吴赫

【摘 要】无线传感器网络（WSN）技术正在飞速进步，同样的服务质量（QoS）要求也逐渐提高，如何满足无线传感器网络的服务质量成为了当前的科学研究重点。本文在对经典QoS路由算法研究的基础上，通过与数据分级技术相结合，设计并实现了一款基于数据分级的无线传感器网络QoS路由算法，本文提出了一种数据分级技术，是根据不同应用的不同QoS需求，将数据分为不同的级别，再根据不同的级别选择不同的下一跳节点。紧接着，设计并实现出基于数据分级技术的路由算法，满足所需的QoS。

【关键词】无线传感器网络（WSN）；服务质量（QoS）；数据分级；路由算法

一、课题背景

无线传感器网络是由一些具有自组织，按照多跳方式进行寻路的传感器节点组成的网络。随着工业技术和科学技术的不断进步，人们将具有感知能力的传感器引入到以往的无线网络中，使得网络具有感知能力、无线通讯能力、综合的数据处理能力，这种网络随着计算机科学技术的发展越来越频繁的出现在各种应用中。无线传感器网络也是将计算机技术、嵌入式技术、无线通信技术、数据压缩技术、分布式计算技术等多项技术融合而形成的传感器网络。他自身融合了多种技术，同时也设计多个应用领域，是当今世界不可或缺的技术之一。

二、研究目的和意义

伴随着信息技术的高速发展，无线传感器网络已经成为了当前国际上一个备受关注的研究热点。无线传感器网络的主要任务就是收集网络中的数据。但是如何在資源有限，节点密集的无线传感器网络中，为用户提供更好的服务呢？这是一个最重要的问题，需要研究人员去探索。因此，设计一个公平可靠，能够节约节点能量，保证服务质量（Quality of Server，QoS）需求的传输路由协议是很必要的。

由于无线传感器可能部署在环境恶劣，或人迹罕至的地方，所以网络节点一般采用电池供电，导致能源非常有限的，一旦电池耗尽，该节点将失去工作能力。于是节能一直是一个老生常谈的问题。在一般的通信环境中，节点的能源消耗分成两部分：节点间通讯能量消耗和进行计算能量消耗，而且传输一个比特所消耗的能量是在节点内部运算一条指令消耗的能量的很多倍[2，3]。因此，在无线传感器网络节点和通信协议的设计中，需要对能量均衡问题提出了苛刻的要求，需增加内部计算，减少节点间的通信，努力提高各节点的利用效率。

三、国内外研究现状

近年来，无线传感器网络越来越受到人们的重视，越来越多的人投入到该领域的研究中，但是由于无线传感器是一门交叉学科，涉及到的研究范围比较广泛，需要解决的问题比较多，因此，无线传感器网络中的QoS研究还没有占有主导地位。

随着人们越来越关注无线传感器研究领域，越来越多的学者重视无线传感器网络QoS问题的研究，并有很多学者将自己的研究成果在IEEE会议上或者ACM相关会议上发表自己的研究成果。（Camera Networks）分布式视觉处理专题等。美国加利福尼亚大学、卡耐基.梅隆大学、斯坦福大学等也开始了无线多媒体网络方面的研究工作，纷纷成立了无线多媒体网络组并启动了相应的科研计划。美国乔治亚州技术学院（Georgia Institute of Technology）的宽带和无线网络实验室的Akyildiz教授最早提出无线多媒体传感器网络的概念并对该领域进行了调查指出了该领域的研究方向，斯坦福大学的无线传感器实验室成立了智能照相机网络体系结构、基于视觉的定位和分布式智能监控等小组对无线多媒体传感器网络进行了研究，并提出了Stanford Mesh Eye Mote的体系结构在20世纪末，无线传感器网络由于采用了先进的科技技术，无线传感器的节点已经变得非常微小，并且节点的感知能力、通讯能力、数据综合处理能力、存储能力等已经越来越强[4]。在网络技术方面，由于较多的人参与到该领域中，已经形成了一些比较经典的网络协议。

四、基于数据分级的路由算法

（一）刻画数据分级方法

本课题提出的数据二次分级技术，第一次分级的依据是数据类型，事件类数据，批量类数据和周期性数据。一般情况下，事件类数据都拥有一定的可靠性与及时性需求，例如火警的报警事件数据一定为最高级别的数据，无论如何都享有最高的待遇，传感器节点必须优先传输，并且保证其及时性与可靠性。其次，例如对压力与气流的控制操作，也是比较重要的，享有较高的优先级。批量类数据需求较高的带宽和可靠性，所以需要为其提供充足的资源。像周期性监控类的数据，就没有那么高的QoS需求，可以让节点先传输其他类数据。

第二次分级是根据及时性的需求，同类数据中也会有不同的及时性需求，根据及时性由高到低分为三个级别，分别为及时性需求较高（H），中等（M）和较低（L），同类事件数据同时到达时，需保证及时性需求高的数据优先传输。当不同级别及时性需求不同数据类型的数据作比较时，以右下往左上的顺序优先级依次由低到高，同直线上的数据以右上到左下的顺序依次由低到高。（箭头的方向优先级越高）。

（二）构建QoS路由算法

路由算法在传感器应用中占有很重要的地位，因为其对应用的性能有直接的影响；更明确的说，路由算法应该按特定的性能指标的需要来开发。

本课题QoS路由算法以数据二次分级技术将数据分级，为不同级别的数据构建不同的路由表下一跳节点。例如优先级最高的数据，将会最快最好地传输，路由表中对应的下一跳节点地址可能就更加接近Sink节点，通过加大传输功率，减少跳数以满足高及时性的需求。优先级稍低一些的数据对应的下一跳节点较比上一级数据就会稍微近一些，以达到节能的目的，并要在上一级数据传输完成后再传输。

通过这种方式，才能使数据按优先级由高到低的顺序又快又好的传输，保证QoS的需求，网络传输效率，提高网络服务质量。

【参考文献】

[1] 苏金树， 郭文忠， 余朝龙，等. 负载均衡感知的无线传感器网络容错分簇算法[J]. 计算机学报， 2014， 37（2）：445-456.

[2] 尚兴宏. 无线传感器网络若干关键技术的研究[D]. 南京理工大学， 2013.

[3] 文浩， 林闯， 任丰原，等. 无线传感器网络的QoS体系结构[J]. 计算机学报， 2009， 32（3）：432-440.

[4] 王毅， 张德运， 马新新. 无线传感器网络基于模糊信息的QoS路由发现方法[J]. 传感技术学报， 2007， 20（3）：656-662.

[5] 宋婷婷. 面向Qos保障的复杂异构无线传感器网络下的拓扑控制研究[D]. 浙江理工大学， 2016.

[6] 滑楠. 无线传感器网络相关理论与应用研究[D]. 西北工业大学， 2007.

[7] 李剑锋. 无线传感器网络服务质量管理问题分析及实验研究[D]. 中国计量学院， 2012.