（计算机软件与理论专业论文）无线传感器网络杳询qos机制研究.pdf

。；! j o 、 f、，j、，、i _jl b yb a ox i a n g x i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n g x i a o c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，i嘻一r1： rl i，广，箩 ， 飞 | 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 盘二 恧。 学位论文作者签名 日期： ：醐侣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半日两年口 靴论文作者签名：慨1 毛聊签名：编畅 签字日期：多蝴7 中 。 签字日期：彦蒯产甲 一 ? i ， ， ?j1， 飞 ，0 东北大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络查询q o s 机制研究 摘要 无线传感器网络应用中，q o s 保证是一个关键问题。有效评估查询质量是查询优化 的必要前提。大部分技术丰要以能量有效性作为查询优化评价指标，导致用户的查询请 求不能得到很好地满足。本文针对传感器网络查询q o s 评价和查询结果返回过程中q o s 保证问题进行了重点研究。 本文首先提出一种查询q o s 评价方法。在分析无线传感器网络中查询q o s 需求的 基础上，对主要的查询需求进行定量分析，建立q o s 评价模型。该模型可以简单、有效 的描述传感器网络中多种查询q o s 需求。另外，基于传感器网络动态特性，提出一种评 价指标权值动态调整技术，并给出基于q o s 的查询优化例子，用来说明本文所建模型的 实用性。 为了保证查询结果传输过程中的q o s ，本文提出一种支持q o s 的能量有效数据转 发机制e r s p e e d 。e r s p e e d 主要提供两方面的概率q o s 保障：实时性和可靠性。 e r s p e e d 首先将数据分为紧急和非紧急两类，并对两类数据采用不同的处理策略，以 便提供更好的服务区分。e r s p e e d 主旨在保证q o s 的前提下提供更好的能量有效性。 在实时性保证方面，e r s p e e d 利用本文提出的代价模型选择下一跳节点。该代价模型 既考虑转发速率，又考虑转发过程中能量消耗，因此能够提供整个网络范围的能量有效 性。在可靠性方面结合多路径转发和丢失重传机制，在满足数据包q o s 需求的同时考虑 能量有效性。e r s p e e d 提供的是一种基于本地信息的处理策略，这使得e r s p e e d 更 能够适用于大规模、密集布置且动态变化的传感器网络环境。 最后通过实验证明，本文提出的查询q o s 评价方法能够很好的体现传感器网络特 性，有效的评价传感器网络查询质量；e r s p e e d 协议能够提供概率q o s 保证的同时， 有效节省网络能量消耗。 关键词：无线传感器网络；q o s ；评价模型；动态调整；q o s 数据转发：能量有效 东北大学硕士学位论文摘要 1 1 1 ； 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo n aq u e r yq o sm e c h a n i s mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e ei sac r i t i c a lp r o b l e mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) a p p l i c a t i o n s e f f e c t i v ee v a l u a t i o no fq u e r yq u a l i t yi s a l le s s e n t i a lp r e r e q u i s i t et oq u e r y o p t i m i z a t i o n i nm o s t o ft h ee x i s t i n g r e s e a r c h w o r k ，e n e r g ye f f i c i e n c y i st a k e na st h e e v a l u a t i o nm e t r i cf o rq u e r yo p t i m i z a t i o na n dr e s u l t si nt h a tu s e r s r e q u i r e m e n t sc a n n o tb e m e t w e l l t h i st h e s i sm a k e sa l li n t e n s i v es t u d yo nq u e r yq o se v a l u a t i o na n dq o sg u a r a n t e e i n g i s s u e si nw s n s f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e saq u e r yq o se v a l u a t i o nm e t h o d b a s e do nt h ea n a l y s i so f q u e r yq o sr e q u i r e m e n ti nw s n s ，s o m ei m p o r t a n tm e t r i c sa r ei n t r o d u c e d 勰w e l la st h e m e t h o d st oe s t i m a t et h e m t h e n ，as i m p l ea n de f f e c t i v eq u e r yq o se v a l u a t i n gm o d e li s e s t a b l i s h e da n dad y n a m i ca d j u s t m e n ts t r a t e g yf o rt h i sm o d e li si n t r o d u c e dn o t i c i n gt h e d y n a m i cn a t u r eo f t h ew s n s f i n a l l y , as a m p l eq o s b a s e do p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e dt os h o w t h ep r a c t i c a l i t yo ft h i sm o d e l i no r d e rt og u a r a n t e et h eq o si nt h eq u e r yr e s u l tr e t u r np r o c e s s ，aq o ss u p p o r t e d ，e n e r g y e f f i c i e n td a t af o r w a r d i n gs t r a t e g y - - e r s p e e d ( e n e r g ya n dr e l i a b i l i t ya w a r es p e e d ) i s p r o p o s e d i ne r s p e e d ，t h eq o sp r o v i s i o n i n gi sp e r f o r m e di nt w oq u a l i t yd o m a i n s ，n a m e l y , t i m e l i n e s sa n dr e l i a b i l i t y e r s p e e df i r s tc l a s s i f i e st h ed a t ai n t ot w oc l a s s e s ，u r g e n ta n d n o n - u r g e n td a t a , a n dt a k e sd i f f e r e n ts t r a t e g yf o rt h e s et w oc l a s s e so fd a t ai no r d e rt op r o v i d e m o r er e a s o n a b l es e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n f o rt i m e l i n e s sp a r t ，e r s p e e ds e l e c t st h en e x th o p n o d eb a s e do nt h ec o s tm o d e li n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi sa w a r eo fb o t he n e r g yc o s ta n d t r a n s m i s s i o ns p e e d ，s ot h a te r s p e e dc a np r o v i d en e t w o r k w i d ee n e r g ye f f i c i e n c y f o rt h e r e l i a b i l i t yp a r t ，e r s p e e dc o n s i d e r sb o t hm u l t i - p a t hf o r w a r d i n ga n dr e t r a n s m i s s i o ns t r a t e g y t o p r o v i d ee n d t o - e n dr e a c h a b i l i t yg u a r a n t e e t o s a v ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，e r s p e e d c o n s i d e rt h er e t r a n s m i s s i o ns t r a t e g yf i r s t ，u n l e s st h et i m e l i n e s sr e q u i r e m e n ti sv i o l a t e d e r s p e e di sal o c a l i z e ds t r a t e g y , w h i c hm a k e si ts c a l a b l ef o rl a r g ea r e a ，d e n s ed e p l o y e da n d d y n a m i cc h a n g i n gs e n s o rn e t w o r k e n v i r o n m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e dq u e r yq o se v a l u a t i o nm e t h o dc a l l r e f l e c tt h ef e a t u r e so fw s n sa n de v a l u a t eq u e r yq u a l i t yo fw s n se f f e c t i v e l y ；e r s p e e d i v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p r o t o c o lc a np r o v i d ep r o b a b i l i s t i cq o sg u a r a n t e ea sw e l la sn e t w o r k w i d ee n e r g ye f f e c t i v e l y k e yw o r d s - w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；q o s ；e v a l u a t i o nm o d e l ；d y n a m i ca d j u s t m e n t ；q o s r o u t i n gp r o t o c o l ；e n e r g ye f f i c i e n t - v l ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 无线传感器网络概述1 1 1 1 无线传感器网络的基本特点2 1 1 2 无线传感器网络的关键技术3 1 1 3 无线传感网络性能评价4 1 2 问题的提出5 1 3 本文工作7 1 4 组织结构9 第2 章相关工作1 l 2 1 无线传感器网络q o s 机制分析1 1 2 1 1 无线传感器网络q o s 需求1 1 2 1 2 与现有网络q o s 的区别1 2 2 1 3 无线传感器网络q o s 研究面临的问题1 3 2 2 查询q o s 评价1 4 2 3q o s 路由机制1 5 2 3 1s a r 算法1 5 2 3 2e q r 算法1 5 2 3 3s p e e d 和m m s p e e d 算法1 6 2 4 其他q o s 保证机制1 8 2 5 本章小结- 1 9 第3 章查询q o s 评价方法2 l 3 1 查询q o s 评价指标2 l 3 1 1 查询q o s 需求分析2 1 v i 东北大学硕士学位论文 目 录 3 1 2 评价指标评估。2 2 3 2q o s 评价模型2 5 3 3 动态调整技术2 6 3 3 1 动态调整q o s 权值向量w 2 7 3 3 2 上下限动态调整2 8 3 4 基于q o s 的查询优化问题2 8 3 4 1 数学模型2 8 3 4 2 优化举例2 9 3 5 本章小结3 0 第4 章支持q o s 的能量有效数据转发机制3 l 4 1 假设和框架一3 1 4 1 1 基本假设和定义3 1 4 1 2e r s p e e d 框架3 2 4 2e r s p e e d 工作原理3 3 4 2 1 实时性保证3 3 4 2 2 可靠性保证3 5 4 2 - 3 减少和均衡能量消耗3 8 4 2 4 综合考虑时效性、可靠性和能量有效性4 0 ；3 本章小结。4 l 第5 章实验与分析一4 3 5 1 查询q o s 模型合理性验证4 3 5 1 1 评价指标上下限约束对查询q o s 的影响4 4 5 1 2 评价指标权值对查询q o s 的影响。4 5 5 1 3q o s 权值动态调整4 6 5 1 4 评价指标上下限动态调整4 7 5 2e r s p e e d 有效性验证4 8 5 2 1 实验参数估计方法和实验设置4 8 5 2 2 不同截止期需求下的能量效率5 0 5 2 3 不同可靠性需求下的能量效率5 2 v i i 飞 o 东北大学硕士学位论文 目 录 5 2 4 服务区分5 3 5 2 5 可扩展性分析5 4 5 3 本章小结5 5 第6 章结论5 7 参考文献5 9 致谢6 5 攻硕期间参加的项目及发表的论文6 7 v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 被认为是2 l 世纪最重要的技术 之一。它将会对人类未来的牛活方式产生巨大影响。麻省理工学院的技术评论杂志 将无线传感器网络技术评为2 1 世纪影响人类牛活产牛的十大新兴技术之一。它的出现 大大提高了人们对物理世界的感知和监控能力，同时也提高了环境测试能力、实际工业 控制水平等。目前，传感器网络在很多领域都得到了实际应用，包括军事情况的探测【2 训， 环境的监测【5 9 1 ，灾难预警们，职能控制l l - 1 3 和卫生防疫【1 4 】等。 1 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络由大量的廉价的微型传感器节点组成。这些节点被部署在监测区域 内，并且以无线通信的方式形成了一个多跳的、自组织的网络系统。无线传感器网络综 合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术【l6 】等多种技术，不但能够协作 地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，而且还能够对 这些信息进行处理。图1 1 为传感器网络的体系结构示意图【1 7 】，从图中可以看出传感器 网络通常由传感器节点、接收发送器( s i n k ) 、i n t e m e t 或通信卫星、任务管理节点等构 成【1 8 】【1 9 】。 图1 1 无线传感器网络体系结构 f i g 1 1t h ea r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成， 如图1 2 所示i 电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取外界 的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如对感知部件 获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信部件负责 与其他传感器或观察者的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系 统、嵌入式数据库系统等。 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2 传感器节点结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo fa s e n s o rn o d e 传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。节点间以a dh o c 方式进 行通信，每个节点都可以充当路由器的角色。观察者是传感器网络的用户，是感知信息 的接受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其他设备。一个观察者也可以是 多个传感器网络的用户【2 0 。2 2 】。观察者可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也 可以被动地接收传感器网络发布的信息。观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、 制定决策，或对感知对象采取相应的行动。感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是 传感器网络的感知对象。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字 量来表征。 s i n k 节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与 i n t c r n e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任 务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器 节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线 通信接口的特殊网关设备。 1 1 1 无线传感器网络的基本特点 无线传感器网络除了具有a dh o c 网络的移动性、自组织性、电源能力有限等共同特 征以外，还具有如下基本特点【1 7 】： ( 1 ) 通信能力有限。传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范 围只有几十到几百米。传感器之间的数据通信频繁，数据丢失率高。由于传感 器网络更多地受到高山建筑物障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的 影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。 ( 2 ) 电源能量有限。传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能量的 原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品 化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 比执行计算更消耗电能。传感器传输l 位信息所需要的电能足以执行3 0 0 0 条 计算指令【1 6 】。 ( 3 ) 计算能力有限。传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这些传 感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器 和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。 ( 4 ) 传感器数量大、分布范围广。传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能 达到几百、几千万，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区 域。传感器的数量与用户数量比通常也非常大。 ( 5 ) 网络动态性强。传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器感知对象和观 察者这三要素都可能移动，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网 络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变 化。 ( 6 ) 大规模分布式触发器。很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度控制。 这样，很多传感器具有回控装置和控制软件。 ( 7 ) 感知数据流巨大。传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并 具有实时性。每个传感器仪仪具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据 流。 1 1 2 无线传感器网络的关键技术 传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有许多 的关键技术有待研究。 ( 1 ) 网络拓扑控制。对于无线自组织形式的传感器网络而言，自动生成网络拓扑的 意义在于在满足网络连通度的情况下，以较低的代价实现对监控区域的有效覆 盖良好的网络拓扑结构，能够有效地提高链路层协议和路由协议的效率，可为 上层的数据融合、时间同步、目标定位等许多应用奠定基础，有利于整个网络 的负载平衡，从而节省节点的能量以延长整个网络的生存时间。 ( 2 ) 网络协议。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网 络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定 监测信息的传输路径数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控 制传感器节点的通信过程和工作模式。在无线传感器网络中，路由协议不仅关 心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个 网络的生存期。目前己经提出了多种传感器网络路由协议，包括有平面路由协 - 3 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 议如s p i n 、d i r e c t e dd i f f u s i o n 、r u m o rr o u t i n g ，分层路由协议如l e a c h 、 p e g a s i s 、t e e n 、a p t e e 等等。平面路由协议由于其单层结构要求所有传感 器节点均具有路由功能，导致了节点因能量消耗过快而失效，因此使得网络拓 扑结构经常发生变化，路由性能较低。多层结构中层结点的分布和每层中头节 点的选择也是研究的关键问题，本文将从平面路由的单层局限性和多层的簇头 选择进行深入的研究。 ( 3 ) 时间同步。时间同步问题是传感器网络各节点在进行协同工作时需要面临的一 个关键问题。同样，现有的同步机制尚无法满足传感器网络低功耗、低成本的 要求。 ( 4 ) 节点定位技术。传感器网络对目标的观察必须建立在了解目标位置的基础上， 因此随机部署的传感器节点要能在完成部署后自丰地确定自己的位置。传感器 网络的特点再次决定了定位机制需要满足自组织性、健壮性、能量高效、分布 式计算等要求。 ( 5 ) 数据融合技术。由于传感器网络对目标的观察存在数据冗余，若这些冗余数据 不加任何处理就传送给观察者，将会带来巨大的网络流量，从而带来急剧的能 量消耗。另一方面，这种流量通常都是不均衡分布的，靠近观察者的节点非常 容易因快速的能量消耗而失效。因此在各节点收集数据的过程中，即可进行数 据的融合，在数据融合的过程中也消除了部分干扰，提高了信息的准确度。 ( 6 ) 低功耗无线通信技术。传感器网络要求通信技术具有信道衰落不敏感、发射信 号功率谱密度低、系统复杂度低、能耗低的特点，目前主要研究的热点集中在 超宽带技术上。 ( 7 ) 嵌入式操作系统。传感器节点本质上是一个微型的嵌入式系统，硬件资源非常 有限，这就要求操作系统能够高效地管理其硬件资源。同时，传感器节点具有 并发程度高的特点，因此操作系统要能有效地满足发生频繁、并发程度高、执 行过程短的逻辑控制流程。目前采用基于组件的架构和基于事件的驱动来满足 上述要求。 1 1 3 无线传感网络性能评价 传感器网络的性能直接影响其可用性，至关重要1 7 1 。如何评价一个传感器网络的性 能是一个需要深入研究的问题。下面，我们讨论几个评价传感器网络性能的标准。这些 标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化。 ( 1 ) 能源有效性。传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 理的请求数量。能源有效性是传感器网络的重要性能指标。到目前为止，传感 器网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有被普遍接受的标准，需 要进行深入研究。 ( 2 ) 生命周期。传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的 信息为止所持续的时间。影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因 素也包括软件因素，需要进行深入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，我 们必须充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期。 ( 3 ) 时间延迟。传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到应答信息 所需要的时间。影响传感器网络时间延迟的因素也有很多。时间延迟与应用密 切相关。直接影响传感器网络的可用性和应用范围目前的相关研究还很少，需 要进行深入研究。 ( 4 ) 感知精度。传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度。传感 器的精度、信息处理方法、网络通信协议等都对感知精度有所影响。感知精度、 时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。在传感器网络设计中，我们需要权 衡三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降 低时间延迟。 ( 5 ) 可扩展性。传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、 时间延迟、感知精度等方面的可扩展极限。给定可扩展性级别，传感器网络必 须提供支持该可扩展性级别的机制和方法。目前不存在可扩展性的精确描述和 标准，还需要进一步的深入研究。 ( 6 ) 容错性。传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效。 由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能 的。这样，传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有高 强壮性。当网络的出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构纠正错误， 保证网络正常工作。传感器网络容错性需要进一步地模型化和定量化。容错性 和能源有效性之间存在着密切关系。设计传感器网络时，需要权衡两者的利弊。 上述六个传感器网络的性能指标不仪是评价传感器网络的标准，也是传感器网络设 计的优化目标。为了达到这些目标的优化，有大量的研究工作需要完善。 1 2 问题的提出 传感器网络为其用户提供了一种与物理世界之间的接口，它能够感知和管理所布置 区域的物理信息【4 】。作为一种服务系统，传感器网络所能提供的服务质量( q o s ) 直接 5 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 决定其可用性。q o s 定义系统的非功能性特征，代表用户和服务间有关信息传递质量的 约定，是网络业务性能的总体效果。q o s 有两层含义：从用户来看，它是用户对网络提 供服务的满意程度；从服务来看，它是网络向用户所提供业务的参数指标。 可以将传感器网络抽象成一个分布式数据库系统【1 8 】【2 3 】。用户通过向传感器网络发送 查询请求与之交互( 如图1 所示) 。本文定义用户向传感器网络提出的查询质量需求为 查询服务质量( 查询q o s ) 。传感器网络需要根据用户不同的查询q o s 需求提供相应的 q o s 保证。用户向传感器网络发出查询请求的同时会提出一些q o s 需求。传感器网络 ( 通常是s i n k 节点) 收到查询请求后需要将查询请求传播到整个网络。在此过程中为 了满足用户查询q o s 需求和资源有效利用的目的，通常会对查询请求进行优化，并产生 一个查询执行计划，然后在传播给传感器节点。另外，查询质量评价是传感器网络性能 评价的关键问题。一方面，准确评价当前查询质量能够给传感器网络q o s 保证和动态调 整策略提供依据；另一方面，有效评估查询执行计划效率是查询优化和q o s 保证的必要 前提。然而，据作者所知，目前还没有这方面模型化的评价体系。有关传感器网络q o s 评价和q o s 保证问题的研究都还只是处在一个起步阶段。这主要是因为传感器网络与传 统数据网络和传统数据库系统都有非常大的不同。到目前为止甚至传感器网络到底能够 提供什么样的服务都还没有一个定论。传感器网络动态特性、多种硬件平台、不同应用 环境、不同网络拓扑和资源严重受限等特点都为建立一个通用的传感器网络查询q o s 评价模型提出了挑战。 s j n k 节点 无线传感器网络 图l - 3 无线传感器网络可以被抽象成一个数据厍系统 f i g 1 3aw s n e a r lb er e g a r d e da sad a t a b a s es y s t e m 传感器节点执行查询之后，需要将查询结果返回给用户。如何保证查询结果( 用户 感兴趣的数据) 传输过程q o s 是整个查询执行过程中的关键环节之一。现有无线传感器 网络研究大都是基于单一的“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 数据传输服务模型。该模型下，各 类业务平等竞争网络资源，网络拥塞时，业务被不加区分地丢弃，因而不利于服务质量 要求高的业务传输。随着研究和应用的深入，不同业务对q o s 提出了不同的要求，包括 - 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 有保证的强q o s 服务( g u a r a n t e e dh a r dq o s ) 和有差别的软q o s 服务( d i f f e r e n t i a t e ds o f t q o s ) 等。例如，军事领域应用中，对空气放射物质浓度的周期性测量，检测结果要求 传输可靠，分组丢失率尽可能低；而在事件驱动的敌方目标识别和跟踪中，实时数据( 语 音或视频流) 的传输则对延迟非常敏感。因此，可提供不同业务q o s ，并有效利用全网 资源的传感器网络q o s 机制正显示出广阔应用前景，受到越来越多的关注【2 5 】【2 6 1 。然而 无线传感器网络q o s 机制相关研究还很少，还处在起步阶段。这是因为保证q o s 和节 省资源通常是相互矛盾的。所以提供一种资源有效的q o s 机制是一个值得深入研究的问 题。目前传感器网络中大部分q o s 机制都只考虑一种q o s 指标( 如可靠性2 7 】【2 8 1 ，实时 性【2 9 3 1 】) ，并且只能提供传统的端到端的q o s 保证。另外，对于不同应用，提供有效服 务区分方面研究也不多。传感器网路是以数据为中心的，因此其主要目的就是采集数据 并把数据传输给用户。q o s 保证问题的重点就是保证网内数据传输的服务质量。 综上，传感器网络中q o s 研究需要解决以下两个主要问题：准确、有效的评价查 询q o s ；提供有q o s 保证的资源有效的数据传输机制。 1 3 本文工作 本文主要研究无线传感器网络中查询q o s 评价和数据转发过程中q o s 保证问题。 本文以查询q o s 作为查询优化的依据。通常情况下查询优化的目的是，在有效利用网络。7 资源的同时，给用户提供最好的服务( 即提供最优的q o s ) 。另外，查询结果( 原始采 集数据或者初步处理后的局部查询结果) 返回过程成中的q o s 保证是查询质量保证的关 键关节之一。 图1 4 工作框架 f i g 1 4f r a m e w o r k 本文工作框架如图1 4 所示。从图中可以看出本文将主要研究两个问题：在网络动 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 态前提下，怎么动态建立查询优化评价指标，即动态评估查询q o s ；建立一种能够提供 服务区分的，支持q o s 的资源有效网内数据转发机制。其中查询q o s 评价是应用层的 概念，这里所指的q o s 也是与应用相关的q o s 。e r s p e e d 工作在网络层，所涉及的 q o s 也是指网络q o s 。 针对第一个问题，首先引入传感器网络查询q o s 概念，并用其作为传感器网络中查 询质量评价依据。分析传感器网络中一些丰要的查询q o s 评价指标，并给出评估方法。 为了综合描述查询质量，需要建立一个简单、有效的，带权多维查询q o s 评价模型。该 模型中，通过调整各评价指标的权值，可以描述不同的查询q o s 需求。文中还根据传感 器网络动态特性，将讨论q o s 模型动态调整问题，提出一种基于反馈的q o s 权值动态 调整技术。最后讨论基于q o s 的查询优化问题，并通过一个查询优化的例子，说明了所 建模型的有效性。 为保证查询结果的q o s ，提出一种基于s p e e d 协议【3 2 】的，能量有效的且概率保证 实时性和可靠性两方面q o s 的数据转发机制e r s p e e d ( e n e r g ya n dr e l i a b i l i t ya w a r e s p e e d ) 。e r s p e e d 选择实时性和可靠性作为q o s 指标，其主要任务是找到一条或多 条满足用户定义的q o s 需求的数据转发路径。在概率满足用户q o s 需求的同时， e r s p e e d 着重考虑均衡和节省网络能量消耗问题。e r s p p e d 的目标特性和优势如下： ( 1 ) 将数据分为两类：紧急数据( u r g e n td a t a ) 和非紧急数据。本文假设对于紧急数 据网络不仪需要满足用户提出的q o s 需求，并且需要尽最大可能使得q o s 最 好。例如，大部分事件驱动查询产生的查询结果。通常这类数据的q o s 需求较 高。另外，这类数据量通常不大，因此其能量有效性是次要的。对与非紧急数 据，在转发数据时，除了考虑q o s 因素之外，应考虑网络能量平衡和能量有效 性。非紧急数据通常是连续查询产生的查询结果。这类数据在整个网络数据传 输中占主导地位。 ( 2 ) 为了实现实时性方面的区分服务，根据数据转发速率，将数据包分成多个速率 层。各速率层次之间以速率由高到低的顺序转发数据。 ( 3 ) 通过结合使用多条路径转发和失败重传机制，提供有区分的可靠性保证。 ( 4 ) 对于非紧急数据，选择下一跳节点时，在满足q o s 需求的前提下，综合考虑目 标节点的剩余能量和转发能量消耗，选择能够合理平衡和减少网络能量消耗的 方案。在可靠性保证方面，在满足实时性需求的前提下尽可能以重传代替多路 径转发，因为多路径转发会使得网络中生成多个数据副本，从而带来额外的能 量消耗。对于紧急数据则不考虑能量消耗问题，尽力满足q o s 支持最好。 一8 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 组织结构 本文章节安排如下： 第一章为引言，主要介绍研究背景和现实意义。 第二章丰要介绍当前传感器网络中q o s 机制相关研究。 第三章给出查询q o s 评价模型，包括主要的评价指标分析、多维带权q o s 评价模 型、评价指标权值动态调整和基于q o s 的查询优化。 第四章给出一种支持q o s 且考虑能量效率的数据转发机制e r s p e e d ，详细介绍了 e r s p e e d 的工作机制。 第五章通过实验验证本文提出的查询评价模型和e r s p e e d 的有效性，并对实验结 果进行分析。 第六章对全文进行总结并对未来工作进行展望。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章相关工作 第2 章相关工作 本章主要介绍当前传感器网络q o s 机制相关研究。主要内容包括传感器网络中q o s 需求分析，q o s 评价方法和q o s 保证策略等。当前，多数q o s 保证策略相关研究集中 在q o s 路由机制上。 2 1 无线传感器网络q o s 机制分析 如第一章讨论，q o s 有两层含义：从用户来看，它是用户对网络提供服务的满意程 度；从服务来看，它是网络向用户所提供业务的参数指标。无线传感器网络具有面向应 用、以数据为中心的特点。 2 1 1 无线传感器网络q o s 需求 对其q o s 的需求分析可从用户对应的应用层面和服务对应的网络层面来考虑。 ( 1 ) 应用需求 无线传感器网络由大量随机部署在监控区域的传感节点组成。节点通过对目标热、 红外、声纳、雷达或地震波等信号的感知来获取诸如温度、体积、位置或速度等目标属 性。网络核心目标是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内目标对象的信息或事件， 并返回给相应的查询用户。它可广泛用于工业生产制造、环境监测、反恐安全和国防军 事等领域。 尽管无线传感器网络在不同应用环境下的具体功能要求不同，但仍可抽取并定义其 基础功能，包括： a ) 给定区域中目标对象的属性值测定： b ) 感兴趣事件的检测和相关参数估计； c ) 对目标对象的分类和识别； d ) 对目标对象的定位和跟踪。 因此，可定义网络感知覆盖率，事件检测成功率、目标分类识别成功率和目标定位 误差等指标作为应用层q o s 的度量。 ( 2 ) 网络需求 在网络层面，可从数据分发模式来分析。无线传感器网络主要有查询驱动、事件驱 动和连续传递三种模式【3 3 l 。查询驱动模式也可称为拉( p u l l ) 模式，由观测节点发起， 匹配该查询的传感节点将感知数据发往观测节点，属于一对多通信。该模式常用于交互 式场景，对数据传输强调及时性和可靠性。事件驱动模式也称为推( p u s h ) 模式，由传 东北大学硕士学位论文第2 章相关工作 感节点发起。发现感兴趣事件后立即向观测节点报告，属于多对一通信。该模式常用于 事件检测场景，对数据传输同样强调及时性和可靠性，数据流量具有突发性，易拥塞， 且节点数据存在高度冗余。连续传递模式也称周期传输模式，由双方约定，传感节点周 期性向观测节点报告感测数据，属于多对多通信。该模式常用于预定义速率的数据报告 场景。若传输数据是实时数据，如语音、图像或视频等，则关注传输延迟和带宽，若是 非实时数据，如温