一般WSN基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)質(zhì)量要求和挑戰(zhàn)

胡亮亮

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在諸如生物測(cè)量，環(huán)境，光學(xué)，物理和天然氣的生命的幾個(gè)方面顯示出重要的作用。使用WSN實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的每個(gè)應(yīng)用都設(shè)置了WSN必須根據(jù)其有限的資源提供的信任和可靠性要求。用于設(shè)計(jì)可靠和可靠的WSN的新范例是利用可重用的通信協(xié)議來構(gòu)建通用的靈活通信基礎(chǔ)設(shè)施。在本文中，我們強(qiáng)調(diào)了幾個(gè)WSN應(yīng)用程序確定的主要QoS要求和網(wǎng)絡(luò)支持。這些QoS要求因應(yīng)用類型和規(guī)格而異。為此，我們考慮一種創(chuàng)新而有效的通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施，以根據(jù)應(yīng)用參數(shù)確保QoS要求，并保持信任和可靠性。此外，我們還會(huì)審查面向一般WNS基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)施QoS要求的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)質(zhì)量；通用WSN；通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）08-0029-04

1簡(jiǎn)介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在人類，計(jì)算機(jī)和環(huán)境之間的三方互動(dòng)中占據(jù)了研究和現(xiàn)實(shí)生活中的特殊地位。除了需要服務(wù)于各種日常應(yīng)用的輕量級(jí)設(shè)備?；旧?，根據(jù)應(yīng)用性質(zhì)，將WSN的節(jié)點(diǎn)部署到特定域，然后用于不斷地或根據(jù)特定動(dòng)作或要求進(jìn)一步處理來收集數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被用于醫(yī)療保健，工業(yè)，安全，自然科學(xué)等領(lǐng)域。如普通網(wǎng)絡(luò)，WSN遵循具體的架構(gòu)模型，最常見的是OSI模型。WSN在OSI模型的五層中運(yùn)行：應(yīng)用，傳輸，網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)鏈路和物理層。

用于通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施的傳感器需要包括感官，計(jì)算和無線通信的能力，以從部署環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)和管理所有計(jì)算和通信活動(dòng)。

特定的WSN基礎(chǔ)設(shè)施和通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施都必須根據(jù)應(yīng)用程序的環(huán)境和類型顯示特定級(jí)別的QoS，以提供可靠和可信的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。然而，最基本的是，為特定的WSN基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)施QoS與通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)不同。在通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施中研究QoS要求和支持背后的主要目標(biāo)是為受益者應(yīng)用和技術(shù)確保高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?；旧?，根據(jù)應(yīng)用或技術(shù)部署WSN取決于域種類和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，QoS要求是不同的。因此，特定WSN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的QoS解決方案將與通用WSN QoS解決方案不同。與QoS要求相關(guān)的研究相當(dāng)多，因?yàn)閭鞲衅骱椭車h(huán)境本身的一些限制。

在本文中，我們研究了通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施的QoS要求，并強(qiáng)調(diào)了提高傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有通信協(xié)議可重用性和模塊性的主要挑戰(zhàn)和局限性。在下一節(jié)中，我們提供有關(guān)通用WSN基礎(chǔ)架構(gòu)和可重用協(xié)議的描述。接下來，我們強(qiáng)調(diào)通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施QoS參數(shù)并研究其要求。在第四部分中，我們討論構(gòu)建通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施的主要挑戰(zhàn)，其次是有關(guān)通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)QoS要求的相關(guān)文獻(xiàn)研究。

2一般WSN基礎(chǔ)設(shè)施

感興趣的領(lǐng)域通常用傳感器隨機(jī)植入，形成稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜我饩W(wǎng)絡(luò)圖。基本上，有幾種通信算法來管理傳感器之間的通信。因此，總是提出與每個(gè)通信算法相關(guān)的協(xié)議。

大多數(shù)WSN是特定目的/特定應(yīng)用的WSN，需要為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層生成特定的協(xié)議。這些應(yīng)用程序中的每一個(gè)具有特定的特征，并且需要具體的假定，這些假設(shè)決定了開發(fā)和部署的協(xié)議。跨應(yīng)用的品種導(dǎo)致重新部署和重復(fù)使用協(xié)議的困難，并減少了在同一類型應(yīng)用中工作的研究人員之間的合作可能性。在本節(jié)中，我們考慮到通用的WSN基礎(chǔ)架構(gòu)，以及可重用的協(xié)議對(duì)于通用基礎(chǔ)架構(gòu)的構(gòu)建至關(guān)重要。

增加WSN協(xié)議可重用性有兩個(gè)主要步驟：有效地抽象應(yīng)用語義，并將應(yīng)用語義與通信協(xié)議進(jìn)行分離。構(gòu)建可重構(gòu)拓?fù)涫且粋€(gè)具有挑戰(zhàn)性的WSN，主要是具有廣泛級(jí)別的稀缺資源的特定用途網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)可重構(gòu)基礎(chǔ)架構(gòu)的幾個(gè)特點(diǎn)，如通用，靈活，可維護(hù)，完整，知識(shí)淵博和自我組織。通用可重新配置的基礎(chǔ)設(shè)施意味著基礎(chǔ)架構(gòu)可以有效高效地支持多個(gè)上層協(xié)議靈活性表明WSN基礎(chǔ)設(shè)施可以有效地支持多種通信配置?？删S護(hù)性表明可能的故障不會(huì)導(dǎo)致破壞基礎(chǔ)設(shè)施或終止上層操作。對(duì)于可重構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施來說，完整的手段是完成所有邏輯關(guān)系而不影響物理關(guān)系?？芍囊馑际?，有關(guān)拓?fù)涞男畔⒈仨毷褂没A(chǔ)架構(gòu)邏輯單元在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，以便于網(wǎng)絡(luò)可訪問性。自組織允許網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)節(jié)點(diǎn)探索周圍環(huán)境并與鄰居節(jié)點(diǎn)協(xié)作形成所需的拓?fù)洹?/p>

在我們的審查中，我們考慮由靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和一些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的WSN。在這樣的WSN中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是少數(shù)幾個(gè)，通常它們是用于收集和管理數(shù)據(jù)并幫助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組織的執(zhí)行器或匯點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)稱為無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)WSAN。

為了獲得通用的WSN基礎(chǔ)設(shè)施，協(xié)議可重用性至關(guān)重要，即使文獻(xiàn)勉強(qiáng)解決了這一領(lǐng)域。由于大多數(shù)當(dāng)前的協(xié)議都考慮了來自不同網(wǎng)絡(luò)層的功能，所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是跨層協(xié)議。協(xié)議可重用性意味著增加協(xié)議代碼重用和運(yùn)行時(shí)，以加快協(xié)議建模和開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可重用性的主要挑戰(zhàn)是功能分解與復(fù)雜性之間的關(guān)系。

在物理鏈路層次上構(gòu)建通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施有兩種主要方式。第一個(gè)是建立一個(gè)內(nèi)聯(lián)專用基礎(chǔ)設(shè)施。為了模擬這種技術(shù)，使用聚類和基于樹的方法，因?yàn)樗鼈冎С志哂凶越M織能力的節(jié)點(diǎn)，以便發(fā)明非結(jié)構(gòu)化覆蓋。驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)于這種基礎(chǔ)設(shè)施是最合適的。第二種方式是構(gòu)建一個(gè)與幾個(gè)上層應(yīng)用程序中要使用的特定上層協(xié)議無關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施。

3通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施中的服務(wù)質(zhì)量

通用WSN基礎(chǔ)架構(gòu)中的服務(wù)質(zhì)量分為兩類：第一類是QoS要求，這是應(yīng)用程序特定的QoS要求。第二個(gè)是QoS支持，這是通用WSN為受益者應(yīng)用和技術(shù)提供的QoS必需品。簡(jiǎn)單QoS模型如圖1所示。

3.1 QoS要求

通用WSN中的QoS要求是與應(yīng)用領(lǐng)域直接相關(guān)的特定QoS參數(shù)的特定應(yīng)用/技術(shù)規(guī)范。通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施的主要QoS參數(shù)如下所示：

·數(shù)據(jù)精度：表示感測(cè)數(shù)據(jù)的正確度。它是通用WSN中的關(guān)鍵QoS參數(shù)，因?yàn)楸仨毤せ钏璧膫鞲衅鳌Ｍǔ?，傳感器?jiǎn)單，設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境中的傳播，以便在關(guān)鍵應(yīng)用（如醫(yī)療保?。┲羞M(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

·數(shù)據(jù)聚合延遲：表示數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)聚合的最短時(shí)間。對(duì)于每個(gè)WSN來說，這是一個(gè)重要的多對(duì)一功能，它是數(shù)據(jù)采集，處理和聚合的完整系統(tǒng)傳感器的一部分?；旧希琖SN效率最高的延遲越少。

·容錯(cuò)：表示即使某些節(jié)點(diǎn)或組件關(guān)閉，WSN也能正常工作。這需要充分了解預(yù)期的故障，資源，成本和影響。一般來說，沒有無故障的WSN系統(tǒng)，因此故障恢復(fù)計(jì)劃必須始終準(zhǔn)備就緒。容錯(cuò)的關(guān)鍵解決方案是冗余，這是通過為同一個(gè)組件具有多個(gè)副本而實(shí)現(xiàn)的。

·覆蓋：表示通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍如何覆蓋特定數(shù)量的目標(biāo)。換句話說，激活的傳感器在物理上如何構(gòu)成整個(gè)域。這意味著在物理域的每個(gè)位置必須至少有一個(gè)傳感器。

·動(dòng)態(tài)WSN大?。罕硎就ㄓ肳SN基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)特定應(yīng)用程序的大小和拓?fù)湟蟮倪m應(yīng)性。這包括根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)整部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。此外，這種適應(yīng)性對(duì)于處理硬件和鏈路的故障是重要的。

·多媒體流支持：確保網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)的音視頻服務(wù)傳輸。

3.2網(wǎng)絡(luò)QoS支持

在這里，我們專注于如何確保QoS要求，同時(shí)最佳地利用可用資源將感測(cè)數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)揭苿?dòng)接收器。此外，節(jié)點(diǎn)感知大量冗余數(shù)據(jù)，因此必須從網(wǎng)絡(luò)側(cè)向受益方應(yīng)用/技術(shù)方提供特殊的QoS支持。下面我們介紹主要的網(wǎng)絡(luò)QoS支持參數(shù)。

·速度：即所謂的及時(shí)性，這是為了保證軟和實(shí)際的分組交付時(shí)間并嚴(yán)格遵守。這取決于靜態(tài)傳感器和移動(dòng)接收器之間的地理空間。適應(yīng)速度必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和擁塞程度進(jìn)行優(yōu)化。

·能源意識(shí)：這表明網(wǎng)絡(luò)在何種程度上可以保證節(jié)能途徑同時(shí)滿足及時(shí)性要求。

·可靠性：表示分組傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)必須遵循特定的可靠性和準(zhǔn)確性標(biāo)準(zhǔn)。這涉及考慮為特定數(shù)據(jù)包設(shè)置的可靠性級(jí)別。

·網(wǎng)絡(luò)生命周期：表示可以利用WSN的有限資源來延長(zhǎng)其使用壽命?；旧?，每個(gè)傳感器具有一個(gè)感測(cè)范圍，如果滿足環(huán)境和事件的感測(cè)和覆蓋要求，則可以將其設(shè)置為最小。

4實(shí)現(xiàn)通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施QoS要求的挑戰(zhàn)

WSN具有特定的特征，如工作流程，感知過程及其與部署環(huán)境的關(guān)系。這些特性使構(gòu)建通用WSN基礎(chǔ)架構(gòu)變得具有挑戰(zhàn)性。接下來我們將解釋這方面最重要的技術(shù)和挑戰(zhàn)。

冗余數(shù)據(jù)消除：在傳感器可以在相同區(qū)域密集部署的大型WSN中，產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)。這肯定會(huì)浪費(fèi)更多的資源，盡管冗余數(shù)據(jù)增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但這些資源已經(jīng)受到限制。冗余數(shù)據(jù)消除過濾從冗余數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并在采取最短路徑的同時(shí)將其以節(jié)能方式發(fā)送到接收器。

資源限制：資源技術(shù)和系統(tǒng)資源有兩種。技術(shù)資源，如電池，存儲(chǔ)大?。≧AM和緩沖區(qū)）的功耗以及計(jì)算能力。系統(tǒng)資源，如代碼，流程和事件。電力被認(rèn)為是最重要的限制因素，因?yàn)閭鞲泻吞幚肀仨氃谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)完成。資源管理系統(tǒng)主要依賴于過程遷移，通過在節(jié)點(diǎn)之間分配任務(wù)。

不平衡數(shù)據(jù)流量：在WSN中，數(shù)據(jù)流量通常在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上不平衡，并且取決于靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)接收器之間的距離，因?yàn)榭拷潘薜墓?jié)點(diǎn)的流量越來越高。流量不平衡會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中的能源消耗，影響網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

傳感器異質(zhì)性：為了處理數(shù)據(jù)異質(zhì)性，各種傳感器可能部署到同一個(gè)域。數(shù)據(jù)和傳感器類型的這種異質(zhì)性需要對(duì)通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施施加附加QoS約束的處理和傳送模型的多樣性。

周期性和非周期性數(shù)據(jù)的混合：在WSN中，根據(jù)具體間隔周期性地發(fā)生數(shù)據(jù)傳感。用于感測(cè)周期性數(shù)據(jù)的偶數(shù)間隔也是未知的。這使得構(gòu)建考慮每個(gè)應(yīng)用程序的QoS的通用WSN基礎(chǔ)架構(gòu)更具挑戰(zhàn)性。

根據(jù)從醫(yī)療應(yīng)用24到軍事應(yīng)用可能有所不同的應(yīng)用要求，網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)接收器。通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施必須支持具有多個(gè)接收器的網(wǎng)絡(luò)，并且可以處理由許多接收節(jié)點(diǎn)所施加的QoS要求。

帶寬和可擴(kuò)展性是網(wǎng)絡(luò)上面臨的問題，特別是在網(wǎng)絡(luò)上傳送音頻和視頻消息時(shí)。此外，保護(hù)轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

5上述相關(guān)嘗試

我們回顧了有關(guān)通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施思想的相關(guān)文獻(xiàn)，并提出了構(gòu)建這些基礎(chǔ)設(shè)施的具體建議。此外，我們調(diào)查了有關(guān)QoS要求和通用WSN參數(shù)的工作，并討論了實(shí)現(xiàn)它們所面臨的主要挑戰(zhàn)。

我們的工作提供了一個(gè)通用的有效基礎(chǔ)設(shè)施，支持多個(gè)上層應(yīng)用程序，具有更高的可靠性和很好的處理可能的故障的能力。在這項(xiàng)研究中，我們調(diào)查網(wǎng)絡(luò)的所有當(dāng)前鏈接，并將它們?cè)O(shè)置為共同中心的圓形層，每個(gè)層分配有一個(gè)或多個(gè)探針節(jié)點(diǎn)。關(guān)于這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施的兩個(gè)主要原則；第一個(gè)是它維護(hù)節(jié)點(diǎn)鄰近，第二個(gè)是協(xié)議操作來構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，所有這些都是本地的，并且僅依賴于一跳鄰居信息。在我們提出一種為通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的協(xié)議，我們稱之為Rings hffrastructure Protocol RIP。這里我們考慮移動(dòng)和靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的WSN。移動(dòng)性對(duì)我們提出的協(xié)議非常重要，因?yàn)樗跀?shù)據(jù)收集，管理和網(wǎng)絡(luò)組織中起著重要作用。這個(gè)協(xié)議的主要思想是讓移動(dòng)節(jié)點(diǎn)調(diào)查網(wǎng)絡(luò)中的物理共中心環(huán)，并將它們排列成相關(guān)的邏輯疊加層。然后移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將自身附著在環(huán)上。

在此，作者研究了通用覆蓋的結(jié)構(gòu)來支持他們提出的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施。他們只考慮靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)架構(gòu)。他們工作的主要思想是在網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)置一個(gè)特殊的匯聚節(jié)點(diǎn)，假設(shè)這個(gè)特殊的匯點(diǎn)（他們稱之為培訓(xùn)代理TA）可以處理多層次的傳輸范圍。在該協(xié)議中，通過利用宿節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性并使用多個(gè)特殊接收器來增強(qiáng)該協(xié)議。提出了一種類似的協(xié)議，其中考慮用設(shè)置在節(jié)點(diǎn)環(huán)中心的基站來構(gòu)造基于環(huán)的覆蓋。感測(cè)的數(shù)據(jù)從外部傳輸?shù)絻?nèi)部，直到它們到達(dá)基站。建議使用有效的通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施。它考慮了WSN的物理鏈路，增加了上層協(xié)議的可重用性。

節(jié)點(diǎn)自組織是用于構(gòu)建通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施的非結(jié)構(gòu)化覆蓋的重要步驟。如同，節(jié)點(diǎn)自組織可以通過使用聚類和基于樹的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)中的幾項(xiàng)研究提出了對(duì)WSN的QoS要求和支持，并討論了可能的挑戰(zhàn)。

作者分析了主要WSN應(yīng)用程序的幾個(gè)QoS實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)17和文獻(xiàn)26的作者認(rèn)為，確保WSN QoS的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)QoS性能的相同水平是可能的，因?yàn)閃SN的有限資源之間的權(quán)衡是可能的。調(diào)查了不同WSN應(yīng)用程序排序的幾個(gè)QoS要求，并列出了面向同一應(yīng)用程序?qū)嵤㏎oS要求的主要挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)18的作者側(cè)重于僅在MAC和網(wǎng)絡(luò)層確保QoS要求，并討論了用于此目的的主要協(xié)議。此外，他們考慮到森林監(jiān)測(cè)應(yīng)用，討論選擇適當(dāng)QoS的過程。

6結(jié)論

本文是我們研究項(xiàng)目的一部分，旨在開發(fā)名為CoreSense的通用WSN基礎(chǔ)設(shè)施。該項(xiàng)目調(diào)查了一個(gè)通用解決方案，以考慮到幾個(gè)WSN應(yīng)用程序的QoS要求。在本文中，我們提供了對(duì)QoS要求和網(wǎng)絡(luò)支持的研究，以便在一般的WSN基礎(chǔ)設(shè)施中考慮服務(wù)于多個(gè)應(yīng)用程序。此外，我們強(qiáng)調(diào)了面向具有廣義性的WNS基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)施QoS要求的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。