無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量管理的多目標優(yōu)化控制*

韓安太，彭 慧，李劍鋒，游來健

(中國計量學院電工與電子技術(shù)研究所，杭州310018)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］可有效滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)［2］等應(yīng)用領(lǐng)域中遠程監(jiān)測系統(tǒng)智能化、精準化、分布式的發(fā)展需要，因此受到研究人員持續(xù)關(guān)注［3－5］。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)固有的時變傳輸延時、丟包等現(xiàn)象嚴重影響基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的遠程監(jiān)測系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定［6］;因此，必須采取措施減少這些現(xiàn)象對系統(tǒng)整體性能的影響，即提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量［7］(Qualilty of Service，簡稱 QoS)。

為提高網(wǎng)絡(luò)QoS，研究人員從設(shè)計系統(tǒng)控制器、修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等角度提出解決方法［8－11］，由于難以得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的精確數(shù)學模型、標準化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議修改困難等原因，這些方法的實用性和使用效果仍需進一步探索。在此基礎(chǔ)上，一些研究人員從網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度角度提出了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)QoS變化動態(tài)調(diào)整傳感器節(jié)點采樣周期的自適應(yīng)采樣方法［12－15］，然而，采樣周期一般根據(jù)信號特點和設(shè)計要求確定，只允許圍繞設(shè)定值微小波動，否則將使系統(tǒng)性能嚴重退化［16］，這就嚴重影響了自適應(yīng)采樣方法的實用性。

針對上述問題，本文在自適應(yīng)采樣方法基礎(chǔ)上，通過分析傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)包發(fā)送周期與采樣周期之間關(guān)系，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)QoS管理的多目標優(yōu)化控制策略，目的是提高網(wǎng)絡(luò)QoS，進而提高系統(tǒng)整體性能。

1 控制器設(shè)計

1．1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

考慮圖1所示基于星形拓撲結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的遠程監(jiān)測系統(tǒng);該系統(tǒng)主要由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點，對數(shù)據(jù)進行收集和處理的匯聚節(jié)點，對系統(tǒng)運行進行協(xié)調(diào)、優(yōu)化、管理的基站構(gòu)成;傳感器節(jié)點采用時間觸發(fā)，匯聚節(jié)點采用事件觸發(fā)［1］。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1．2 基本設(shè)計思路

在圖1系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點周期性采樣、處理被監(jiān)測信號，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將采樣數(shù)據(jù)包發(fā)往匯聚節(jié)點，如圖2所示。

圖2 信號采樣與數(shù)據(jù)包發(fā)送之間的關(guān)系

由圖2可知，傳感器節(jié)點周期性采樣觸發(fā)周期性數(shù)據(jù)發(fā)送，且采樣周期與數(shù)據(jù)包發(fā)送周期具有如下關(guān)系(不失一般性，此處忽略傳感器節(jié)點對采樣數(shù)據(jù)的處理時間或認為采樣周期中已包含這些處理時間):

式中，si(k)表示傳感器節(jié)點i的采樣周期;hi(k)表示傳感器節(jié)點i的數(shù)據(jù)包發(fā)送周期;a表示采樣數(shù)據(jù)長度;b表示數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)域長度;k表示采樣時間順序值，k=0，1，…，∞。

由式(1)及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)延時的相關(guān)結(jié)論［8－9］可知，當 a、b 為定值時，hi(k)與 si(k)之間保持線性關(guān)系，即

式中，Δsi(k)表示傳感器節(jié)點i的采樣周期變化值;Δhi(k)表示傳感器節(jié)點i的數(shù)據(jù)包發(fā)送周期變化值。

這就意味著si(k)變化導(dǎo)致hi(k)發(fā)生相同變化，hi(k)變化可看作是由si(k)變化引起的，自適應(yīng)采樣方法［12－15］要達到的目的可通過自適應(yīng)改變hi(k)來實現(xiàn)。

一般來說，只要網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠充分或網(wǎng)絡(luò)負載足夠小，任何網(wǎng)絡(luò)都可達到滿意的QoS;然而，實際網(wǎng)絡(luò)帶寬總是有限的，需要對其進行合理分配才可保證一定QoS。根據(jù)式(2)，當Δhi(k)減小時(其效果等同于Δsi(k)減小)，傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包發(fā)送請求增加，帶寬要求增加，網(wǎng)絡(luò)負載增加，網(wǎng)絡(luò)利用率較高，截止期錯失率［17］較大，網(wǎng)絡(luò)QoS下降;為提高網(wǎng)絡(luò)QoS，需要減少節(jié)點帶寬要求，可通過增加Δhi(k)(其效果等同于Δsi(k)增加)來實現(xiàn);但是，過大hi(k)將引起數(shù)據(jù)包在傳感器節(jié)點處堆積，且造成網(wǎng)絡(luò)利用率不足，網(wǎng)絡(luò)帶寬浪費。

根據(jù)上述分析，針對圖1系統(tǒng)，本文設(shè)計了圖3所示基于QoS管理的多目標優(yōu)化控制策略。

圖3 基于QoS管理的多目標優(yōu)化控制策略

圖3的優(yōu)化控制策略是在原系統(tǒng)上增加的一個反饋控制閉環(huán)，保存、運行在匯聚節(jié)點中。優(yōu)化控制策略使用截止期錯失率作為網(wǎng)絡(luò)QoS評價指標，在每一個控制器調(diào)用周期結(jié)束時，PID控制器根據(jù)截止期錯失率測量誤差計算下一個調(diào)用周期內(nèi)所有傳感器節(jié)點的帶寬要求，以此為約束條件，多目標優(yōu)化控制器通過最小化某個優(yōu)化目標，使各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包發(fā)送周期值最優(yōu)化，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬合理分配、網(wǎng)絡(luò)利用率最大化且網(wǎng)絡(luò)QoS維持在一定水平;然后，新數(shù)據(jù)包發(fā)送周期值被發(fā)送給各傳感器節(jié)點，在下一個調(diào)用周期內(nèi)，各傳感器節(jié)點按新數(shù)據(jù)包發(fā)送周期值進行數(shù)據(jù)包發(fā)送。

1．3 控制器設(shè)計

在控制器調(diào)用周期T(k)中，匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點i對應(yīng)的截止期錯失事件個數(shù)［12］為

T(k+1)開始之前，匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點i對應(yīng)的截止期錯失率和網(wǎng)絡(luò)截止期錯失率為

式中，di(k)表示在T(k)內(nèi)，傳感器節(jié)點i的截止期錯失率測量值;D(k)表示在T(k)內(nèi)，向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的所有傳感器節(jié)點的截止期錯失率測量值，表示當前網(wǎng)絡(luò)QoS狀態(tài)。

為消除無線通訊內(nèi)在不確定性和測量噪聲的影響，采用式(6)計算截止期錯失率誤差

式中，Dr表示截止期錯失率設(shè)定值;e(k)表示在T(k)內(nèi)的截止期錯失率誤差;λ表示遺忘因子，滿足0≤λ≤1。

式(6)包含一個數(shù)字低通濾波器，λ決定濾波性能;當λ=1時，式(6)即可轉(zhuǎn)換為一般誤差計算公式:

將e(k)代入PID控制器式(8)，即可得到在T(k+1)內(nèi)所有傳感器節(jié)點的帶寬要求。

式中，u(k+1)表示在T(k+1)內(nèi)所有傳感器節(jié)點的帶寬要求，滿足 0≤u(k+1)≤1;KP、KI、KD表示PID控制器參數(shù)，通過仿真或?qū)嶒灥玫健?/p>

將u(k+1)代入優(yōu)化方程(9)，即可將網(wǎng)絡(luò)帶寬分配給所有傳感器節(jié)點，且使hi(k)最優(yōu)化。

1．4 優(yōu)化目標選擇

優(yōu)化目標Ji(k)應(yīng)根據(jù)實際需求確定，且考慮hi(k)變化的影響;由于§1．3算法已包含網(wǎng)絡(luò)QoS管理，因此，不管Ji(k)采用哪種形式，優(yōu)化問題(9)都可看作一個基于QoS管理的多目標優(yōu)化控制問題。

對于數(shù)據(jù)采集類應(yīng)用，采用優(yōu)化目標式(10)，則算法可同時兼顧全局網(wǎng)絡(luò)和單個傳感器節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)QoS的要求。

式中，dir表示傳感器節(jié)點i的截止期錯失率設(shè)定值，一般可取dir=Dr。

對于閉環(huán)控制類應(yīng)用，采用優(yōu)化目標式(11)，則算法同時考慮了hi(k)對控制系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)性能兩方面的影響。

式中，Vi(hi(k))表示數(shù)字控制系統(tǒng)與相應(yīng)模擬控制系統(tǒng)之間的控制性能差距［19］，hi(k)越小，二者性能差距越小;αi表示放大系數(shù);βi表示衰減率。

如果將圖1系統(tǒng)看作基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)(閉環(huán)數(shù)等于傳感器節(jié)點數(shù))，并取優(yōu)化目標為式(12)，則算法可看作是從控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計的角度來提高系統(tǒng)性能［15］。

式中，eci(k)表示第i個控制環(huán)的控制誤差。

除上述優(yōu)化目標外，可采用加權(quán)方法構(gòu)成其它形式優(yōu)化目標

式中，Jji(k)表示優(yōu)化目標Ji(k)中的第j個分量;ηj表示Jj

1．5 其它關(guān)鍵問題

為減少算法實現(xiàn)對原系統(tǒng)影響，可在傳感器節(jié)點原發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)前增加待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū);傳感器節(jié)點先將采樣數(shù)據(jù)包送入待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后根據(jù)hi(k)取值，將數(shù)據(jù)包送入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，此后操作(網(wǎng)絡(luò)競爭、擁塞控制等)即與原系統(tǒng)相同，如圖4所示。

圖4 使用本文方法時的存儲器結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向

在 si(k)、a、b、vn為常數(shù)且 himax取較大值時，大量采樣數(shù)據(jù)包保存在傳感器節(jié)點的待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，有可能引起緩沖區(qū)溢出，并增加數(shù)據(jù)包傳輸延時;因此，himax的確定應(yīng)考慮si(k)、存儲容量、傳輸延時等多種因素。

較小的T(k)可提高響應(yīng)速度，但導(dǎo)致di(k)、D(k)等參數(shù)計算誤差增加，調(diào)節(jié)精度下降，較大的T(k)可減少di(k)、D(k)等參數(shù)計算誤差，但降低了響應(yīng)速度，造成較大超調(diào)量、較長調(diào)節(jié)時間;因此，T(k)的選擇應(yīng)考慮響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)時間的相互影響。

2 實驗驗證與分析

2．1 實驗方案

在杭州市某農(nóng)場的番茄培養(yǎng)溫室中進行模擬實驗。該日光溫室長70 m、寬8．2 m、檐高4．9 m、脊高6．2 m;溫室內(nèi)布置12個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，構(gòu)成圖5所示實驗系統(tǒng)，設(shè)計目標是實現(xiàn)不同位置土壤濕度檢測，且傳輸檢測值到匯聚節(jié)點。實驗系統(tǒng)具體軟硬件實現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置方法等見文獻［14，20］。

圖5 模擬實驗系統(tǒng)

傳感器節(jié)點為 S1 ～S4、S6、S8、S10 ～S12，中繼節(jié)點為S5、S7和S9，匯聚節(jié)點通過串行口和PC進行信息交換;節(jié)點間無線通訊使用Zigbee協(xié)議，工作頻段2．4 GHz，有效傳輸距離30 m，數(shù)據(jù)包大小64 byte;si(t)=20 ms表示所有傳感器節(jié)點具有相同采樣周期值;hi(0)=20 ms、himin=20 ms、himax=100 ms表示所有傳感器節(jié)點具有相同的數(shù)據(jù)包發(fā)送周期初始值、最小值和最大值;KP=0．018、KI=0.009、KD=0．004是通過仿真得到的PID控制器參數(shù);ωi=1表示各傳感器節(jié)點在整個系統(tǒng)中的地位同等重要;a=b;T(k)=1 s;Dr=10%;λ=1;b+L=64 byte;vn=250 000 bit/s;ci=2．048 ms;ui(0)=0.102表示每個傳感器節(jié)點的帶寬要求初始值;u(0)=0．615表示所有傳感器節(jié)點的總帶寬要求初始值;根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計目標，選擇式(10)所示優(yōu)化目標。

實驗時間為180s。開始時，打開匯聚節(jié)點和S1 ～S3、S12;60s時，打開中繼節(jié)點、S4、S6、S8;120s時，打開S10、S11;180s時，停止實驗。實驗?zāi)康氖欠治鲈诰W(wǎng)絡(luò)負載逐漸增加情況下，使用不同方法對網(wǎng)絡(luò)截止期錯失率D(k)、傳感器節(jié)點S1的采樣周期或數(shù)據(jù)包發(fā)送周期的影響。

2．2 實驗結(jié)果

主要實驗結(jié)果見圖6、圖7;其中，一般方法指節(jié)點間使用標準Zigbee協(xié)議進行通訊;文獻方法指除了使用標準Zigbee協(xié)議外，應(yīng)用層上執(zhí)行文獻［14］提出的自適應(yīng)采樣方法;本文方法指除了使用標準Zigbee協(xié)議外，應(yīng)用層上執(zhí)行本文提出的多目標優(yōu)化控制策略。

圖6 網(wǎng)絡(luò)截止期錯失率變化曲線

圖7 采樣周期或數(shù)據(jù)包發(fā)送周期變化曲線

在0～60 s內(nèi)，使用一般方法、文獻方法和本文方法時的D(k)約為1．98% ～11．9%，一般方法中的采樣周期固定為20 ms，文獻方法中的采樣周期在10 ms～20 ms內(nèi)波動，本文方法中的數(shù)據(jù)包發(fā)送周期20 ms～28 ms內(nèi)波動。這就表明:在網(wǎng)絡(luò)負載輕的情況下，由于網(wǎng)絡(luò)資源相對充分，是否進行QoS控制對D(k)影響不大，網(wǎng)絡(luò)具有較高QoS。

在60 s～180 s內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)負載逐步增加，由于一般方法中采樣周期固定為20 ms，D(k)迅速增加，在60 s～120 s內(nèi)，D(k)約為60% ～73%，在120 s～180 s內(nèi)，D(k)幾乎為100%，表明來自傳感器節(jié)點的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)包不能在規(guī)定時間內(nèi)到達匯聚節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)具有較低QoS;在文獻方法和本文方法中，由于采樣周期或數(shù)據(jù)包發(fā)送周期可根據(jù)D(k)變化動態(tài)調(diào)整，D(k)整體變化優(yōu)于一般方法，表明在網(wǎng)絡(luò)負載增加的情況下，進行QoS控制可使得D(k)維持在較小的值，明顯改善網(wǎng)絡(luò)QoS，同時也表明，本文方法可達到與自適應(yīng)采樣方法［12－15］相同的效果。

本文方法和文獻方法都可通過動態(tài)調(diào)整采樣周期或數(shù)據(jù)包發(fā)送周期來影響D(k)，但二者控制效果不同，由圖6可知，除暫態(tài)過程外，使用文獻方法時，在60 s～120 s內(nèi)，D(k)約為21% ～38%，在120 s～180 s內(nèi)，D(k)約為33% ～48%，而使用本文方法時，D(k)始終保持在8% ～14%范圍內(nèi)，控制效果優(yōu)于文獻方法。這主要是由于文獻方法僅考慮了各傳感器節(jié)點的局部QoS要求，沒有考慮整個網(wǎng)絡(luò)的QoS要求，造成某些節(jié)點的di(k)可能較低，整個網(wǎng)絡(luò)的D(k)不一定較低;而本文方法則通過結(jié)合一定優(yōu)化目標，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)全局和各傳感器節(jié)點的QoS要求，從節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)兩個層面為高層應(yīng)用(如系統(tǒng)控制器設(shè)計等)提供了具有較高QoS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)完整性、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)定性等性能指標的實現(xiàn)提供了保證。

2．3 討論

和自適應(yīng)采樣方法的實現(xiàn)類似，本文提出的基于QoS管理的多目標優(yōu)化控制策略的實現(xiàn)是以待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的增加、管理為代價的。

在傳感器節(jié)點上的待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可依據(jù)先進先出原則并使用雙向鏈表構(gòu)建;如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持數(shù)據(jù)包大小動態(tài)改變，也可通過更改數(shù)據(jù)包長度的辦法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包發(fā)送周期的調(diào)整。

匯聚節(jié)點應(yīng)具有較豐富計算資源，以支持算法中涉及的所有計算和數(shù)據(jù)存儲，特別是優(yōu)化問題的迭代計算。

當系統(tǒng)長時間處于穩(wěn)態(tài)時，周期性調(diào)用優(yōu)化控制策略將造成計算、通訊資源浪費，可引入事件驅(qū)動機制來減少這種資源消耗。

3 結(jié)論

針對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的遠程測控系統(tǒng)，為減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)固有的時變傳輸延時、丟包等現(xiàn)象對系統(tǒng)性能的影響，從提高網(wǎng)絡(luò)QoS的角度，本文提出一種基于QoS管理的多目標優(yōu)化控制策略。該優(yōu)化控制策略以截止期錯失率作為QoS評價指標，使用PID控制器和多目標優(yōu)化控制器來動態(tài)調(diào)整各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包發(fā)送周期，使網(wǎng)絡(luò)帶寬分配可適應(yīng)截止期錯失率的變化，保證QoS維持在一定水平;在溫室土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的使用結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)負載變動的情況下，該優(yōu)化控制策略可有效提高網(wǎng)絡(luò)QoS，從而表明了本文方法的有效性。

［1］ Cullar D，Estrin D，Strvastava M．Overview of Sensor Networks［J］．Computer，2004，37(8):41 －49．

［2］ Sigrimis N，Antsaklis P，Groumpos P．Special Issue on Control Advances in Agriculture and the Environment［J］．IEEE Control System Maganize，2001，(21):8 －85．

［3］ Pawlowski A，Guzman J L，Rodriguez F，et al．Simulation of Green-house Climate Monitoring and Control with Wireless Sensor Network and Event-Based Control［J］．Sensors，2009，9(1):232 －252．

［4］ 高峰，俞立，張文安，等．基于莖直徑變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作物精量灌溉系統(tǒng)［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(11):7 －12．

［5］ 韓華峰，杜克明，孫忠富，等．基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(7):158 －163．

［6］ Rezgui A，Eltoweissy M．Service-Oriented Sensor-Actuator Networks:Promises，Challenges，and the Road Ahead［J］．Computer Communications，2007，30(13):2627 －2648．

［7］ Feng X．QoS Challenges and Opportunities in Wireless Sensor/Actuator Networks［J］．Sensors，2008，8(2):1099 －1110．

［8］ Ploplys N，Kawka P，Alleyne A．A Closed-Loop Control Over Wireless Networks［J］．IEEE Control Systems Magazine，2004，24(3):58－71．

［9］ 韓安太，郭小華．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LQR輸出反饋控制器設(shè)計［J］．計算機測量與控制，2009，17(1):53 －56．

［10］王毅，張德運，張棟．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足QoS帶寬需求的能量最優(yōu)路由方案［J］．傳感技術(shù)學報，2006，19(6):2754－2759．

［11］ Felemban E，Lee C，Ekici E．MMSPEED:Multipath Multi-SPEED Protocol for QoS Guarantee of Reliability and Timeliness in Wireless Sensor networks［J］．IEEE Transactions on Mobile Computing，2007，5(6):738 －754．

［12］ Feng X，Yu Chu T，Yanjun L，et al．Wireless Sensor/Actuator Network Design for Mobile Control Applications［J］．Sensors，2007，7(3):2157－2173．

［13］ Colandairaj J，Irwin G W，Scanlon W G．Wireless Networked Control Systems with QoS-Based Sampling［J］．IET Control Theory and Applications，2007，1(1):430 －438．

［14］韓安太，郭小華，吳秀山．溫室環(huán)境控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量管理［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(1):216 －220．

［15］ Feng X，Youxian S，Yuchu T．Feedback Scheduling of Priority-Driven Control Networks［J］．Computer Standards and Interfaces，2009，31(3):539 －547．

［16］程佩青．數(shù)字信號處理教程［M］．第二版．北京:清華大學出版社，2001:30－41．

［17］ Feng X，Zhao W H，Sun Y X，et al．Fuzzy Logic Control Based QoS Management in Wireless Sensor/Actuator Networks［J］．Sensors，2007，7(12):3179 －3191．

［18］ Walsh G C，Hong Ye．Scheduling of Networked Control System［J］．IEEE Control System Magazine，2001，21(1):57 －65．

［19］毛劍琳，吳智銘，王四平．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)采樣頻率優(yōu)化算法［J］．控制與決策，2007，22(1):45 －48．

［20］韓安太，何勇，李劍鋒，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧蟲聲信號采集系統(tǒng)設(shè)計［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(6):181 －187．