衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　張麗娜廣州城市職業(yè)學(xué)院　王越超

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一種支持QoS保障的智能傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與模型設(shè)計(jì)

衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院張麗娜
廣州城市職業(yè)學(xué)院王越超

【摘要】本文研究了支持QoS保障的智能傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和多媒體場(chǎng)景應(yīng)用等方面無(wú)法提供面向多種服務(wù)的QoS保障問(wèn)題，提出一種支持QoS的智能傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與模型設(shè)計(jì)，該協(xié)議棧模型以提供多種服務(wù)的QoS保障為核心，給智能傳感網(wǎng)上層應(yīng)用提供靈活、可靠的多QoS要求的服務(wù)。同時(shí)本文具體討論了支持QoS保障的傳輸層擁塞控制模型。

【關(guān)鍵詞】智能傳感網(wǎng)；QoS保障；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)；擁塞控制模型

0　引言

智能傳感網(wǎng)通過(guò)各類(lèi)集成化微型傳感器協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)終端，從而真正實(shí)現(xiàn)“物物都可計(jì)算”理念。

目前傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)帶寬、信息融合能力、網(wǎng)絡(luò)擁塞處理機(jī)制和QoS保障等方面，仍然存在著眾多亟需解決的問(wèn)題，因此傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在高冗余的、地理范圍廣闊、節(jié)點(diǎn)處理能力較低的應(yīng)用上。

研究支持Qos保障的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與模型設(shè)計(jì)，對(duì)解決應(yīng)用中最突出的服務(wù)問(wèn)題意義重大：

（1）能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作壽命；

（2）平衡眾多服務(wù)的QoS需求；

（3）解決競(jìng)爭(zhēng)帶寬資源時(shí)出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)擁塞；

（4）滿(mǎn)足高優(yōu)先級(jí)服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的請(qǐng)求。

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Rajendran等人在文獻(xiàn)[1]中采用集中式的單層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。Tavli B等人在文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)了一個(gè)多層協(xié)作的視頻智能傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)自底向上分為3個(gè)層次，同層間節(jié)點(diǎn)同構(gòu)（軟/硬件結(jié)構(gòu)及組成)；而出于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力多樣化考慮，異層間節(jié)點(diǎn)處理能力存在較大的差異。而且，節(jié)點(diǎn)能力（感知、存儲(chǔ)、處理等）自底向上逐層增強(qiáng)。文獻(xiàn)[3]中從多媒體數(shù)據(jù)處理的角度，提出一種IrisNet智能傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。

通信協(xié)議方面，根據(jù)支持QoS保障的智能傳感網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為單一通信協(xié)議結(jié)構(gòu)和混合通信協(xié)議結(jié)構(gòu)兩種。由此，Ardizzone等人在文獻(xiàn)[4]中提出了在支持QoS保障的智能傳感網(wǎng)混合使用多種通信協(xié)議的方法。

2　支持QoS保障的智能傳感網(wǎng)模型及系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

結(jié)合傳統(tǒng)的區(qū)分服務(wù)模型和綜合服務(wù)模型，采用交叉層取代傳統(tǒng)分層的設(shè)計(jì)方法。最大限度地減少層間冗余信息，并保證協(xié)議棧中重要信息的共享，提高系統(tǒng)的效率并提出適用于智能傳感網(wǎng)的Qos框架模型。

考慮支持QoS保障的智能傳感網(wǎng)的要求，我們提出一種5層協(xié)議棧，包括物理層、MAC層、中間層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

該協(xié)議棧的特點(diǎn)是：

（1）在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增加QoS管理層，實(shí)現(xiàn)能量管理、網(wǎng)絡(luò)資源管理、QoS指標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算、基于QoS優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列模型算法以及基于網(wǎng)絡(luò)延遲的隊(duì)列模型。

（2）在MAC及路由協(xié)議上，根據(jù)業(yè)務(wù)需要、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及動(dòng)態(tài)切換協(xié)議，采取多種協(xié)議并存的方法，以提高網(wǎng)絡(luò)的效率。例如，在重負(fù)載時(shí)，采用TDMA的MAC協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，在輕負(fù)載并且數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)較低時(shí)，采用CSMA的MAC協(xié)議，以降低協(xié)議本身的復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)效率。

（3）在擁塞發(fā)生時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源模塊的網(wǎng)絡(luò)擁塞信息，利用基于網(wǎng)絡(luò)延遲的擁塞模型，以不同的發(fā)送速率對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

3　智能傳感網(wǎng)中基于優(yōu)先級(jí)的擁塞控制模型

滿(mǎn)足特定應(yīng)用的多QoS約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸層負(fù)責(zé)傳輸速率控制和可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，尤其是擁塞問(wèn)題。其目標(biāo)是以最小的數(shù)據(jù)丟包率，獲取最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

本文設(shè)計(jì)了一種傳輸層擁塞控制模型，能夠根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)的可靠性傳輸。

網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)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(huì)越遲發(fā)生；但同時(shí)，較長(zhǎng)的隊(duì)列會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的端到端延遲，協(xié)議也需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)擁塞狀態(tài)作出反應(yīng)。因此需要在緩存空間的設(shè)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(gè)部分：擁塞處理模塊與可靠性處理模塊。

（1）擁塞處理模塊：進(jìn)行擁塞檢測(cè)、速率調(diào)整和擁塞通知。擁塞檢測(cè)模塊以定期的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行巡視，通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量的峰值和負(fù)載變化進(jìn)行擁塞判斷；速率調(diào)整模塊是當(dāng)發(fā)生擁塞后，利用縮小窗口等方式自動(dòng)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率和接收速率，避免擁塞加劇；擁塞通知模塊是根據(jù)擁塞檢測(cè)的結(jié)果，將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以通知的形式發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)，擁塞通知可以有效消除“假擁塞”信號(hào)，在邏輯處理中可以和擁塞檢測(cè)進(jìn)行“與運(yùn)算”。

（2）可靠性處理模塊：對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包以加標(biāo)簽的形式進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分，并將分級(jí)結(jié)果在傳輸可靠性評(píng)價(jià)中進(jìn)行按優(yōu)先級(jí)的評(píng)價(jià)。優(yōu)先級(jí)區(qū)分模塊是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分級(jí)處理的基礎(chǔ)，多服務(wù)QoS的前提就是需要對(duì)多種服務(wù)按優(yōu)先級(jí)區(qū)分，進(jìn)而對(duì)高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)留資源、優(yōu)先服務(wù)等模式；

可靠性處理模塊是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文不展開(kāi)可靠性評(píng)價(jià)的公式，只給出一些理論上的分析?？煽啃栽u(píng)價(jià)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)在某時(shí)間范圍內(nèi)的可靠性的綜合評(píng)價(jià)，具體包括：網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)、各優(yōu)先級(jí)服務(wù)的丟包率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)有效帶寬等。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種支持QoS保障的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。該協(xié)議棧模型以提供多種服務(wù)的QoS保障為核心，給智能傳感網(wǎng)上層應(yīng)用提供靈活、可靠的多QoS要求的服務(wù)。最后討論了智能傳感器網(wǎng)絡(luò)中可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)要求，并定義了一種支持QoS保障的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的擁塞模型。

參考文獻(xiàn)

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[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(lián)網(wǎng)技術(shù)，服務(wù)計(jì)算等。

作者簡(jiǎn)介：

項(xiàng)目：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：QZYZ1401）“一種支持QoS保障和跨層優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧設(shè)計(jì)”；衢州市2014年度指導(dǎo)性科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014130）“基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究”；2013年廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013J410001）資助。