一般WSN基础设施的服务质量要求和挑战

胡亮亮

摘要：无线传感器网络（WSN）在诸如生物测量，环境，光学，物理和天然气的生命的几个方面显示出重要的作用。使用WSN实现其目标的每个应用都设置了WSN必须根据其有限的资源提供的信任和可靠性要求。用于设计可靠和可靠的WSN的新范例是利用可重用的通信协议来构建通用的灵活通信基础设施。在本文中，我们强调了几个WSN应用程序确定的主要QoS要求和網络支持。这些QoS要求因应用类型和规格而异。为此，我们考虑一种创新而有效的通用WSN基础设施，以根据应用参数确保QoS要求，并保持信任和可靠性。此外，我们还会审查面向一般WNS基础架构实施QoS要求的最严峻挑战。

关键词：无线传感器网络；服务质量；通用WSN；通用WSN基础设施

中图分类号：TP3 文献标志码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0029-04

1简介

无线传感器网络（WSN）在人类，计算机和环境之间的三方互动中占据了研究和现实生活中的特殊地位。除了需要服务于各种日常应用的轻量级设备。基本上，根据应用性质，将WSN的节点部署到特定域，然后用于不断地或根据特定动作或要求进一步处理来收集数据。无线传感器网络被用于医疗保健，工业，安全，自然科学等领域。如普通网络，WSN遵循具体的架构模型，最常见的是OSI模型。WSN在OSI模型的五层中运行：应用，传输，网络，数据链路和物理层。

用于通用WSN基础设施的传感器需要包括感官，计算和无线通信的能力，以从部署环境中获取数据，处理数据和管理所有计算和通信活动。

特定的WSN基础设施和通用WSN基础设施都必须根据应用程序的环境和类型显示特定级别的QoS，以提供可靠和可信的网络服务。然而，最基本的是，为特定的WSN基础架构实施QoS与通用WSN基础设施的实现不同。在通用WSN基础设施中研究QoS要求和支持背后的主要目标是为受益者应用和技术确保高质量的网络服务。基本上，根据应用或技术部署WSN取决于域种类和网络拓扑结构，QoS要求是不同的。因此，特定WSN和传统网络的QoS解决方案将与通用WSN QoS解决方案不同。与QoS要求相关的研究相当多，因为传感器和周围环境本身的一些限制。

在本文中，我们研究了通用WSN基础设施的QoS要求，并强调了提高传感器网络现有通信协议可重用性和模块性的主要挑战和局限性。在下一节中，我们提供有关通用WSN基础架构和可重用协议的描述。接下来，我们强调通用WSN基础设施QoS参数并研究其要求。在第四部分中，我们讨论构建通用WSN基础设施的主要挑战，其次是有关通用WSN基础设施和相关QoS要求的相关文献研究。

2一般WSN基础设施

感兴趣的领域通常用传感器随机植入，形成称为网络拓扑的任意网络图。基本上，有几种通信算法来管理传感器之间的通信。因此，总是提出与每个通信算法相关的协议。

大多数WSN是特定目的/特定应用的WSN，需要为每个网络层生成特定的协议。这些应用程序中的每一个具有特定的特征，并且需要具体的假定，这些假设决定了开发和部署的协议。跨应用的品种导致重新部署和重复使用协议的困难，并减少了在同一类型应用中工作的研究人员之间的合作可能性。在本节中，我们考虑到通用的WSN基础架构，以及可重用的协议对于通用基础架构的构建至关重要。

增加WSN协议可重用性有两个主要步骤：有效地抽象应用语义，并将应用语义与通信协议进行分离。构建可重构拓扑是一个具有挑战性的WSN，主要是具有广泛级别的稀缺资源的特定用途网络。

根据可重构基础架构的几个特点，如通用，灵活，可维护，完整，知识渊博和自我组织。通用可重新配置的基础设施意味着基础架构可以有效高效地支持多个上层协议灵活性表明WSN基础设施可以有效地支持多种通信配置。可维护性表明可能的故障不会导致破坏基础设施或终止上层操作。对于可重构的基础设施来说，完整的手段是完成所有逻辑关系而不影响物理关系。可知的意思是，有关拓扑的信息必须使用基础架构逻辑单元在网络上发布，以便于网络可访问性。自组织允许网络中的随机节点探索周围环境并与邻居节点协作形成所需的拓扑。

在我们的审查中，我们考虑由静态节点和一些移动节点组成的WSN。在这样的WSN中，移动节点是少数几个，通常它们是用于收集和管理数据并帮助节点进行自组织的执行器或汇点。这种网络称为无线传感器和执行器网络WSAN。

为了获得通用的WSN基础设施，协议可重用性至关重要，即使文献勉强解决了这一领域。由于大多数当前的协议都考虑了来自不同网络层的功能，所以网络协议是跨层协议。协议可重用性意味着增加协议代码重用和运行时，以加快协议建模和开发。网络协议可重用性的主要挑战是功能分解与复杂性之间的关系。

在物理链路层次上构建通用WSN基础设施有两种主要方式。第一个是建立一个内联专用基础设施。为了模拟这种技术，使用聚类和基于树的方法，因为它们支持具有自组织能力的节点，以便发明非结构化覆盖。驱动机制对于这种基础设施是最合适的。第二种方式是构建一个与几个上层应用程序中要使用的特定上层协议无关的基础设施。

3通用WSN基础设施中的服务质量

通用WSN基础架构中的服务质量分为两类：第一类是QoS要求，这是应用程序特定的QoS要求。第二个是QoS支持，这是通用WSN为受益者应用和技术提供的QoS必需品。简单QoS模型如图1所示。

3.1 QoS要求

通用WSN中的QoS要求是与应用领域直接相关的特定QoS参数的特定应用/技术规范。通用WSN基础设施的主要QoS参数如下所示：

·数据精度：表示感测数据的正确度。它是通用WSN中的关键QoS参数，因为必须激活所需的传感器。通常，传感器简单，设计用于恶劣环境中的传播，以便在关键应用（如医疗保健）中进行连续监测。

·数据聚合延迟：表示数据与其他数据聚合的最短时间。对于每个WSN来说，这是一个重要的多对一功能，它是数据采集，处理和聚合的完整系统传感器的一部分。基本上，WSN效率最高的延迟越少。

·容错：表示即使某些节点或组件关闭，WSN也能正常工作。这需要充分了解预期的故障，资源，成本和影响。一般来说，没有无故障的WSN系统，因此故障恢复计划必须始终准备就绪。容错的关键解决方案是冗余，这是通过为同一个组件具有多个副本而实现的。

·覆盖：表示通用无线传感器网络的覆盖范围如何覆盖特定数量的目标。换句话说，激活的传感器在物理上如何构成整个域。这意味着在物理域的每个位置必须至少有一个传感器。

·动态WSN大小：表示通用WSN基础设施对特定应用程序的大小和拓扑要求的适应性。这包括根据应用需要调整部署节点的数量。此外，这种适应性对于处理硬件和链路的故障是重要的。

·多媒体流支持：确保网络上实时的音视频服务传输。

3.2网络QoS支持

在这里，我们专注于如何确保QoS要求，同时最佳地利用可用资源将感测数据从节点传输到移动接收器。此外，节点感知大量冗余数据，因此必须从网络侧向受益方应用/技术方提供特殊的QoS支持。下面我们介绍主要的网络QoS支持参数。

·速度：即所谓的及时性，这是为了保证软和实际的分组交付时间并严格遵守。这取决于静态传感器和移动接收器之间的地理空间。适应速度必须根据网络流量和拥塞程度进行优化。

·能源意识：这表明网络在何种程度上可以保证节能途径同时满足及时性要求。

·可靠性：表示分组传输和转发必须遵循特定的可靠性和准确性标准。这涉及考虑为特定数据包设置的可靠性级别。

·网络生命周期：表示可以利用WSN的有限资源来延长其使用寿命。基本上，每个传感器具有一个感测范围，如果满足环境和事件的感测和覆盖要求，则可以将其设置为最小。

4实现通用WSN基础设施QoS要求的挑战

WSN具有特定的特征，如工作流程，感知过程及其与部署环境的关系。这些特性使构建通用WSN基础架构变得具有挑战性。接下来我们将解释这方面最重要的技术和挑战。

冗余数据消除：在传感器可以在相同区域密集部署的大型WSN中，产生冗余数据。这肯定会浪费更多的资源，尽管冗余数据增加了网络的可靠性，但这些资源已经受到限制。冗余数据消除过滤从冗余数据中的关键数据，并在采取最短路径的同时将其以节能方式发送到接收器。

资源限制：资源技术和系统资源有两种。技术资源，如电池，存储大小（RAM和缓冲区）的功耗以及计算能力。系统资源，如代码，流程和事件。电力被认为是最重要的限制因素，因为传感和处理必须在有限的时间内完成。资源管理系统主要依赖于过程迁移，通过在节点之间分配任务。

不平衡数据流量：在WSN中，数据流量通常在整个网络上不平衡，并且取决于静态节点和移动接收器之间的距离，因为靠近信宿的节点的流量越来越高。流量不平衡会影响网络中的能源消耗，影响网络的使用寿命。

传感器异质性：为了处理数据异质性，各种传感器可能部署到同一个域。数据和传感器类型的这种异质性需要对通用WSN基础设施施加附加QoS约束的处理和传送模型的多样性。

周期性和非周期性数据的混合：在WSN中，根据具体间隔周期性地发生数据传感。用于感测周期性数据的偶数间隔也是未知的。这使得构建考虑每个应用程序的QoS的通用WSN基础架构更具挑战性。

根据从医疗应用24到军事应用可能有所不同的应用要求，网络可以有多个接收器。通用WSN基础设施必须支持具有多个接收器的网络，并且可以处理由许多接收节点所施加的QoS要求。

带宽和可扩展性是网络上面临的问题，特别是在网络上传送音频和视频消息时。此外，保护转移的数据被认为是另一个挑战。

5上述相关尝试

我们回顾了有关通用WSN基础设施思想的相关文献，并提出了构建这些基础设施的具体建议。此外，我们调查了有关QoS要求和通用WSN参数的工作，并讨论了实现它们所面临的主要挑战。

我们的工作提供了一个通用的有效基础设施，支持多个上层应用程序，具有更高的可靠性和很好的处理可能的故障的能力。在这项研究中，我们调查网络的所有当前链接，并将它们设置为共同中心的圆形层，每个层分配有一个或多个探针节点。关于这个基础设施的两个主要原则；第一个是它维护节点邻近，第二个是协议操作来构建基础设施，所有这些都是本地的，并且仅依赖于一跳邻居信息。在我们提出一种为通用WSN基础设施设计的协议，我们称之为Rings hffrastructure Protocol RIP。这里我们考虑移动和静态节点的WSN。移动性对我们提出的协议非常重要，因为它在数据收集，管理和网络组织中起着重要作用。这个协议的主要思想是让移动节点调查网络中的物理共中心环，并将它们排列成相关的逻辑叠加层。然后移动节点将自身附着在环上。

在此，作者研究了通用覆盖的结构来支持他们提出的虚拟基础设施。他们只考虑静态节点的基础架构。他们工作的主要思想是在网络中心设置一个特殊的汇聚节点，假设这个特殊的汇点（他们称之为培训代理TA）可以处理多层次的传输范围。在该协议中，通过利用宿节点的节点移动性并使用多个特殊接收器来增强该协议。提出了一种类似的协议，其中考虑用设置在节点环中心的基站来构造基于环的覆盖。感测的数据从外部传输到内部，直到它们到达基站。建议使用有效的通用WSN基础设施。它考虑了WSN的物理链路，增加了上层协议的可重用性。

节点自组织是用于构建通用WSN基础设施的非结构化覆盖的重要步骤。如同，节点自组织可以通过使用聚类和基于树的技术来实现。

文献中的几项研究提出了对WSN的QoS要求和支持，并讨论了可能的挑战。

作者分析了主要WSN应用程序的几个QoS实现。文献17和文献26的作者认为，确保WSN QoS的传统网络QoS性能的相同水平是可能的，因为WSN的有限资源之间的权衡是可能的。调查了不同WSN应用程序排序的几个QoS要求，并列出了面向同一應用程序实施QoS要求的主要挑战。文献18的作者侧重于仅在MAC和网络层确保QoS要求，并讨论了用于此目的的主要协议。此外，他们考虑到森林监测应用，讨论选择适当QoS的过程。

6结论

本文是我们研究项目的一部分，旨在开发名为CoreSense的通用WSN基础设施。该项目调查了一个通用解决方案，以考虑到几个WSN应用程序的QoS要求。在本文中，我们提供了对QoS要求和网络支持的研究，以便在一般的WSN基础设施中考虑服务于多个应用程序。此外，我们强调了面向具有广义性的WNS基础架构实施QoS要求的最严峻挑战。