,P.K.Varshney.QoS Support in Wireless Sensor Networks:A Survey.In Proc.Of ICWN,2004.