安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院 王 敏 趙 凱

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）在軍事國防、工業(yè)監(jiān)控、精細(xì)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前由于傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)研究的相對滯后，已經(jīng)制約了其在準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求較高領(lǐng)域中的應(yīng)用[1]。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)利用端到端QoS參數(shù)（如帶寬、延遲、延遲抖動(dòng)、丟失率等）來評價(jià)網(wǎng)絡(luò)的QoS；QoS模型相對穩(wěn)定；支持多媒體應(yīng)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(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wù)并發(fā)等特點(diǎn)，使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的QoS機(jī)制不再適用。傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS需求與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)制以對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供支持。

2.傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS特征與需求分析

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

面向應(yīng)用的QoS需求：應(yīng)用所需的是傳感器網(wǎng)絡(luò)的最終信息，可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的QoS參數(shù)。面向應(yīng)用的QoS具有多維特性，如數(shù)據(jù)新鮮度可看成時(shí)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(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(yīng)用要求傳感器網(wǎng)絡(luò)生命期達(dá)到數(shù)月甚至數(shù)年，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS保障需要以能源有效的方式設(shè)計(jì)，以滿足應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)生命期的需求。面向網(wǎng)絡(luò)的QoS需求：傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，從而遞交給用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)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(yīng)用的QoS，網(wǎng)絡(luò)需要一定的機(jī)制來滿足相關(guān)的QoS參數(shù)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以節(jié)點(diǎn)為中心的通信模式不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，網(wǎng)絡(luò)作為整體采集用戶所需數(shù)據(jù)，發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，從而遞交給用戶。因此，為了滿足面向應(yīng)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(luò)的QoS參數(shù)，如可靠性和實(shí)時(shí)性，則從數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程加以保證。

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

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(guān)系，研究從應(yīng)用層QoS需求到網(wǎng)絡(luò)層QoS指標(biāo)的映射機(jī)制；根據(jù)多維QoS參數(shù)的約束關(guān)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(luò)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的QoS分析模型，通過模型分析多維參數(shù)之間的關(guān)系，為提出系統(tǒng)級的QoS保障機(jī)制提供基礎(chǔ)。首先定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)，并對其進(jìn)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(guān)系；最后基于傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)之間的約束關(guān)系，研究從應(yīng)用的QoS需求到每個(gè)層面QoS指標(biāo)的映射機(jī)制。將應(yīng)用的QoS需求分解為各個(gè)層面具體的QoS參數(shù)。QoS需求可以從時(shí)間維（響應(yīng)時(shí)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(gè)角度衡量。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(yīng)用的多維QoS綜合考慮，整體優(yōu)化。根據(jù)應(yīng)用多維QoS參數(shù)之間的約束關(guān)系，建立多維QoS的優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的權(quán)衡機(jī)制，從感知數(shù)據(jù)的時(shí)空特性出發(fā)，在諸多QoS參數(shù)之間進(jìn)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(yīng)用的QoS請求表達(dá)為一些時(shí)間邏輯規(guī)則，這些規(guī)則通過邏輯和時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)應(yīng)用的QoS需求，綜合考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)多個(gè)層面的QoS參數(shù)，建立QoS參數(shù)視圖。從應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)角度討論QoS參數(shù)之間的映射機(jī)制。從應(yīng)用需求的角度，用戶的QoS需求發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇感知節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)量，傳感器的采樣速率和感知范圍等指標(biāo)，為應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)的QoS保障。從網(wǎng)絡(luò)的角度，網(wǎng)絡(luò)層面主要為眾多感知節(jié)點(diǎn)和用戶之間提供非端到端的通信質(zhì)量保障，實(shí)現(xiàn)可靠或?qū)崟r(shí)的通信。

3.4 多維QoS權(quán)衡策略

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(gè)從服務(wù)質(zhì)量相關(guān)的概念到一個(gè)質(zhì)量值的范圍的映射，定義某個(gè)QoS參數(shù)的每個(gè)值所對應(yīng)的表示質(zhì)量好壞的值，即將服務(wù)質(zhì)量Quality所有可能的選擇的集合規(guī)格化并映射到一個(gè)質(zhì)量值范圍[a,b]。若一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的QoS需求由n各不同的QoS參數(shù)所描述，稱這個(gè)應(yīng)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(yīng)用的重要程度。每個(gè)權(quán)重的取值限制在[0,1]。整個(gè)應(yīng)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(luò)多維QoS的整體優(yōu)化是在給定傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用條件下，在諸多QoS參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡，以追求最大的應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(jìn)行整體優(yōu)化。

4.結(jié)語

本文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向應(yīng)用的多維QoS保障和優(yōu)化技術(shù)。以后的工作將針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，利用仿真軟件，建立仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分析多維QoS實(shí)現(xiàn)機(jī)制和相應(yīng)算法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)指標(biāo)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析多維QoS參數(shù)之間的約束關(guān)系，評價(jià)多維QoS權(quán)衡策略。

[1]梁俊斌,陳寧江.一種基于服務(wù)中間件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多維QoS評價(jià)機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2009,36(10):91-93.

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