无线传感器网络的服务质量目前还没有统一的参数度量的体系和标准，有人提出非端到端，即网络所要保证的不是汇聚节点与单个传感器节点的端到端之间，而是由应用所决定的汇聚节点与“一组”或“多个”传感器节点之间的服务质量。即当某事件触发后，监测区域内的一组传感器节点将由休眠状态转变为激活状态，进行感知任务并向汇聚节点传输采集到的数据。
由此可见，传统的网络服务质量参数不足以度量无线传感器网络的服务质量的需求，需要定义一些新服务质量的参数，对网络性能进行有效的评价，这些新参数统称为聚合的服务质量参数。
聚合性时延：监测到事件发生后传感器节点产生的第一个数据包与最后一个到达汇聚节点的数据包之间的时间差。
聚合性丢包率：在传递过程中，与监测事件相关的数据包丢失的数量，而不是单个节点的丢包率。
聚合性带宽：位于监测区域内的传感器节点向汇聚节点传输数据所需要的总带宽。
信息吞吐量：汇聚节点与监测区域内传感器节点之间的总吞吐量。
由上述指标可知，这种非端到端的服务质量性能指标已不同于传统IP网络中端到端的服务质量度量指标。非端到端的概念所针对的是无线传感器网络面向以数据为中心的应用，把应用所决定的任务交给一组传感器节点来执行，即网络层面的服务质量问题映射到节点层面来解决。节点层面的服务质量所要保证的是汇聚节点与执行任务的多个传感器节点之间的性能指标是否满足服务质量的要求，而不是针对具体的某个传感器节点。
1.跨层服务与质量保障
关于无线传感器网络中服务质量的研究，以往基本上是孤立的，或是特定在某些功能层上的研究，或是特别指定某些应用场景的研究。跨层设计是通过层与层之间的信息共享及交换来满足全局的、整体的需要，是对网络进行整体的设计和全局的优化。它模糊了严格的层间界限，将分散在网络各子层的特性参数协调融合，通过信息交互，可以以全局的方式适应特定应用所需的服务质量和网络实际状况的变化，同时可以根据系统的约束条件和网络特性来进行综合优化，实现对网络资源的有效分配，提高网络的综合性能。可以看出，跨层的设计方法对无线传感器网络来说非常适合。例如，在无线传感器网络的某些应用中，需要网络的生存期足够长，而时延要尽量短，这对于传感器网络能量有限供应和受限的节点资源和带宽来说是矛盾的，因此，有必要在紧密联系的各功能层之间引入跨层设计的思想。
（1）无线传感器网络的服务质量框架
网络体系结构是网络的协议分层，是对网络及其组成部件所应完成功能的定义和描述，而无线传感器网络的网络体系结构是不同于传统网络的，有着其特殊的功能层。表5-9所示为无线传感器网络参考体系结构，将无线传感器网络的一系列功能分解到各个功能层上，以便随后在不同层次上进行服务质量网络性能参数的映射。
表5-9 无线传感器网络参考体系结构
表5-8所示的无线传感网络的参考体系结构中，有1个水平层的数据管理层和3个垂直层的拓扑维护、覆盖维护、节点定位和时钟同步，是无线传感器网络的特殊功能层。无线传感器网络参考体系结构中最上面是应用层，无线传感器网络的业务可分为事件驱动型业务、查询驱动型业务、连续型业务和混合型业务。数据管理层提供数据的存储转发、网内处理等功能。从传输层到物理层类似于传统网络的通信协议栈，但运行于高度动态和资源受限的无线传感器网络环境中。传输层提供源传感器节点与接收发送器之间感知数据的传输。网络层将感知数据分组从源传感器节点经选定路由传送至汇聚节点，同时也采用流量控制来避免拥塞。MAC层提供传感器节点间在通信范围内的跳到跳的通信，该层还负责包传输的调度和能量节省忙闲周期问题。由于传感器节点工作状态的高度动态性（激活、休眠等）、传感器的随机分布以及部署的高度密集性，需要一个拓扑维护层来维持网络的连通状态，覆盖维护层保证目标区域被最少但足够数量的传感器节点监视。无线传感器网络的用户要把感知数据和实际物理世界中的现象关联起来，所以节点定位（允许传感器节点对自身定位）和时钟同步（保证传感器节点之间时间的一致性）服务层也是必要的。基础层，也即物理层指出了一个传感器节点感知、计算和通信方面的物理能力。
应用层的服务质量一般是由用户选定的。数据管理层一般是指被网络传输和处理的真实比特，而信息是指已经获得的认知或是从数据中提取出来的结论。这里的数据管理层是指能够理解“信息”的最底层。传输层的任务是为源端机到目的机提供可靠的数据传输。而在无线传感器网络的传输层中，需要用到“聚合”的概念，只要包含与已接收数据相关的数据分组，都可以看成是一个聚合，属于一个特殊的包。而只有包含与已接收到数据不相关的数据分组才能算另外一个聚合，属于另一个特殊包。物理层描述了无线传感器节点各方面的性能，即感知、处理和无线通信这三大单元的性能感知单元性能包括测量准确度、感知范围、感知功率。处理单元性能包括节点定位能力、时钟同步能力、处理速度以及计算能力。无线通信单元性能包括信道速率、编码和射频功率。
感知单元测量准确度影响覆盖可靠性、覆盖鲁棒性；感知范围影响覆盖百分率。因此感知功率也影响覆盖维护层的所有服务质量需求。节点定位能力和时钟同步能力分别影响定位准确度和同步准确度，处理速度决定数据管理层的处理时延，计算能力影响数据管理层的计算花费、数据抽象度和数据准确度。同时这些性能也影响节点定位/时钟同步层的服务能量消耗。
（2）服务质量需求的关系
无线传感器网络服务质量受相同低层服务质量需求影响，两个不同高层服务质量需求之间关系大致有4种情况：
1）竞争关系：两个高层服务质量需求对低层所提供的有限的资源有着相同的要求。例如，给定数据管理层处理器的处理时延，要改善应用层的响应时间需要更多的CPU时间去处理查询信息，而要改善数据更新时间则需要更多的CPU时间处理感知数据，两者将竞争同一有限资源（即CPU时间）。
2）对立关系：其中一个高层服务质量需求的提高需要低层服务质量需求的提高，而另一个高层服务质量需求的提高需要同样低层服务质量需求的降低。例如，提高MAC层的通信范围，需要物理层的射频功率更高，而要提高MAC层的能量效率，需要射频功率更低。(www.xing528.com)
3）消长关系：在同一个低层服务质量需求水平下，改善高层服务质量需求中的一个，会导致另一个服务质量需求的恶化。例如，在同样的拥塞概率下，提高数据传输的可靠性需要更多冗余数据包的传输，然而这样就增加了能量消耗。
4）协调关系：两个高层服务质量需求，对低层服务质量需求的要求可能是不同的，既不竞争同一资源，也不是消长关系。例如，传输层的数据传输可靠性的提高可以使数据管理层的存储丢失率和提取丢失率同时得到改善，且给定数据传输可靠性后，其两者是独立的，所以两者是协调关系。由此，两个高层服务质量需求之间只有符合前3种关系时才会存在一个权衡点，如在MAC层的通信范围和能量效率之间就存在着权衡点，但如果高层服务质量需求同时受几个低层需求的影响，那么就不能采用这种描述方法。连通性维护层的网络直径和网络容量同时受到MAC层通信范围的影响，通信范围越大，越能改善网络直径，但是通信范围越大，导致邻节点之间的冲突越多，从而使得网络容量下降，网络直径和网络容量之间有一个权衡点，从而改善网络直径会使得网络层的路径时延改善，改善网络容量会使得网络层的拥塞概率改善。所以，网络层的路径时延和拥塞概率之间也存在着一个权衡点。这些权衡关系的发现能够更加促进理解无线传感器网络系统中跨层之间的相互作用与影响。
（3）服务质量的跨层设计
利用无线传感器网络参考体系结构，可以进行如下跨层设计：
1）网络的每一个功能层会把对其他功能层产生影响的服务质量需求信息直接或间接地传递给相应的层次，如物理层的发射功率、测量准确度，MAC层的通信范围，网络层的拥塞概率等。
2）网络的每一个功能层分析从其他功能层传递过来的影响本层性能的服务质量需求信息，并对本层的通信做出相应的调整。例如，网络层根据拓扑维护层提供的拓扑状况和MAC层提供的链路状况实施路由协议，以实现最小路径时延和拥塞概率。
3）对于会影响到多个功能层的服务质量需求参数，要结合业务性能要求，对各层进行综合考虑，对相关的性能参数进行折中考虑。如物理层的射频功率同时影响到MAC层的通信范围和传输可靠性、拓扑维护层的网络直径和网络容量、网络层的路径时延和拥塞概率以及传输层的数据传输时延和数据传输可靠性。因此，在进行网络设计时，就要充分考虑这些影响，在网络能量消耗、时延、可靠性之间进行有效折中考虑。
2.中间件与质量保障
（1）基于中间件的服务质量
主动服务质量机制建立在应用和网络协商的基础上，可对应用质量、网络结构或路由等进行主动调节与干预。中间件能实现应用与网络间的翻译和控制，支持两者协商新的服务质量。传感器网络的中间件技术的已有研究，更多的是集中在中间件问题本身，未上升到服务质量支持层面上。因此，研究如何基于中间件实施主动服务质量机制值得关注。
服务质量保证对于网络来说用简单的方法是难以保障的，但采用通过网络之间的中间件进行协商（即设计一种中间适配层来适应下层网络和端系统资源的动态变化，它能够方便上下层之间的交互），使上层及时获取底层的反馈信息，并使下层能够准确理解上层数据的语义和贯彻上层的决策，这样就可以提高系统的整体性能和应用感知的服务质量。
用中间件可以为无线传感器网络应用屏蔽掉底层平台的差异，应用和网络之间通过中间件的标准API交换信息。中间件为主动服务质量的协商和干预机制提供了一个收集、分析与判断分散节点信息的合适平台，通过调整使网络能够最大限度地支持服务要求、延长网络生存期。
（2）服务质量动态管理
其设计思想是对可允许的资源预留请求规定一个范围，网络在规定的范围内为应用提供服务，采用服务质量范围而不是单个固定值可以增加服务质量在请求范围内得到维护的概率，提供软服务质量保证，并在最大服务质量和最小服务质量之间动态调节应用的服务质量要求来适应网络资源的变化。在无线传感器网络中，由于动态变化的网络特性不宜采用静态指配的资源管理方法，而应采用动态资源管理机制来保证资源分配的高效性。当经过协商后，确定资源能够满足服务质量请求，则可为应用预留和分配所需的资源。否则，需要等待其他业务流释放资源或重新协商服务质量要求，系统可根据资源分配和可用资源变化，调节各业务流速率和占用资源的状态。动态资源管理的框图如图5-20所示。
图5-20 动态资源管理框图
这种方法对于网络元素不稳定和整体资源受限的无线传感器网络来说是非常必要的。动态资源管理和基于中间件的服务质量技术，是提供服务质量保障非常有效的方法，当网络对应用的支持发生变化后，需要通过动态调节的方式，使网络满足应用对服务质量的最低要求，或者在降低应用对服务质量要求的情况下，使网络最大限度地支持应用。
（3）实时业务的服务质量方法
建立从源节点到簇头的数据传输路径时，首先要保证能量有效性，计算节点之间的链路代价，主要考虑传输的花费、节点的剩余能量以及信道误码率等因素。在无线传感器网络的一个簇内，簇头节点负责收集来自簇内成员的数据，簇内采用多跳的通信方式，每个负责转发数据的节点对于来自源节点的数据需要进行分类和调度处理，将实时业务和尽力而为业务的数据通过分类器分配到不同队列中，定义带宽比例系数来表示分别用于实时业务和尽力而为业务的带宽比例，根据比例的大小由调度器来决定不同业务种类分组的传输顺序。无线传感器网络建立在服务质量、不可靠的数据传输的基础之上，但并不排斥业务流的优先级表达式。
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