無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)

摘要　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，本文在網(wǎng)絡(luò)層面上分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的特點(diǎn)，說明其與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，并提出其所面臨的挑戰(zhàn)；詳細(xì)介紹了能源管理、覆蓋控制、數(shù)據(jù)融合以及擁塞控制等方面的若干關(guān)鍵技術(shù)。

1、引言

無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)起源于20世紀(jì)70年代美國軍方的分組無線網(wǎng)。隨后，IEEE在建立802.11標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將分組無線網(wǎng)改稱為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，意為“為特定目的情況或場合而設(shè)計(jì)配置的，具備自組織能力的網(wǎng)絡(luò)”。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是否可移動(dòng)，無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)又可分為移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MANET（Mobile Ad hoc Network）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs（Wireless Sensor Networks）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。該網(wǎng)絡(luò)可以通過飛機(jī)撒播、人工布置等方式，將大量傳感器節(jié)點(diǎn)部署在感知對象的內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式迅速組建通訊網(wǎng)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，從而實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間對任意地點(diǎn)的信息進(jìn)行采集、處理和分析，并以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回Sink節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中Sink節(jié)點(diǎn)又將匯聚的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行集中處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、空間探索、工業(yè)安全、交通管理以及商業(yè)等方面。

現(xiàn)今，人們對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要涉及路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步、自適應(yīng)、能量優(yōu)化等問題。由于其自身網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用需求上的特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS機(jī)制面臨很多新的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的QoS機(jī)制很難直接移植到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。本文首先在網(wǎng)絡(luò)層面上分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，指出其所面臨的挑戰(zhàn)，然后著重介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障的幾種關(guān)鍵技術(shù)，說明現(xiàn)有的一些研究成果，最后對全文總結(jié)以及對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行了展望。

2、WSNs QoS的特點(diǎn)

2.1　WSNs中的網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)

通常，服務(wù)質(zhì)量具有兩方面的含義：一，從應(yīng)用的角度看，QoS代表用戶對于網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)的滿意程度；二，從網(wǎng)絡(luò)的角度來看，QoS代表網(wǎng)絡(luò)向用戶所提供的業(yè)務(wù)參數(shù)指標(biāo)。為了方便分析，人們將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量分為兩個(gè)層面，分別是針對用戶的應(yīng)用層面和針對服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層面。這里著重從網(wǎng)絡(luò)層面介紹WSNs QoS的特點(diǎn)。

從網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來看，我們所關(guān)心的不是實(shí)際執(zhí)行的應(yīng)用程序，而是在有效利用網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，下層通信網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)送數(shù)據(jù)給Sink以及該過程相關(guān)的需求�？梢愿鶕�(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送模型對WSNs的應(yīng)用進(jìn)行分類，每個(gè)類別中的多數(shù)應(yīng)用程序?qū)�QoS都有共同的需求。通常來看，可以分成三種基本數(shù)據(jù)發(fā)送模型，分別是事務(wù)驅(qū)動(dòng)模型、查詢驅(qū)動(dòng)模型以及連續(xù)傳輸模型。

（1）事件驅(qū)動(dòng)模型

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到某一事件發(fā)生時(shí)，目標(biāo)附近的傳感器節(jié)點(diǎn)將立即處于激活狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給Sink以便通告最終用戶。例如，針對某幢大樓化學(xué)元素釋放的緊急事件進(jìn)行感知和反應(yīng)。

事件驅(qū)動(dòng)模型的QoS需求有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

●應(yīng)用程序本身并不是端到端的。具體地說，應(yīng)用程序的一端是Sink，但另一端并不是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，而是受事件影響的一個(gè)區(qū)域內(nèi)的若干傳感器節(jié)點(diǎn)。

●來自這些傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)很可能具有高度關(guān)聯(lián)性，因此包含大量的需要整理提取的冗余信息。

●雖然由單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)流量強(qiáng)度可能非常低，但是事件突發(fā)時(shí)，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生突發(fā)的大流量，網(wǎng)絡(luò)要保障流量的可達(dá)性。

●一旦偵查到事件，應(yīng)用程序必須盡快且盡可靠地做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，因此其對實(shí)時(shí)性要求較高。

●該模型的應(yīng)用必須是可交互的；此外，事件驅(qū)動(dòng)模型通常具有關(guān)鍵性，要求重要信息具有較高的可靠性。

（2）查詢驅(qū)動(dòng)模型

首先由應(yīng)用程序或者終端用戶發(fā)出感興趣的查詢消息，之后傳感器節(jié)點(diǎn)將符合查詢條件的數(shù)據(jù)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)。查詢驅(qū)動(dòng)模型與事件驅(qū)動(dòng)模型的區(qū)別在于：前者是通過Sink來請求數(shù)據(jù)，而后者是傳感器節(jié)點(diǎn)主動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink。這里所提到的“查詢”也可能包含針對傳感器節(jié)點(diǎn)的配置和管理信息。例如，如果Sink想升級傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件，重新配置發(fā)送速率，或者改變傳感器的任務(wù)，則Sink可以發(fā)送一個(gè)指令來執(zhí)行這些任務(wù)。

查詢驅(qū)動(dòng)模型的QoS需求類似于事件驅(qū)動(dòng)模型，其同樣是非端到端的程序，具有高度數(shù)據(jù)冗余，易產(chǎn)生突發(fā)的大流量，必須是可交互的，且具有關(guān)鍵性。查詢驅(qū)動(dòng)模型對于時(shí)延的容忍性根據(jù)具體的應(yīng)用而有所不同。此外，由于Sink發(fā)出的指令是單方向的流量，因此要求較高的可靠性。

（3）連續(xù)傳輸模型

在連續(xù)傳輸模型中，傳感器不斷采集數(shù)據(jù)，并以預(yù)先設(shè)定好的速率向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)。該模型的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種。實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)包括話音、圖像和視頻等；而非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)可能是Sink在一定區(qū)域內(nèi)周期性收集的數(shù)據(jù)。

對于QoS需求，連續(xù)傳輸模型是非端到端的程序，具有關(guān)鍵性，其應(yīng)用可以是非交互性的。此外，不同的數(shù)據(jù)類型也有不同的QoS需求：實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)受限于時(shí)延，且有確定的帶寬需求；而非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)可以容許一定的時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失。

（4）混合模型

在很多應(yīng)用中，以上描述的模型可能共存于網(wǎng)絡(luò)中，因此需要一個(gè)機(jī)制來調(diào)整具有不同QoS需求的流量。

表1是以上三種基本數(shù)據(jù)發(fā)送模型的性能需求。

表1　不同數(shù)據(jù)發(fā)送模型的性能需求

2.2　與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中QoS的區(qū)別

由以上的分析可以看到，在QoS需求方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有以下不同點(diǎn)：

（1）WSNs中大部分是非端到端的程序。

（2）帶寬不是單個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)心的主要問題，由于傳感數(shù)據(jù)流量的突發(fā)特性，帶寬可能是某個(gè)時(shí)間段內(nèi)一組傳感器節(jié)點(diǎn)的共同關(guān)注點(diǎn)。

（3）由于始終存在很多數(shù)據(jù)冗余，所以可以在一定程度上容忍單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的丟失。

由此可見，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)不足以度量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS描述需求，需要定義一些新的QoS參數(shù)，我們統(tǒng)稱為聚合的（Collective）QoS參數(shù)，分別是：

●聚合反應(yīng)時(shí)延。源傳感器發(fā)出的與事件相關(guān)的第一個(gè)數(shù)據(jù)包，和最后一個(gè)到達(dá)Sink的數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間差。

●聚合丟包率。在信息傳送階段，與事件相關(guān)的數(shù)據(jù)包丟失的數(shù)量。

●聚合帶寬。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)所需的總帶寬。

●信息吞吐量。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink之間傳輸數(shù)據(jù)的總吞吐量。

2.3　WSNs QoS面臨的挑戰(zhàn)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須與環(huán)境相結(jié)合，所以其特征與其他傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)有很多不同。因此，除了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的多數(shù)QoS問題外，WSNs還有以下獨(dú)有的問題：

（1）嚴(yán)重的資源受限。受限的資源包括能量、帶寬、內(nèi)存、緩沖區(qū)大小、處理能力以及傳輸能力。其中，能量是主要的關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)樗�在傳感器�?jié)點(diǎn)上是最受限制的，且在遙遠(yuǎn)或者不易到達(dá)的區(qū)域里為傳感器節(jié)點(diǎn)更換電池或者給電池充電是不可行的。因此，WSNs中任何的QoS機(jī)制都必須盡量的簡單，且要避免使用計(jì)算復(fù)雜的算法和開銷巨大的信令協(xié)議。

（2）能量平衡。為了實(shí)現(xiàn)具有長生命力的網(wǎng)絡(luò)，必須在所有傳感器中均勻分布能量載荷，這樣可以避免某個(gè)或者某個(gè)集合傳感器節(jié)點(diǎn)的能量很快地消耗掉。QoS應(yīng)該將這個(gè)因素考慮在內(nèi)。

（3）數(shù)據(jù)冗余。WSNs的傳感器數(shù)據(jù)具有高冗余性。為了減少數(shù)據(jù)的冗余性，可以運(yùn)用數(shù)據(jù)融合或數(shù)據(jù)聚集來維持魯棒性，但是這個(gè)機(jī)制也引入了反應(yīng)延時(shí)，并使WSNs的QoS設(shè)計(jì)變得復(fù)雜化。

（4）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)（Network Dynamics）。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可能來自于節(jié)點(diǎn)故障，無線鏈路故障，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變等。這樣高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)大大增加了QoS的復(fù)雜性。

（5）可擴(kuò)展性。通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)密集分布的成百上千的傳感器節(jié)點(diǎn)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)或網(wǎng)絡(luò)密集度的增加，WSNs的QoS不能快速地下降，因此應(yīng)該具有較好的可擴(kuò)展性。

（6）流量的不對稱性。在WSNs中的大多應(yīng)用中，流量主要從大量的傳感器節(jié)點(diǎn)流到少數(shù)的Sink節(jié)點(diǎn)上。因此在設(shè)計(jì)QoS機(jī)制時(shí)要充分考慮流量的不對稱性問題。

（7）多個(gè)Sinks。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能存在多個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，它們對網(wǎng)絡(luò)提出不同的需求。例如，一個(gè)Sink可能請求位于傳感域東北部的傳感器節(jié)點(diǎn)每分鐘發(fā)送溫度報(bào)告，而另一個(gè)Sink可能只關(guān)心西南部異常高溫的事件。WSNs應(yīng)該能夠針對不同的Sinks支持不同的QoS等級。

（8）多種業(yè)務(wù)類型。不同類型傳感器的結(jié)合將為QoS帶來挑戰(zhàn)。例如，一些應(yīng)用程序可能需要不同類型的傳感器混合在一起來監(jiān)測溫度、壓力以及濕度，因此需要為這些傳感器上設(shè)置不同的閱讀速率。這種異構(gòu)環(huán)境使QoS更具挑戰(zhàn)性。

（9）數(shù)據(jù)包的緊迫性（Packet Criticality）。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有不同的緊迫性，而應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)包也可能具有不同的優(yōu)先級，因此QoS機(jī)制可能需要設(shè)置不同的數(shù)據(jù)包緊迫性以及優(yōu)先級結(jié)構(gòu)。

3、WSNs QoS的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)質(zhì)量保障上存在的問題，人們已在多個(gè)方向上進(jìn)行著深入研究。我們將從能源管理、覆蓋機(jī)制、數(shù)據(jù)融合、擁塞控制四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3.1　能源管理

如上文所提，能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)最受限的資源，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該關(guān)注如何高效利用有限的資源。能源管理不僅能夠節(jié)省最受限制的資源，而且有助于實(shí)現(xiàn)WSNs能量的平衡。傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源管理可從低功耗設(shè)計(jì)、節(jié)能軟件設(shè)計(jì)、無線通信、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、能量收集等幾個(gè)方面入手。

（1）在低功耗設(shè)計(jì)上，可以結(jié)合硬件和軟件技術(shù)節(jié)約電能并簡化電源設(shè)計(jì)。例如，選擇低功耗的微控制單元（MCU），選用較低的輸出電壓，盡量使用中斷，減少收發(fā)模塊的啟動(dòng)時(shí)間等。

（2）在節(jié)能軟件設(shè)計(jì)上，可對操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口進(jìn)行優(yōu)化。其中，動(dòng)態(tài)電源控制和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整能使操作系統(tǒng)在性能和能耗控制之間進(jìn)行折衷；設(shè)計(jì)良好的應(yīng)用程序接口API應(yīng)該清晰地注釋出能量、質(zhì)量、時(shí)延和操作點(diǎn)等，以便用戶建立節(jié)能的系統(tǒng)。

（3）在無線通信方面，有三種方式來降低能耗。隨著傳輸數(shù)據(jù)的減少而降低調(diào)制等級，降低傳輸速度；隨著通信距離增加，使用多跳短距離通信以減少單跳通信的距離；減少通信流量。

（4）在路由協(xié)議設(shè)計(jì)方面，必須考慮均勻使用節(jié)點(diǎn)能量和數(shù)據(jù)融合兩個(gè)方面。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來看，均勻使用節(jié)點(diǎn)能量是為了避免個(gè)別節(jié)點(diǎn)過早的耗盡，以致缺少某塊區(qū)域的信息甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。而數(shù)據(jù)融合的作用是減少同一區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的冗余性，從而有效降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。

（5）在MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)上，首要目的是延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存周期。現(xiàn)階段對于MAC層協(xié)議的節(jié)能機(jī)制研究較為成熟，實(shí)現(xiàn)能源控制的措施包括：減少和避免信道訪問沖突，利用周期性的監(jiān)聽和睡眠來減少空閑監(jiān)聽時(shí)間，避免串音，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，控制發(fā)送功率等。此外，MAC層協(xié)議的可升級性也很重要。

（6）在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化上，可從以下兩個(gè)角度來降低能耗：

●在流量分發(fā)方面，可在源和目的地之間尋找一條節(jié)能的多跳路由；

●在拓?fù)涔芾矸矫�，可降低�?jié)點(diǎn)密度，利用較少的節(jié)點(diǎn)跟蹤事件，從而減小計(jì)算的復(fù)雜度。

此外，還可通過降低發(fā)射功率來減少網(wǎng)絡(luò)電源的開銷。

除了以上策略，能量收集技術(shù)的發(fā)展也使無電池但具有無限生命周期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為可能。能量收集，即通過對環(huán)境中的機(jī)械震動(dòng)、光能、電磁場、化學(xué)能、溫度變化、風(fēng)、熱等能量進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)，并分配到網(wǎng)絡(luò)傳感器的各個(gè)部件，從而保證電源需求，實(shí)現(xiàn)長期的有效供電。能量收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)�，F(xiàn)階段，對于機(jī)械震動(dòng)和光能的能量收集技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

3.2　覆蓋控制

覆蓋控制，是指在WSNs節(jié)點(diǎn)能量、網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算能力受限的情況下，對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理放置，并采用適當(dāng)?shù)穆酚蛇x擇，使WSNs的各種資源得到優(yōu)化分配。覆蓋控制不但提高了能量的有效性，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，而且減少了數(shù)據(jù)的冗余，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和可擴(kuò)展性也有一定的支持。

（1）典型覆蓋控制算法與協(xié)議

●基于網(wǎng)格的覆蓋定位傳感器配置算法。該算法通過采用網(wǎng)格形式來配置傳感器節(jié)點(diǎn)以及目標(biāo)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)采用0/1覆蓋模型，并使用能量矢量來表示格點(diǎn)的覆蓋。其目標(biāo)是在有限的代價(jià)條件下，使錯(cuò)誤距離最小化，從而優(yōu)化覆蓋識別結(jié)果。

●輪換活躍/休眠節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)自調(diào)度（Node Self-Scheduling）覆蓋協(xié)議。該協(xié)議建立在圓形二進(jìn)制感知模型的基礎(chǔ)上，采用節(jié)點(diǎn)輪換周期工作機(jī)制。在該協(xié)議中，每個(gè)周期包含一個(gè)自調(diào)度階段和一個(gè)工作階段。在自調(diào)度階段里，各節(jié)點(diǎn)首先向傳感半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播通告消息，然后分別判斷自身的任務(wù)能否由鄰居傳感器來完成，從而決定進(jìn)入“休眠狀態(tài)”還是繼續(xù)工作，這樣便可有效減少網(wǎng)絡(luò)中的信息冗余。但為了避免出現(xiàn)“盲點(diǎn)”，該協(xié)議需要采用一個(gè)退避機(jī)制以保證網(wǎng)絡(luò)的充分覆蓋。節(jié)點(diǎn)自調(diào)度覆蓋協(xié)議不僅對節(jié)點(diǎn)冗余進(jìn)行調(diào)度，而且通過節(jié)點(diǎn)輪換工作和休眠的機(jī)制來減少能源消耗，從而有效延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

●最佳與最差情況覆蓋。該算法考慮的是如何感應(yīng)并追蹤穿越網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)或其所在路徑上的各點(diǎn)。最佳與最差情況覆蓋著重從距離和某些特殊路徑的角度來考察網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)的覆蓋情況。該算法通過設(shè)置一定參數(shù)來計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最佳和最差的覆蓋情況，并計(jì)算出臨界的網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃結(jié)果。人們可以通過以上結(jié)果對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置進(jìn)行指導(dǎo)，從而改進(jìn)整體網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。

●暴露穿越。暴露覆蓋模型更能符合一個(gè)實(shí)際情況，即目標(biāo)穿越WSNs監(jiān)視區(qū)域的時(shí)間越長，被檢測到的概率就越大。在該算法中，根據(jù)不同的前提條件有不同的確定公式來計(jì)算暴露路徑，其中最小暴露路徑表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最壞的覆蓋情況。

除了以上四種，較經(jīng)典的覆蓋控制算法還有圓周覆蓋和連通傳感器覆蓋等。

（2）亟需解決的問題

●完善感知模型的種類以適用實(shí)際WSN環(huán)境的多樣化需求。

●在二維平面研究的基礎(chǔ)上解決三維空間覆蓋控制的問題。

●為具有移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)提供覆蓋控制理論。

●為在WSN和Internet之間交互的數(shù)據(jù)和信息提供覆蓋控制方案。

●在研究中引入障礙物的影響。

3.3　數(shù)據(jù)融合

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過密集分布的大量傳感器節(jié)點(diǎn)來收集信息。如果原始數(shù)據(jù)不加處理就直接傳送給中心節(jié)點(diǎn)，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，這將給通信網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的開銷，大大消耗傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，從而減小網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。數(shù)據(jù)融合，即在每一輪的數(shù)據(jù)采集過程中，節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)包先經(jīng)過集中匯總，再傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，這樣可以減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)的次數(shù)，減少傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的傳輸量�？梢�，數(shù)據(jù)融合不僅能夠減小數(shù)據(jù)冗余，而且有效節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能源。下面簡單介紹三種典型的數(shù)據(jù)融合協(xié)議。

（1）直接傳輸法

在該協(xié)議中，所有傳感器節(jié)點(diǎn)都把收集到的數(shù)據(jù)單獨(dú)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)后再進(jìn)行融合。在直接傳輸法中，與匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)將較快耗盡能量，這容易導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量分布很不均勻。除此之外，在很多情況下，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的地點(diǎn)都具有局部性，因此集中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的效率會(huì)低于局部信息融合。由此可見，直接傳輸法適用于傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)比較近，且接收數(shù)據(jù)消耗的能量比傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量大很多的網(wǎng)絡(luò)。

（2）基于層次的LEACH協(xié)議

在該協(xié)議中，監(jiān)視區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成少量的簇，由每個(gè)簇中指定的一個(gè)節(jié)點(diǎn)對簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與融合，并將融合結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。在LEACH中，簇頭的選擇是隨機(jī)的，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)成為簇頭，其目的是為了平衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而避免網(wǎng)絡(luò)能量分布不均的情況。該協(xié)議有效延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，并提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。但應(yīng)該注意到，LEACH在節(jié)約能耗方面還未能做到最佳。

（3）PAGASIS協(xié)議

該協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，被認(rèn)為是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中接近于理想的數(shù)據(jù)采集方法。PAGASIS的基本過程是：將監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)排列成一個(gè)鏈，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可從最近的鄰居節(jié)點(diǎn)接收并發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，先將自己的數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再將數(shù)據(jù)傳送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。最后，由一個(gè)指定的節(jié)點(diǎn)將融合結(jié)果傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。通過PAGASIS協(xié)議，可以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，且大大降低了節(jié)點(diǎn)在每一輪數(shù)據(jù)傳輸中耗費(fèi)的能量。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)不同的應(yīng)用需求以及網(wǎng)絡(luò)特性，數(shù)據(jù)冗余情況有很大的差異，因此融合處理方式也有所不同，目前還沒有統(tǒng)一的處理模式。

3.4　擁塞控制

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不穩(wěn)定的流量、多對一的通信和多跳的數(shù)據(jù)傳輸方式是造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的主要原因。此外，可能造成網(wǎng)絡(luò)堵塞的還有感知事件之后的突發(fā)流量，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高度動(dòng)態(tài)性，頻繁變化的無線信道，不同信道上互相干擾的并發(fā)數(shù)據(jù)等。擁塞可能引起丟包率上升，時(shí)延增大，能源消耗增多，從而導(dǎo)致全局信道的質(zhì)量下降。由于WSNs自身的特點(diǎn)，傳統(tǒng)端到端網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制策略不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

擁塞控制可分為擁塞檢測和擁塞減輕兩個(gè)階段。這里簡單介紹一下在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中現(xiàn)有的幾個(gè)擁塞控制策略：

（1）CoDA（Congestion Detection and Avoidance）

針對基于事件驅(qū)動(dòng)的WSNs檢測到事件引起的擁塞，CoDA的機(jī)制包括基于接收端的擁塞檢測，開環(huán)Hop-by-Hop的后壓和閉環(huán)多源調(diào)節(jié)。該算法可調(diào)節(jié)局部造成的擁塞，并減少逐跳控制信息的能耗，但其中使用的速率調(diào)節(jié)方式會(huì)使距離Sink較近的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送更多的分組。

（2）ESRT（Event-to-Sink Reliable Transport）

針對Sink節(jié)點(diǎn)只關(guān)心集合信息而不關(guān)心單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，ESRT在擁塞監(jiān)測上采用了基于節(jié)點(diǎn)的本地緩沖監(jiān)測，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)速率的調(diào)節(jié)。該算法主要適用于Sink節(jié)點(diǎn)，它可減小網(wǎng)絡(luò)能耗，提高可靠性，但不適合只發(fā)生短暫擁塞、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

（3）自適應(yīng)的資源控制

該算法針對擁塞期間重要數(shù)據(jù)包可能丟失的情況，并假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中通常有空閑節(jié)點(diǎn)可供調(diào)度。算法通過創(chuàng)建多元路徑對資源供應(yīng)進(jìn)行了自適應(yīng)的調(diào)整。該算法采取了擁塞檢測、創(chuàng)建選擇路徑、多路通信三個(gè)步驟。自適應(yīng)的資源控制增加了傳送分組的精度并節(jié)約大量的能量，但多元路徑熱點(diǎn)距離過近可能引起沖突，而距離初始路徑過遠(yuǎn)還可能增加分組傳輸延遲和能量消耗。

（4）Fusion

該算法結(jié)合了三種擁塞控制機(jī)制，分別是Hop-by-Hop流控制、源速率限制模式和有優(yōu)先級的MAC層協(xié)議。三種機(jī)制的有機(jī)結(jié)合減小了信道丟失率，明顯改善了網(wǎng)絡(luò)的有效性和公平性。其弊端是速率限制模式無法杜絕隱終端沖突、歪斜路由、節(jié)點(diǎn)故障等問題。

（5）多到一路由的擁塞控制

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多到一的通信導(dǎo)致匯聚節(jié)點(diǎn)附件擁塞的問題，該算法通過確定下游孩子節(jié)點(diǎn)最小允許發(fā)送速率來減輕擁塞現(xiàn)象。該算法比較簡單，可升級，但是對不同深度的節(jié)點(diǎn)有較大的影響，同時(shí)使用ACK也增加了額外開銷。

以上是有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的幾種算法。針對不同的擁塞原因以及可能導(dǎo)致的后果，還需要有更多不同的控制策略來解決不同應(yīng)用上的QoS問題。此外，發(fā)生擁塞時(shí)如何確保應(yīng)用的QoS也是當(dāng)前的一個(gè)研究內(nèi)容。

4、結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其QoS保障技術(shù)也將日益受到人們的關(guān)注。關(guān)于WSN QoS的研究仍然還有很大的空間，除了上面幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)，以下幾個(gè)方面也有待于進(jìn)一步的研究。

（1）基于中間件的QoS機(jī)制

如果應(yīng)用程序的QoS需求在網(wǎng)絡(luò)中是不可行的，則可以通過中間件在網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用之間協(xié)商出一個(gè)新的服務(wù)質(zhì)量。該中間件層可以翻譯和控制應(yīng)用程序以及網(wǎng)絡(luò)的QoS。

（2）各QoS需求之間的自適應(yīng)平衡機(jī)制

在WSNs的QoS需求之間具有不同的權(quán)衡關(guān)系，因此有必要根據(jù)不同類型的應(yīng)用分別尋找出一種最優(yōu)的自適應(yīng)平衡機(jī)制。

（3）對不同QoS保障技術(shù)的集成

WSNs的QoS機(jī)制不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，然而對于WSNs的需求往往來源于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如Internet的用戶。因此，有必要進(jìn)一步研究傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和無線感器網(wǎng)絡(luò)QoS之間的不同點(diǎn)，為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的程序保證QoS服務(wù)的無縫性。