基于ZigBee協議的無線傳感器網絡服務質量的研究

王建國，楊 婧

（西安工業大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710032）

隨著傳感器技術、通信技術和嵌入式計算技術的飛速發展，它們之間互相融合且日益成熟，人們研制出了各種具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器。由許多微型傳感器構成的無線傳感器網絡 （Wireless Sensor Networks，WSN）[2]引起了人們的極大關注。WSN綜合了傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理和通信等多種技術，以自組多跳的無線網絡方式實時監測、采集和處理各種環境或對象的信息，并對這些信息進行處理或控制，傳送給需要這些信息的用戶。在國防軍事、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、危險區域遠程控制等許多重要領域WSN都有具有十分廣闊的應用前景。

無線傳感器網絡作為一個快速發展的技術領域，其標準林立這不利于各網絡節點的互聯及網絡的管理。近幾年，有一項協議規范在無線傳感器網絡中的應用廣泛，它就是ZigBee協議[7]。ZigBee是一種新興的近距離、低數據速率、低功耗、低復雜度、低成本的自組網無線網絡技術。與其它的幾種無線通信技術如藍牙、Wi-Fi、UWB、GPRS、CDMA 相比，ZigBee的省電、可靠、成本低、網絡容量大，低復雜性，自組網等特點更適合于無線傳感器網絡。ZigBee雖然作為一種新興技術，但由于其自身的諸多優點而廣受關注并有著極為廣闊的應用前景。

目前無線傳感器網絡的研究工作主要集中在網絡技術和通信協議方面，而服務質量（Quality of Service，QoS）是WSN是否實用和可用性的關鍵，所以無線傳感器網絡QoS[8-10]管理的理論和技術是一個重要的研究領域。

1 無線傳感器網絡概念及特點

無線傳感器網絡是一種新興的無線自組織網絡，由大量無線傳感器節點通過自組織的方式組成網絡。無線傳感網絡是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。圖1給出了一個典型的無線傳感器網絡結構。

圖1 無線傳感器網絡結構圖Fig.1 Wireless sensor networks structure

匯聚節點是網絡的中心，具有協調和網關的作用，負責對監控區域中的傳感器網絡進行網絡配置、管理和數據的匯聚；同時匯聚節點也是一個網關，利用它可通過廣域網（如Internet網絡或衛星網絡）將數據送至任務管理節點即用戶處進行統計分析和處理。

無線傳感器網絡有以下幾個特點：1）傳感器節點要求體積小，功耗低，成本低。這是由于傳感器網絡中節點數量龐大且分布密度也很大所決定的；2）節點資源高度受限。由于受成本和物理環境的限制，節點的處理能力和存儲空間都有限，且節點一般由電池驅動能量也有限；3）以數據為中心的網絡。因為傳感器網絡是以數據本身作為查詢或傳輸線索；4）是一個具有自組網能力的動態性網絡：由于在使用過程中，節點的個數會因需要或故障隨時加入和退出網絡中，而且節點也會移動，加之無線通信信道的不穩定性，從而使網絡的拓撲結構會隨之動態變化。因此要求無線傳感器網絡要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態變化，具有自組網、智能化和協同感知等功能。5)無線傳感器網絡的安全性。

2 ZigBee協議的組成和通信特點

ZigBee是一種新興的無線網絡技術，其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。ZigBee主要是在短距離范圍之內傳輸小量的數據，傳感器數據、控制命令和重復行數據是其主要的傳輸對象。完整的ZigBee協議由物理層、媒體訪問控制層、網絡層、應用匯聚層和應用應用層組成，如圖2所示。

圖2 ZigBee協議?？蚣蹻ig.2 ZigBee protocol stack framework

ZigBee標準是基于IEEE802.15.4標準的，ZigBee協議棧分為兩部分IEEE802.15.4處理低級MAC層和物理層協議。ZigBee聯盟制定了網絡層、安全層和應用程序接口的應用規范。通過服務接入點（SAP）各層之間進行數據通信和協議棧管理。ZigBee協議棧中在網絡層之上才ZigBee協議真正定義的部分，PHY層完成數據的收發、開啟和關閉無線收發信機、能量檢測（ED）、鏈路質量指示（LQI）、信道評估（CCA）的功能。MAC層主要功能包括采用CSMA／CA機制訪問信道，協調器產生信標幀并發送，時隙保障（GTS）機制和提供MAC層可靠傳輸機制。網絡層是ZigBee的核心部分，它主要負責設備加入、退出網絡的機制，幀安全機制，路由發現以及維護機制，協調器的網絡層還要實現網絡拓撲的建立，并為設備分配地址。應用接口層包括應用支持子層（APS），ZigBee設備對象（ADO）和制造商定義的應用對象。APS子層負責維護綁定列表，根據設備的服務和需求對設備進行匹配，并在綁定的設備間傳送信息。ZDO負責定義設備在網絡中的角色（如協調器還是節點），發現設備并決定設備所提供的應用服務、初始化并響應綁定請求，在設備之間建立安全關系。此外ZigBee協議層中還具有數據的安全管理機制。

3 無線傳感器網絡的QoS

3.1 服務質量（QoS）的概念

自無線傳感器網絡出現以來，人們一直對如何定義WSN的服務質量、如何衡量WSN的服務質量，以及WSN究竟是否需要服務質量而存在較大的分歧。目前，研究人員普遍達成的共識是：無線傳感器網絡需要QoS支持，但是不同的應用對QoS有不同的理解和需求，無法對無線傳感器網絡QoS形成統一的定義。

服務質量（Quality of Service，QoS），它有多種等價或互補的定義形式。RFC2386[1]中描述為：QoS是網絡在傳輸數據流時要求滿足的一系列服務請求，也就是，指網絡需要提供給應用實現正常功能所需的性能級別保證。

無線傳感器網絡中的網絡QoS技術，通常具有兩方面的含義；1）從應用的角度看，QoS代表用戶對于網絡所提供服務的滿意程度。2）從網絡的角度來看，QoS代表網絡向用戶所提供的業務參數指標。為了方便分析，人們將無線傳感器網絡的服務質量分為兩個層面，分別是針對用戶的應用層面和針對服務的網絡層面。

3.2 無線傳感器網絡的QoS特點

目前無線傳感器網絡QoS的特點：1）簡單易用；2）調節不均衡流量；3）處理冗余數據；4）適應網絡的動態性及延展性；5）適應多種網絡流量類型。

這是由于傳感器節點無法更換或補充能量，因此節點自身能源是最重要的限制條件。由此傳感器節點只能支持比較簡單易用的QoS機制[3-4]。應用中大量的傳感器節點產生的數據只由少量的匯聚節點來處理。由于業務要求的不同，不同時候的網絡流量可能相差很大。QoS機制能選擇合適的路由來調節不均衡流量。在無線傳感器網絡中，大量的傳感器節點監測[5-6]同一個目標，可能會在網絡中傳輸大量的冗余數據，造成網絡擁塞。QoS機制能減少由此導致的延遲。傳感器節點狀態變化、移動或失效，無線通信鏈路不穩定以及新節點的加入都可能導致網絡拓撲變化。

4 基于ZigBee協議的WSN服務質量評價機制

目前，對無線傳感器網絡QoS機制的研究成果較少，如何最大化網絡資源利用率、降低節點功耗、在節點失效（如能量耗盡）或狀態轉換時，仍然能夠滿足網絡應用的服務質量請求是特別值得關注的問題。ZigBee協議符合無線傳感網絡所需的全部特征，但其標準還不夠完善，實現的成本還較高。結合ZigBee協議的組成、通信特點和無線傳感器網絡的QoS特點，比對傳統網絡的QoS。分析認為研究ZigBee協議的WSN服務質量評價機制主要是圍繞數據監測與傳輸的可靠性、實時性、包投遞率、網絡有效性以及特殊應用服務質量等幾個方面考慮進行的。所以可以從吞吐量、丟包率、延遲、流量擁塞等方面研究適用于ZigBee協議QoS評價機制。

1）吞吐量：指一項服務從網絡入口到出口的平均經過時間。就是網絡的有效帶寬，定義為物理鏈路的比特率減去各種傳播技術帶來的額外開銷，即每秒鐘傳輸的用戶數據的字節數，它是在某個時間間隔內測試得到的，每個傳輸方向由各自的吞吐量分別衡量。

2）丟包率：用于測量丟失或錯亂信息分組數占整個發送信息分組數的百分比。

3）延遲：指一項服務從網絡入口到出口的平均經過時間，包括傳輸延遲和交換延遲。傳輸時延遲是數據在兩個參考結點之間傳播所經歷的時間，與所使用的傳輸媒體和傳輸距離有關；交換延遲由固定部分和可變部分組成，固定部分叫固定交換延遲，可變部分叫排隊延遲，由網絡中的排隊隊列和服務方式決定。

4）延遲抖動：同一條數據流中信息分組的傳輸延遲的差異。抖動主要是由于業務流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務質量影響最大的一個問題

5）擁塞：當網絡在傳輸過程中存在過多的數據包時，網絡的性能就會下降，這種現象稱為擁塞。

我們可以結合在無線傳感器網絡中QoS度量，來選用以下幾個參數作為評價機制的考量：

1）帶寬及帶寬分配率。針對不同業務的需要，使用不同的QoS策略分配。

2）網絡延遲。通常等于分級處理延遲、排隊延遲、傳輸延遲、處理延遲，延遲其有很大的不確定性，隨著網絡的各個傳感器節點的不同，網絡部署環境的不同而改變。

3）網絡有效性。整個網絡采取何種路由算法，才能使整個網絡生命周期最大化。

4）分組丟失率。在一定時間間隔內，等于丟失的分組與傳輸的分組數的比值。在無線傳感器網絡中，某些特殊業務要求極低的分組丟失率。

5）延遲抖動。分組的第1位數據離開傳感器節點與分組的最后一位到達匯聚節點的時間間隔的變化。

6）誤碼率。無線通信自身易造成較大的誤碼率。除此之外。在無線傳感器網絡中，誤碼率還與通信鏈路相鄰節點之間的距離和節點的有效緩沖大小密切相關。

5 結束語

目前無線傳感器網絡的服務質量的評價機制，仍在研究階段。本文結合無線傳感器網絡及ZigBee協議的組成、通信特點，比對傳統網絡的QoS評價機制，分析研究適用于基于ZigBee協議的無線傳感器網絡的QoS的評價機制。具體的算法仍在試驗中，希望本文能為無線傳感器網絡的QoS評價機制研究提供幫助。

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