一种支持QoS保障的智能传感网网络架构与模型设计

衢州职业技术学院　张丽娜广州城市职业学院　王越超



一种支持QoS保障的智能传感网网络架构与模型设计

衢州职业技术学院张丽娜
广州城市职业学院王越超

【摘要】本文研究了支持QoS保障的智能传感网的关键技术，针对传统传感器网络在智能节点数据处理和多媒体场景应用等方面无法提供面向多种服务的QoS保障问题，提出一种支持QoS的智能传感网网络架构与模型设计，该协议栈模型以提供多种服务的QoS保障为核心，给智能传感网上层应用提供灵活、可靠的多QoS要求的服务。同时本文具体讨论了支持QoS保障的传输层拥塞控制模型。

【关键词】智能传感网；QoS保障；网络架构设计；拥塞控制模型

0　引言

智能传感网通过各类集成化微型传感器协作进行实时监测，感知和采集各种环境或监测对象信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“物物都可计算”理念。

目前传统的传感器网络在网络带宽、信息融合能力、网络拥塞处理机制和QoS保障等方面，仍然存在着众多亟需解决的问题，因此传统的传感器网络主要应用在高冗余的、地理范围广阔、节点处理能力较低的应用上。

研究支持Qos保障的网络架构与模型设计，对解决应用中最突出的服务问题意义重大：

（1）能够延长网络工作寿命；

（2）平衡众多服务的QoS需求；

（3）解决竞争带宽资源时出现的网络拥塞；

（4）满足高优先级服务对网络资源的请求。

1　国内外研究现状

Rajendran等人在文献[1]中采用集中式的单层网络体系结构。Tavli B等人在文献[2]中设计了一个多层协作的视频智能传感网体系结构。网络自底向上分为3个层次，同层间节点同构（软/硬件结构及组成)；而出于系统监测能力多样化考虑，异层间节点处理能力存在较大的差异。而且，节点能力（感知、存储、处理等）自底向上逐层增强。文献[3]中从多媒体数据处理的角度，提出一种IrisNet智能传感网体系结构。

通信协议方面，根据支持QoS保障的智能传感网通信协议实现不同，网络体系结构分为单一通信协议结构和混合通信协议结构两种。由此，Ardizzone等人在文献[4]中提出了在支持QoS保障的智能传感网混合使用多种通信协议的方法。

2　支持QoS保障的智能传感网模型及系统体系结构

结合传统的区分服务模型和综合服务模型，采用交叉层取代传统分层的设计方法。最大限度地减少层间冗余信息，并保证协议栈中重要信息的共享，提高系统的效率并提出适用于智能传感网的Qos框架模型。

考虑支持QoS保障的智能传感网的要求，我们提出一种5层协议栈，包括物理层、MAC层、中间层、网络层、传输层和应用层。

该协议栈的特点是：

（1）在网络层和MAC层之间增加QoS管理层，实现能量管理、网络资源管理、QoS指标实时计算、基于QoS优先级的队列模型算法以及基于网络延迟的队列模型。

（2）在MAC及路由协议上，根据业务需要、网络负载及动态切换协议，采取多种协议并存的方法，以提高网络的效率。例如，在重负载时，采用TDMA的MAC协议，提高网络的吞吐量，在轻负载并且数据的优先级较低时，采用CSMA的MAC协议，以降低协议本身的复杂度，提高网络效率。

（3）在拥塞发生时，根据网络资源模块的网络拥塞信息，利用基于网络延迟的拥塞模型，以不同的发送速率对网络节点进行动态优化。

3　智能传感网中基于优先级的拥塞控制模型

满足特定应用的多QoS约束是传感器网络的要求。传感器网络中，传输层负责传输速率控制和可靠数据传输的问题，尤其是拥塞问题。其目标是以最小的数据丢包率，获取最大的网络吞吐量。

本文设计了一种传输层拥塞控制模型，能够根据应用类型对传感数据进行优先级划分，同时支持数据的可靠性传输。

网络中间节点具有的缓存空间越大，能承载的分组越多，丢弃分组的情况就会越迟发生；但同时，较长的队列会产生较长的端到端延迟，协议也需要更长的时间来对拥塞状态作出反应。因此需要在缓存空间的设置上要取得延迟与可靠性之间的某种平衡。

本文采用的传输层控制模型分为2个部分：拥塞处理模块与可靠性处理模块。

（1）拥塞处理模块：进行拥塞检测、速率调整和拥塞通知。拥塞检测模块以定期的方式对网络进行巡视，通过监测网络流量的峰值和负载变化进行拥塞判断；速率调整模块是当发生拥塞后，利用缩小窗口等方式自动调整各节点的发送速率和接收速率，避免拥塞加剧；拥塞通知模块是根据拥塞检测的结果，将当前网络状态以通知的形式发给网络中的各节点，拥塞通知可以有效消除“假拥塞”信号，在逻辑处理中可以和拥塞检测进行“与运算”。

（2）可靠性处理模块：对网络中的数据包以加标签的形式进行优先级区分，并将分级结果在传输可靠性评价中进行按优先级的评价。优先级区分模块是对数据包进行分级处理的基础，多服务QoS的前提就是需要对多种服务按优先级区分，进而对高优先级的业务或数据进行预留资源、优先服务等模式；

可靠性处理模块是对网络传输可靠性进行评价，本文不展开可靠性评价的公式，只给出一些理论上的分析。可靠性评价是对网络在某时间范围内的可靠性的综合评价，具体包括：网络拥塞状态、各优先级服务的丢包率、网络负荷状态、网络有效带宽等。

4　结论

本文设计了一种支持QoS保障的网络协议栈。该协议栈模型以提供多种服务的QoS保障为核心，给智能传感网上层应用提供灵活、可靠的多QoS要求的服务。最后讨论了智能传感器网络中可靠数据传输的设计要求，并定义了一种支持QoS保障的智能传感器网络的拥塞模型。

参考文献

[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.

张丽娜（1982－），女，重庆人，硕士，讲师，研究方向：物联网技术，服务计算等。

作者简介：

项目：衢州职业技术学院科研项目（项目编号：QZYZ1401）“一种支持QoS保障和跨层优化的物联网协议栈设计”；衢州市2014年度指导性科技项目（项目编号：2014130）“基于农业物联网的农产品生产环境监测应用研究”；2013年广州市科技计划项目（项目编号：2013J410001）资助。