無線傳感器網絡多維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

無線傳感器網絡（WSNs）在軍事國防、工業監控、精細農業、智能交通、醫療保健、環境監測、煤礦安全、防恐反恐等許多重要領域都有廣泛的應用。目前由于傳感器網絡QoS技術研究的相對滯后，已經制約了其在準確性和實時性要求較高領域中的應用[1]。

傳統數據網絡利用端到端QoS參數（如帶寬、延遲、延遲抖動、丟失率等）來評價網絡的QoS；QoS模型相對穩定；支持多媒體應用的QoS需求等。人們在不同的協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兩種互聯網QoS體系。無線傳感器網絡與傳統網絡不同，傳感器網絡以數據為核心、資源高度受限、密集分布的多跳傳輸、流量非均勻分布、多用戶多任務并發等特點，使傳統網絡的QoS機制不再適用。傳感器網絡的QoS需求與傳統網絡有較大的差異，傳統的端到端的QoS參數不足以描述它們，需要新的QoS參數加以衡量，并探索新的QoS體系或機制以對傳感器網絡應用提供支持。

2.傳感器網絡QoS特征與需求分析

傳感器網絡具有應用定制的特點，不同應用的QoS需求差異較大，且受到傳感器網絡有限資源的約束，不會出現一個適合所有應用的QoS解決方案。根據傳感器網絡的QoS特點，在不同層面將其映射為面向應用的QoS需求和面向網絡的QoS需求：

面向應用的QoS需求：應用所需的是傳感器網絡的最終信息，可以將傳感器網絡感知數據的某些特性，如數據新鮮度、數據精度、數據解析度等看成是面向應用的QoS參數。面向應用的QoS具有多維特性，如數據新鮮度可看成時間維，而數據精度可看成數據維。這些多維QoS參數相互影響，相互制約，如提高數據精度和數據解析度，將導致網絡數據傳輸量增大，影響數據新鮮度。由于傳感器節點使用電池供電，能源消耗成為確定系統生命期的最重要因素。某些應用要求傳感器網絡生命期達到數月甚至數年，所以傳感器網絡QoS保障需要以能源有效的方式設計，以滿足應用對網絡生命期的需求。面向網絡的QoS需求：傳感器網絡采集的數據，要通過網絡傳輸到匯聚節點，從而遞交給用戶。傳感器網絡的某些關鍵任務應用，對數據發送的可靠性、延遲等有明確要求。如煤礦安全監測系統對數據可靠性有特殊需求，而在戰場監測系統中，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，網絡需要一定的機制來滿足相關的QoS參數。與傳統網絡以節點為中心的通信模式不同，傳感器網絡以數據為中心，網絡作為整體采集用戶所需數據，發送到匯聚節點，從而遞交給用戶。因此，為了滿足面向應用的QoS參數，如數據精度或數據解析度，需要從數據采集的過程加以保證。而對于面向網絡的QoS參數，如可靠性和實時性，則從數據傳輸的過程加以保證。

目前，國內外此領域的研究主要集中在網絡層QoS路由、數據傳輸保證、特定應用QoS三個方面[2]。傳感器網絡QoS的研究主要集中在如何保證傳輸網絡QoS的研究，如設計QoS路由、數據傳輸的可靠性，在面向應用的QoS保障方面研究較少。由于傳感器網絡QoS與應用密切相關，而且QoS具有多維特性，多維QoS參數之間相互關聯，相互影響，因此需要研究面向應用的多維QoS保障和優化技術。

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參數之間的邏輯與約束關系，研究從應用層QoS需求到網絡層QoS指標的映射機制；根據多維QoS參數的約束關系，建立多維QoS的權衡優化模型。

3.1 多維QoS模型的建立與優化

傳感器網絡應用的QoS需求具有多維特性，這些因素之間相互影響，相互制約，需要建立整個系統的QoS分析模型，通過模型分析多維參數之間的關系，為提出系統級的QoS保障機制提供基礎。首先定義無線傳感器網絡QoS參數，并對其進行形式化的規約說明；然后建立系統級的層次化QoS分析模型，確定各層QoS參數之間的邏輯與約束關系；最后基于傳感器網絡QoS參數之間的約束關系，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。QoS需求可以從時間維（響應時間、數據新鮮度），數據質量維（數據精度、數據解析度），概率維（檢測概率、數據置信度）和系統維（系統生命期）等多個角度衡量。傳感器網絡應用的多維QoS參數之間相互影響，相互制約，如數據質量維和系統維之間相互約束，不加限制的提高數據質量維參數，即提高數據采集的精度和解析度，可能會影響系統生命期。因此，需要對應用的多維QoS綜合考慮，整體優化。根據應用多維QoS參數之間的約束關系，建立多維QoS的優化模型，設計相應的權衡機制，從感知數據的時空特性出發，在諸多QoS參數之間進行有效權衡。

3.2 QoS規約

采用形式化方法定義QoS規約語言。QoS規約語言把應用的QoS請求表達為一些時間邏輯規則，這些規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解析器將規約后的標準的QoS需求解析為對資源的請求。

3.3 QoS參數分析與映射

分析傳感器網絡應用的QoS需求，綜合考慮傳感器網絡多個層面的QoS參數，建立QoS參數視圖。從應用和網絡兩個角度討論QoS參數之間的映射機制。從應用需求的角度，用戶的QoS需求發送到網絡，傳感器網絡選擇感知節點為用戶提供數據，這種映射表現為將用戶的需求翻譯為感知節點的數量，傳感器的采樣速率和感知范圍等指標，為應用提供數據服務的QoS保障。從網絡的角度，網絡層面主要為眾多感知節點和用戶之間提供非端到端的通信質量保障，實現可靠或實時的通信。

3.4 多維QoS權衡策略

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

傳感器網絡多維QoS的整體優化是在給定傳感器網絡應用條件下，在諸多QoS參數之間進行權衡，以追求最大的應用服務質量。根據傳感器網絡應用的質量函數，在數據采集、數據傳輸、數據處理等層面上對多維QoS進行整體優化。

4.結語

本文研究了無線傳感器網絡面向應用的多維QoS保障和優化技術。以后的工作將針對大規模網絡應用環境，利用仿真軟件，建立仿真實驗環境，分析多維QoS實現機制和相應算法在大規模網絡環境下的適用性。對多維QoS參數及不同參數組合，調整實驗指標，通過試驗結果分析多維QoS參數之間的約束關系，評價多維QoS權衡策略。

[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.