一種支持QoS保障的智能傳感網網絡架構與模型設計

衢州職業技術學院　張麗娜廣州城市職業學院　王越超

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一種支持QoS保障的智能傳感網網絡架構與模型設計

衢州職業技術學院張麗娜
廣州城市職業學院王越超

【摘要】本文研究了支持QoS保障的智能傳感網的關鍵技術，針對傳統傳感器網絡在智能節點數據處理和多媒體場景應用等方面無法提供面向多種服務的QoS保障問題，提出一種支持QoS的智能傳感網網絡架構與模型設計，該協議棧模型以提供多種服務的QoS保障為核心，給智能傳感網上層應用提供靈活、可靠的多QoS要求的服務。同時本文具體討論了支持QoS保障的傳輸層擁塞控制模型。

【關鍵詞】智能傳感網；QoS保障；網絡架構設計；擁塞控制模型

0　引言

智能傳感網通過各類集成化微型傳感器協作進行實時監測，感知和采集各種環境或監測對象信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實現“物物都可計算”理念。

目前傳統的傳感器網絡在網絡帶寬、信息融合能力、網絡擁塞處理機制和QoS保障等方面，仍然存在著眾多亟需解決的問題，因此傳統的傳感器網絡主要應用在高冗余的、地理范圍廣闊、節點處理能力較低的應用上。

研究支持Qos保障的網絡架構與模型設計，對解決應用中最突出的服務問題意義重大：

（1）能夠延長網絡工作壽命；

（2）平衡眾多服務的QoS需求；

（3）解決競爭帶寬資源時出現的網絡擁塞；

（4）滿足高優先級服務對網絡資源的請求。

1　國內外研究現狀

Rajendran等人在文獻[1]中采用集中式的單層網絡體系結構。Tavli B等人在文獻[2]中設計了一個多層協作的視頻智能傳感網體系結構。網絡自底向上分為3個層次，同層間節點同構（軟/硬件結構及組成)；而出于系統監測能力多樣化考慮，異層間節點處理能力存在較大的差異。而且，節點能力（感知、存儲、處理等）自底向上逐層增強。文獻[3]中從多媒體數據處理的角度，提出一種IrisNet智能傳感網體系結構。

通信協議方面，根據支持QoS保障的智能傳感網通信協議實現不同，網絡體系結構分為單一通信協議結構和混合通信協議結構兩種。由此，Ardizzone等人在文獻[4]中提出了在支持QoS保障的智能傳感網混合使用多種通信協議的方法。

2　支持QoS保障的智能傳感網模型及系統體系結構

結合傳統的區分服務模型和綜合服務模型，采用交叉層取代傳統分層的設計方法。最大限度地減少層間冗余信息，并保證協議棧中重要信息的共享，提高系統的效率并提出適用于智能傳感網的Qos框架模型。

考慮支持QoS保障的智能傳感網的要求，我們提出一種5層協議棧，包括物理層、MAC層、中間層、網絡層、傳輸層和應用層。

該協議棧的特點是：

（1）在網絡層和MAC層之間增加QoS管理層，實現能量管理、網絡資源管理、QoS指標實時計算、基于QoS優先級的隊列模型算法以及基于網絡延遲的隊列模型。

（2）在MAC及路由協議上，根據業務需要、網絡負載及動態切換協議，采取多種協議并存的方法，以提高網絡的效率。例如，在重負載時，采用TDMA的MAC協議，提高網絡的吞吐量，在輕負載并且數據的優先級較低時，采用CSMA的MAC協議，以降低協議本身的復雜度，提高網絡效率。

（3）在擁塞發生時，根據網絡資源模塊的網絡擁塞信息，利用基于網絡延遲的擁塞模型，以不同的發送速率對網絡節點進行動態優化。

3　智能傳感網中基于優先級的擁塞控制模型

滿足特定應用的多QoS約束是傳感器網絡的要求。傳感器網絡中，傳輸層負責傳輸速率控制和可靠數據傳輸的問題，尤其是擁塞問題。其目標是以最小的數據丟包率，獲取最大的網絡吞吐量。

本文設計了一種傳輸層擁塞控制模型，能夠根據應用類型對傳感數據進行優先級劃分，同時支持數據的可靠性傳輸。

網絡中間節點具有的緩存空間越大，能承載的分組越多，丟棄分組的情況就會越遲發生；但同時，較長的隊列會產生較長的端到端延遲，協議也需要更長的時間來對擁塞狀態作出反應。因此需要在緩存空間的設置上要取得延遲與可靠性之間的某種平衡。

本文采用的傳輸層控制模型分為2個部分：擁塞處理模塊與可靠性處理模塊。

（1）擁塞處理模塊：進行擁塞檢測、速率調整和擁塞通知。擁塞檢測模塊以定期的方式對網絡進行巡視，通過監測網絡流量的峰值和負載變化進行擁塞判斷；速率調整模塊是當發生擁塞后，利用縮小窗口等方式自動調整各節點的發送速率和接收速率，避免擁塞加劇；擁塞通知模塊是根據擁塞檢測的結果，將當前網絡狀態以通知的形式發給網絡中的各節點，擁塞通知可以有效消除“假擁塞”信號，在邏輯處理中可以和擁塞檢測進行“與運算”。

（2）可靠性處理模塊：對網絡中的數據包以加標簽的形式進行優先級區分，并將分級結果在傳輸可靠性評價中進行按優先級的評價。優先級區分模塊是對數據包進行分級處理的基礎，多服務QoS的前提就是需要對多種服務按優先級區分，進而對高優先級的業務或數據進行預留資源、優先服務等模式；

可靠性處理模塊是對網絡傳輸可靠性進行評價，本文不展開可靠性評價的公式，只給出一些理論上的分析。可靠性評價是對網絡在某時間范圍內的可靠性的綜合評價，具體包括：網絡擁塞狀態、各優先級服務的丟包率、網絡負荷狀態、網絡有效帶寬等。

4　結論

本文設計了一種支持QoS保障的網絡協議棧。該協議棧模型以提供多種服務的QoS保障為核心，給智能傳感網上層應用提供靈活、可靠的多QoS要求的服務。最后討論了智能傳感器網絡中可靠數據傳輸的設計要求，并定義了一種支持QoS保障的智能傳感器網絡的擁塞模型。

參考文獻

[1]Rajendran,Obracazka K,Garcia-Luna-Aceves J.Energy-efficient,collision-free medium access control for wireless sensor networks[A].Proc 1st Int’l Annual Joint Conf on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys)[C].Los Angeles,CA,2009.181-192.

[2]Tavli B,Heinzelman W B.MH-TRACE:multi hop time reservation using adaptive control for energy efficiency[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commun ications,2010,22(5):942-953.

[3]Ahn GS,Miluzzo E.Funneling-MAC:A localized,sinkoriented MAC for boosting fidelity in sensor networks.In: Proc.of the 4th ACM Conf.on Embedded Networked Sensor Systems(Sensys 2009).Boulder:ACM Press,2009: 293-306.

[4]SOHRABI K,GAO J,AILAWADHI V,et al.Protocols for self-organization of a wireless sensor network[J].IEEE Personal Communications,2010,7(5):16-27.

張麗娜（1982－），女，重慶人，碩士，講師，研究方向：物聯網技術，服務計算等。

作者簡介：

項目：衢州職業技術學院科研項目（項目編號：QZYZ1401）“一種支持QoS保障和跨層優化的物聯網協議棧設計”；衢州市2014年度指導性科技項目（項目編號：2014130）“基于農業物聯網的農產品生產環境監測應用研究”；2013年廣州市科技計劃項目（項目編號：2013J410001）資助。