无线传感器网络的服务质量保障技术

admin

摘要　无线传感器网络的服务质量保障技术是当前无线传感器网络研究领域的一个热点，本文在网络层面上分析了无线传感器网络服务质量的特点，说明其与传统网络的区别，并提出其所面临的挑战；详细介绍了能源管理、覆盖控制、数据融合以及拥塞控制等方面的若干关键技术。
1、引言
　　无线Ad hoc网络起源于20世纪70年代美国军方的分组无线网。随后，IEEE在建立802.11标准时将分组无线网改称为Ad hoc网络，意为“为特定目的情况或场合而设计配置的，具备自组织能力的网络”。根据网络中节点是否可移动，无线Ad hoc网络又可分为移动Ad hoc网络MANET（Mobile Ad hoc Network）和无线传感器网络WSNs（Wireless Sensor Networks）。
　　无线传感器网络由大量的传感器节点组成。该网络可以通过飞机撒播、人工布置等方式，将大量传感器节点部署在感知对象的内部或者附近。这些节点通过自组织方式迅速组建通讯网，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，从而实现在任意时间对任意地点的信息进行采集、处理和分析，并以多跳中继方式将数据传回Sink节点。网络中Sink节点又将汇聚的数据传送到远程控制中心进行集中处理。无线传感器网络可广泛应用于军事、环境科学、医疗健康、空间探索、工业安全、交通管理以及商业等方面。
　　现今，人们对于无线传感器网络的研究主要涉及路由协议、节点定位、时间同步、自适应、能量优化等问题。由于其自身网络以及应用需求上的特点，无线传感器网络的QoS机制面临很多新的挑战。因此，现有传统网络的QoS机制很难直接移植到无线传感器网络中来。本文首先在网络层面上分析无线传感器网络服务质量与传统网络的区别，指出其所面临的挑战，然后着重介绍无线传感器网络服务质量保障的几种关键技术，说明现有的一些研究成果，最后对全文总结以及对无线传感器网络服务质量进行了展望。
2、WSNs QoS的特点
　　2.1　WSNs中的网络QoS技术
　　通常，服务质量具有两方面的含义：一，从应用的角度看，QoS代表用户对于网络所提供服务的满意程度；二，从网络的角度来看，QoS代表网络向用户所提供的业务参数指标。为了方便分析，人们将无线传感器网络的服务质量分为两个层面，分别是针对用户的应用层面和针对服务的网络层面。这里着重从网络层面介绍WSNs QoS的特点。
　　从网络的观点来看，我们所关心的不是实际执行的应用程序，而是在有效利用网络资源时，下层通信网络如何发送数据给Sink以及该过程相关的需求。可以根据数据发送模型对WSNs的应用进行分类，每个类别中的多数应用程序对QoS都有共同的需求。通常来看，可以分成三种基本数据发送模型，分别是事务驱动模型、查询驱动模型以及连续传输模型。
　　（1）事件驱动模型
　　当网络监测到某一事件发生时，目标附近的传感器节点将立即处于激活状态，将采集到的数据传送给Sink以便通告最终用户。例如，针对某幢大楼化学元素释放的紧急事件进行感知和反应。
　　事件驱动模型的QoS需求有以下几个特点：
　　●应用程序本身并不是端到端的。具体地说，应用程序的一端是Sink，但另一端并不是单个传感器节点，而是受事件影响的一个区域内的若干传感器节点。
　　●来自这些传感器节点的数据很可能具有高度关联性，因此包含大量的需要整理提取的冗余信息。
　　●虽然由单个传感器节点发出的数据流量强度可能非常低，但是事件突发时，大量的传感器节点将产生突发的大流量，网络要保障流量的可达性。
　　●一旦侦查到事件，应用程序必须尽快且尽可靠地做出恰当的反应，因此其对实时性要求较高。
　　●该模型的应用必须是可交互的；此外，事件驱动模型通常具有关键性，要求重要信息具有较高的可靠性。
　　（2）查询驱动模型
　　首先由应用程序或者终端用户发出感兴趣的查询消息，之后传感器节点将符合查询条件的数据逐跳转发至汇聚节点。查询驱动模型与事件驱动模型的区别在于：前者是通过Sink来请求数据，而后者是传感器节点主动将数据发送给Sink。这里所提到的“查询”也可能包含针对传感器节点的配置和管理信息。例如，如果Sink想升级传感器节点的软件，重新配置发送速率，或者改变传感器的任务，则Sink可以发送一个指令来执行这些任务。
　　查询驱动模型的QoS需求类似于事件驱动模型，其同样是非端到端的程序，具有高度数据冗余，易产生突发的大流量，必须是可交互的，且具有关键性。查询驱动模型对于时延的容忍性根据具体的应用而有所不同。此外，由于Sink发出的指令是单方向的流量，因此要求较高的可靠性。
　　（3）连续传输模型
　　在连续传输模型中，传感器不断采集数据，并以预先设定好的速率向Sink发送数据。该模型的数据包括实时和非实时两种。实时的数据包括话音、图像和视频等；而非实时的数据可能是Sink在一定区域内周期性收集的数据。
　　对于QoS需求，连续传输模型是非端到端的程序，具有关键性，其应用可以是非交互性的。此外，不同的数据类型也有不同的QoS需求：实时的数据受限于时延，且有确定的带宽需求；而非实时的数据可以容许一定的时延和数据包丢失。
　　（4）混合模型
　　在很多应用中，以上描述的模型可能共存于网络中，因此需要一个机制来调整具有不同QoS需求的流量。
　　表1是以上三种基本数据发送模型的性能需求。

表1　不同数据发送模型的性能需求

<div align="center">

类别	事务驱动	查询驱动	连续的
端到端	否	否	否
交互性	是	是	否
时延容忍性	否	具体设定	是
任务关键性	是	是	是