基于數(shù)據(jù)分級的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由算法

吳赫

【摘 要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)正在飛速進(jìn)步，同樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求也逐漸提高，如何滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量成為了當(dāng)前的科學(xué)研究重點(diǎn)。本文在對經(jīng)典QoS路由算法研究的基礎(chǔ)上，通過與數(shù)據(jù)分級技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一款基于數(shù)據(jù)分級的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由算法，本文提出了一種數(shù)據(jù)分級技術(shù)，是根據(jù)不同應(yīng)用的不同QoS需求，將數(shù)據(jù)分為不同的級別，再根據(jù)不同的級別選擇不同的下一跳節(jié)點(diǎn)。緊接著，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)出基于數(shù)據(jù)分級技術(shù)的路由算法，滿足所需的QoS。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）；服務(wù)質(zhì)量（QoS）；數(shù)據(jù)分級；路由算法

一、課題背景

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些具有自組織，按照多跳方式進(jìn)行尋路的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們將具有感知能力的傳感器引入到以往的無線網(wǎng)絡(luò)中，使得網(wǎng)絡(luò)具有感知能力、無線通訊能力、綜合的數(shù)據(jù)處理能力，這種網(wǎng)絡(luò)隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越頻繁的出現(xiàn)在各種應(yīng)用中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是將計算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、分布式計算技術(shù)等多項技術(shù)融合而形成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。他自身融合了多種技術(shù)，同時也設(shè)計多個應(yīng)用領(lǐng)域，是當(dāng)今世界不可或缺的技術(shù)之一。

二、研究目的和意義

伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了當(dāng)前國際上一個備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)就是收集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。但是如何在資源有限，節(jié)點(diǎn)密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為用戶提供更好的服務(wù)呢？這是一個最重要的問題，需要研究人員去探索。因此，設(shè)計一個公平可靠，能夠節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，保證服務(wù)質(zhì)量（Quality of Server，QoS）需求的傳輸路由協(xié)議是很必要的。

由于無線傳感器可能部署在環(huán)境惡劣，或人跡罕至的地方，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，導(dǎo)致能源非常有限的，一旦電池耗盡，該節(jié)點(diǎn)將失去工作能力。于是節(jié)能一直是一個老生常談的問題。在一般的通信環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)的能源消耗分成兩部分：節(jié)點(diǎn)間通訊能量消耗和進(jìn)行計算能量消耗，而且傳輸一個比特所消耗的能量是在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部運(yùn)算一條指令消耗的能量的很多倍[2，3]。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和通信協(xié)議的設(shè)計中，需要對能量均衡問題提出了苛刻的要求，需增加內(nèi)部計算，減少節(jié)點(diǎn)間的通信，努力提高各節(jié)點(diǎn)的利用效率。

三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們的重視，越來越多的人投入到該領(lǐng)域的研究中，但是由于無線傳感器是一門交叉學(xué)科，涉及到的研究范圍比較廣泛，需要解決的問題比較多，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的QoS研究還沒有占有主導(dǎo)地位。

隨著人們越來越關(guān)注無線傳感器研究領(lǐng)域，越來越多的學(xué)者重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS問題的研究，并有很多學(xué)者將自己的研究成果在IEEE會議上或者ACM相關(guān)會議上發(fā)表自己的研究成果。（Camera Networks）分布式視覺處理專題等。美國加利福尼亞大學(xué)、卡耐基.梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)等也開始了無線多媒體網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，紛紛成立了無線多媒體網(wǎng)絡(luò)組并啟動了相應(yīng)的科研計劃。美國喬治亞州技術(shù)學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗室的Akyildiz教授最早提出無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念并對該領(lǐng)域進(jìn)行了調(diào)查指出了該領(lǐng)域的研究方向，斯坦福大學(xué)的無線傳感器實(shí)驗室成立了智能照相機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、基于視覺的定位和分布式智能監(jiān)控等小組對無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，并提出了Stanford Mesh Eye Mote的體系結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)末，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于采用了先進(jìn)的科技技術(shù)，無線傳感器的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)變得非常微小，并且節(jié)點(diǎn)的感知能力、通訊能力、數(shù)據(jù)綜合處理能力、存儲能力等已經(jīng)越來越強(qiáng)[4]。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，由于較多的人參與到該領(lǐng)域中，已經(jīng)形成了一些比較經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

四、基于數(shù)據(jù)分級的路由算法

（一）刻畫數(shù)據(jù)分級方法

本課題提出的數(shù)據(jù)二次分級技術(shù)，第一次分級的依據(jù)是數(shù)據(jù)類型，事件類數(shù)據(jù)，批量類數(shù)據(jù)和周期性數(shù)據(jù)。一般情況下，事件類數(shù)據(jù)都擁有一定的可靠性與及時性需求，例如火警的報警事件數(shù)據(jù)一定為最高級別的數(shù)據(jù)，無論如何都享有最高的待遇，傳感器節(jié)點(diǎn)必須優(yōu)先傳輸，并且保證其及時性與可靠性。其次，例如對壓力與氣流的控制操作，也是比較重要的，享有較高的優(yōu)先級。批量類數(shù)據(jù)需求較高的帶寬和可靠性，所以需要為其提供充足的資源。像周期性監(jiān)控類的數(shù)據(jù)，就沒有那么高的QoS需求，可以讓節(jié)點(diǎn)先傳輸其他類數(shù)據(jù)。

第二次分級是根據(jù)及時性的需求，同類數(shù)據(jù)中也會有不同的及時性需求，根據(jù)及時性由高到低分為三個級別，分別為及時性需求較高（H），中等（M）和較低（L），同類事件數(shù)據(jù)同時到達(dá)時，需保證及時性需求高的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸。當(dāng)不同級別及時性需求不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)作比較時，以右下往左上的順序優(yōu)先級依次由低到高，同直線上的數(shù)據(jù)以右上到左下的順序依次由低到高。（箭頭的方向優(yōu)先級越高）。

（二）構(gòu)建QoS路由算法

路由算法在傳感器應(yīng)用中占有很重要的地位，因為其對應(yīng)用的性能有直接的影響；更明確的說，路由算法應(yīng)該按特定的性能指標(biāo)的需要來開發(fā)。

本課題QoS路由算法以數(shù)據(jù)二次分級技術(shù)將數(shù)據(jù)分級，為不同級別的數(shù)據(jù)構(gòu)建不同的路由表下一跳節(jié)點(diǎn)。例如優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)，將會最快最好地傳輸，路由表中對應(yīng)的下一跳節(jié)點(diǎn)地址可能就更加接近Sink節(jié)點(diǎn)，通過加大傳輸功率，減少跳數(shù)以滿足高及時性的需求。優(yōu)先級稍低一些的數(shù)據(jù)對應(yīng)的下一跳節(jié)點(diǎn)較比上一級數(shù)據(jù)就會稍微近一些，以達(dá)到節(jié)能的目的，并要在上一級數(shù)據(jù)傳輸完成后再傳輸。

通過這種方式，才能使數(shù)據(jù)按優(yōu)先級由高到低的順序又快又好的傳輸，保證QoS的需求，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

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