无线传感器网络中的服务质量分析与应用需求

1.服务质量的定义

这里的服务质量是指网络的通信质量，在有线网络中，通常是通过资源的超额供应或网络流量控制来获得服务质量技术的支持。由于所有的用户都在一个服务等级，在流量达到高峰时，服务可能变得不可预测。而在基于流量控制的方式中，业务可分成不同的服务等级，每个等级有不同的优先级。

服务质量控制最基本的方法是流量控制，即基于预留的方式和非预留的方式实现对服务质量的控制。基于预留的方式依据带宽管理策略以及业务的服务质量需求来分配网络资源，如互联网的集成服务模型。基于资源预留的集成服务，对网络中路由器的存储能力和处理能力要求都很高，预留资源中所占用的开销大，可扩展性很差。而非预留的方式无需预留网络资源，它是通过一些策略（如接纳控制、策略配置、流量分类、队列机制等）来获得服务质量。接纳控制机制负责在节点流量的入口处控制流量能否接入网络，并且保证被允许接入网络的流量的服务质量需求；策略配置确保没有节点违反预先为其分配的服务等级；流量分类区分数据包的优先级，并由此获得在每个中间节点上每一跳的具体行为；队列机制负责在发生拥塞时，丢弃低优先级的数据包。

在无线网络中，如一个通信单元从一个基站跳到另一个基站，服务质量就可能由于新基站的带宽的不足而遭到限制。这些相关的技术和问题，与有线环境是很相近的。但可将有线网络中的对多媒体信息存取的服务质量和无线多媒体存取质量控制协议结合起来，无线多媒体信息存取控制协议提供不同等级的数据流量，以不同的优先权接入共享无线媒介，从而获得系统整体的服务质量支持。虽然有基础设施支持的移动网络可以通过基础设施（如基站和中心节点）进行集中控制和管理，但如何实现基础设施之间的平滑切换和移动主机的无缝通信问题，是其面临的主要技术难点，目前已提出包括小区切换机制和移动IP在内的大量协议和相关技术。

2.无线特设网络的服务质量

无线特设网络是一个移动的自组织多跳网络，随着信息技术的迅速发展、多媒体应用的不断开展，以及需要与其他网络进行互连，人们自然要求在特设网络上能够传送综合业务，并希望能像固定的有线网络或蜂窝无线网络一样，为不同业务的服务质量提供保障；无线特设网络与传统有线网络和有基础设施支持的移动网络不同，它的网络拓扑经常发生变化，带宽、能量和存储计算能力受限。因此，原本在有线网络中运用的没有考虑移动性服务质量支持机制和许多无线网络中没有考虑多跳情况的服务质量保障机制都无法直接应用；无线特设网络中的服务质量保证是复杂的系统性问题，它意味着需要提供“质量可以接受的信道”，支持服务质量的信道接入协议，识别能满足业务量要求的转发节点及在节点实施拥塞控制和管理。

服务质量的定义，ITU-T在E.800中的解说是“服务质量是一种服务性能的综合体现，这种服务性能决定了网络在多大程度上满足业务用户的要求。”在系统服务质量模型中，保障机制的体系结构，定义了网络中为用户提供各种业务的质量标准和等级，标志最终应该达到的系统设计目标。系统服务质量模型影响着服务质量其他构成部分的功能，如网络只需提供分区服务时，每个业务流状态的信令就不再需要。服务质量信令是业务服务质量的控制中心，包括当前网络无线资源信息的收集、计算、分配、预留和释放，各个用户间业务请求的应答、调度等功能，同时协调QoS-MAC和服务质量路由算法。对多媒体存取的服务质量算法，则根据协议确定的数据传输任务，完成相邻节点间的最终数据传输。它能否高效地使用无线信道，是上层各种协议和机制所提供的服务质量能否得到最终保障的一个关键因素。

在无线传感器网络中，由于传感器节点的能源十分有限，如果节点因能量很快耗尽而失效或者网络中各节点能耗不均衡，就容易使网络中出现感知黑洞，甚至极大地缩短网络生存期。所以，在设计无线传感器网络时，首先要考虑如何节能的问题，即网络能量有效使用问题，但在某些类型的传感器网络应用中，必须重点考虑到服务质量支持的问题。服务质量不仅在传统的电信领域里得到了广泛使用，还逐渐扩展应用于基于分组的宽带、无线和多媒体等服务领域。与此同时，通信网络和通信系统的设计和规划也越来越多地考虑到用户应用端到端的性能需求。服务质量是指网络为用户提供的一组可以测量的预定义的服务参数，包括时延、时延抖动、带宽和分组丢失率等，也可看成是用户和网络达成的需要双方遵守的协定。服务质量也指的是网络对业务性能要求的支持能力。这里的性能要求是特定于不同业务的，如IP电话要求有尽可能小的抖动和时延性能，而远程医疗则需注重业务提交的准确性与重要性。

根据使用含义的不同，服务质量可以从两个不同的视角来解释。从用户角度来说，服务质量指用户所感知的业务的服务质量水平，用户并不关心网络内部设计的细节问题，他们只关心最终能够获得的网络提供的服务质量；而从网络角度来说，服务质量是网络提供给用户的服务质量水平度量，网络的目标是在提供服务质量的同时，最大化利用网络的资源，即获得更加确定的通信行为，以便能够更加安全可靠地保护网络承载的信息，并更加高效地使用网络资源。为了达到这个目标，网络必须能分析各种应用需求，并采用相应不同的服务质量机制。网络提供特定服务质量能力取决于网络自身及其采用的网络协议的特性。对于传输链路而言，包括链路时延、吞吐量、丢失率和出错率；对于网络节点而言，包括处理速率和内存空间等。此外，运行在网络各层的各种服务质量控制算法也会影响网络的支持服务质量能力。

3.无线传感器网络服务质量

无线传感器网络是一种无线自组网，但又与传统的网络有一定的区别。其主要原因有两点：一是其采用的网络器件是微型传感器，这些传感器节点的能量、处理能力和容量都十分有限，同时节点密集分布在偏远恶劣的环境中，节点失效和节能休眠会带来复杂且动态的拓扑；二是网络中的业务需要并不仅仅是通信，还涉及感知信息的采集及产生、数据的协同处理以及信息的网内存储和直接转发等。虽然只有这两个小的区别，但也给无线传感器网络中的服务质量支持增加了难度。

无线传感器网络中的需求服务质量与工作要求有关，不同业务对于服务质量有着不同的要求和解释。因此直观上可以定义激活的传感器的覆盖范围或者数量作为衡量无线传感器网络中服务质量的参数；或者，上述错误也可能来自由于传感器的功能受限，如观测准确度的不足或数据传输速率较低，因此也可以定义观测准确度或是测量误差用于衡量服务质量。

考虑以一些典型参数，如传感器的覆盖范围、传感器位置排列、测量误差以及激活传感器的最佳数量等。同时还要考虑任务要求对传感器的布置、激活传感器的数量、传感器的测量准确度等都有特定的要求，这些要求的考虑和相关设备的选取对系统的工作质量有着直接的影响。因此，在考虑指定的业务和工作内容时，必须注意任务要求和相关参数的配置。

考虑基础通信网络怎样才能传输有服务质量感知数据，并且能够有效地利用网络资源。虽然不可能分析无线传感器网络中所有设想的业务，但可以根据不同的数据传输模式来分析各个不同类型的业务，因为每种类型中的大部分业务都有共同的需求。在无线传感器网络中，关心的是数据怎样传输给汇聚节点以及由业务特性所决定的相应的一些处理和传输的需求。

在无线传感器网络应用中，如环境监测、目标视频跟踪和分布式存储等的服务质量需求。应用层的QoS需求是由用户指定的，如系统寿命、响应时间、数据更新度、检测概率、数据保真度和数据准确度等，需要网络设计者来平衡和调节，在给定相同的物理层射频（RF）单元，在MAC改善传输可靠性的同时，会恶化服务质量，因为带来了重传、确认以及纠错编码等能量开销。无线传感器网络与应用相关的需求还有覆盖、暴露、测量差错，以及最优激活的节点数目等。与网络相关服务质量的需求要注意解决几个问题：

1）底层的网络如何有效地利用网络资源传输服务质量、约束服务质量的传感器数据。

2）通过数据传输模型分析每一类应用。

3）选择数据传输的模型，如事件驱动、查询驱动以及连续传输模型等。

注意到无线传感器网络与传统数据网络需求的差别，无线传感器网络不再是端到端的应用，因此服务质量是集体参数，如集体延迟、集体分组丢失、集体带宽以及信息的吞吐率等；带宽并非是单个传感器节点主要关注的目标，或许一群传感器节点才会关注带宽。可以容忍单个节点产生的业务分组丢失到一定程度，大多数无线传感器网络应用都是任务紧急的应用，对延迟有较高要求。

4.无线传感器网络服务质量特点

服务质量具有两方面的含义：从用户的角度看，服务质量代表用户对于网络所提供服务的满意程度；从网络的角度来看，服务质量代表网络向用户所提供的业务参数指标。

从网络的观点来看，人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汇聚节点以及该过程相关的需求。可以根据数据发送模型对无线传感器网络的应用进行分类，每个服务质量类别中的多数应用程序对数据发送都有共同的需求。通常来看，有3种基本数据发送模型，分别是事件驱动模型、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，目标附近的节点将立即处于激活状态，将采集到的数据传送给汇聚节点，以便通告最终用户，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服务质量需求有以下特点：(www.xing528.com)

1）应用程序本身并不是端到端的，具体地说，应用程序的一端是汇聚节点，但另一端并非单个传感器节点，而是受事件影响的某一区域内的若干传感器节点。

2）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，大量的节点将产生突发的大流量，网络要保障流量的可达性。

3）一旦侦查到事件，应用程序必须尽快且可靠地做出恰当的反应，因此其对实时性要求较高。

4）模型的应用必须是可交互的，要求重要信息具有较高的可靠性。

（2）查询驱动模型

在查询型网络应用中，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，前者是通过汇聚节点来请求数据，而后者是传感器节点主动将数据发送给汇聚节点。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。如果汇聚节点想升级传感器节点的软件，重新配置发送速率，或者改变节点的任务，则汇聚节点可发送一个指令来执行这些任务。

（3）连续传输模型

在连续传输模型中，节点不断采集数据，并以预先设定好的速率向汇聚节点发送数据。该模型的数据包括实时的和非实时的两种。实时的数据包括语音、图像和视频等；而非实时的数据可能是汇聚节点在一定区域内周期性收集的数据。

在连续传输模型是非端到端的程序中，关键的是非交互性。此外，不同的数据类型也有不同的服务质量需求：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。

无线传感器网络是与应用相关的网络，这种与应用相关的设计方式的优点是能够根据不同应用的要求，对网络和节点软硬件资源最大限度地进行优化；缺点在于网络软件、硬件、拓扑、结构和路由等，在不同应用下有不同的表现形式，每种应用对服务质量的要求也不尽相同。

由各类型对不同性能的要求可以看出，无线传感器网络所保障的服务质量不再是传统网络中端到端的概念，带宽和丢包率也不再是单个传感器节点所关注的主要目标，而是在特定时刻内一组传感器节点突发性传输数据所必需的服务质量，这种保障强调以任务的关键性为中心。

（4）混合型

在很多应用中，上述数据传输模式同时存在于网络中。因此，需要有一个机制来适应有不同限制服务质量的流量类型。

由表5-7可看出，无线传感器网络中的业务需求和传统网络有许多不同。首先，传感器网络中的大多数业务不再是传统的端到端业务。其次，对于单个传感器节点，带宽并不是主要关心的，但对于一组传感器节点在某个特定的时间周期内，带宽是需要着重考虑的，这归因于传感器流量的突发特性；因为冗余数据的存在，所以容许流量中由一个传感器节点产生特定程度的丢包率；最后，无线传感器网络中的很多业务都是重要业务，都有很高的优先级。

表5-7 不同数据发送模型的性能需求

无线传感器网络服务质量和用户服务质量信息交互的一种模型网络为用户提供支持，而用户给网络提出需求。由于网络体系结构中每个层次都有不同的服务质量需求，如MAC层服务质量需求要物理层提供信道的信噪比，以确定选择哪个质量较佳的信道进行用户接入和传输。网络层需要MAC层提供信道的使用情况，以决定选择哪条业务最不拥塞的路径路由数据。传输层也需要网络和MAC层的状态信息，以便满足用户的传输差错率需求。因此，根据用户具体应用的不同，恰当地选择合适的保证服务质量机制，是无线传感器网络保证服务质量技术未来研究的主要课题。

在设计无线传感器网络保证服务质量机制时，不但要考虑来自用户应用的需求，还要对系统网络的特点和结构做深入的分析。表5-8给出了设计无线传感器网络保证服务质量机制应当考虑的主要因素。此外，在处理无线传感器网络的业务时，还应该注意以下几个方面：网络带宽的限制、消除冗余数据传输、能量和延迟的平衡、节点缓存服务质量高低的限制和多业务类型的支持。

表5-8 服务质量保证要素

无线传感器网络的服务质量通常定义为传感器网络的平均准确度，即向信息收集的汇聚节点发送信息的最优的传感器节点数目。如网络节点数过少，不能保证传感器节点采集信息的准确度；如节点数太多，又不能实现最小化能量的使用。基本工作方式是广播原理，信道将服务质量信息发送给每个传感器节点，并运用一个称为GurGame的数学优化方法，来动态调节最优的传感器数目，动态调节来自于传感器节点的服务准确度。