（计算机软件与理论专业论文）无线多媒体传感器网络的qos保证技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科专业：工科、计算机软件与理论 研究方向：基于网络的计算机软件应用技术 作者：二零零七级硕士研究生韭照指导教师：差蒸直王z 王渔佳熬援 题目： 无线多媒体传感器网络的q o s 保证技术研究 英文题目： r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fq o sg u a r a n t e ei nw t r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o r n e t w o r k s 关键词： 无线多媒体传感器网络，服务质量，拓扑控制，媒体访问控制，路由 英文关键词： w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，q o s ，t o p o l o g yc o n t r o l ，m a c ，r o u t i n g 论文选题来源： 1 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 专题课题项目“基于a g e n t 的面向应 用的无线传感器网络中间件技术 ( 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 9 ) ； 2 江苏省高技术计划项目“无线传感器网络中间件与平台技术研究” ( b g 2 0 0 5 0 3 8 ) 。 - l f l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 中文摘要 为了满足日益复杂的环境监测的要求，迫切需要将信息量丰富的图像、 媒体引入到无线传感器网络之中，因而形成了无线多媒体传感器网络( w m 可提供的服务多种多样，因而衡量每类服务的服务质量( q o s ) 的标准也不尽相同。如何保证 不同服务的q o s 且有效利用全网资源，成为w m s n s 研究领域的一个突出问题。 本论文围绕w m s n s 服务质量体系在各个层面的相关保证机制和算法进行了研究，主 要考察了拓扑控制，m a c 层和路由层的q o s 策略，论文主要工作如下： ( 1 ) 根据w m s n s 的特点，在分层体系结构的基础上，对g a f 算法加以改进，设计一种 分簇算法，优化区域划分机制，增加覆盖优先级，动态调整簇内转发节点比例，为路由协 议提供基础，有效延长传感器网络的生命周期。 ( 苟研究了m a c 层协议，在t d m a 的基础上设计了一种区分服务的媒体访问控制方 法，根据服务等级来设定动态时隙分配方案，通过划分多层时隙根据服务等级来调整时隙 分配，同时动态调整服务等级，并增加不活跃节点的休眠，从而延长了无线多媒体传感器 网络的寿命并提高了传感器网络的协调性和服务质量。 ( 3 ) 总结现有无线多媒体传感器网络的q o s 路由算法，并在现有路由协议的设计思想 基础上，提出了一种基于遗传算法的无线多媒体传感器网络路由算法。该算法结合了层簇 式结构和q o s 需求，利用遗传算法选取最优路径，并能够根据应用需求改变q o s 参数， 达到灵活优化，延长网络寿命提高数据传输实时性和可靠性。 综上，论文从拓扑、m a c 层和网络层研究了w m s n s 中q o s 保证的关键技术，并从 全网拓扑，信道分配和路由选择的角度提出了q o s 保证的优化策略，实现区分服务提供 q o s 支持，并在提高实时性能及全网负载均衡方面具有较好的性能。 关键词：无线多媒体传感器网络，服务质量，拓扑控制，媒体访问控制，路由 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a bs t r a c t i no r d e rt om e e tt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so fe n v i r i o n m e n ts u r v e i l l a n c e ，i t su r g e n tt o i n t r o d u c ei n f o r m a t i o n - r i c hm e d i as u c ha sv i d e oa n da u d i oi n t ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n d l e a d st ot h ed e v e l o p m e n to fw m s n s d u et ot h ev a r i e t yo fs e r v i c e sp r o v i d e db yw m s n s ，t h e i r q o sc r i t e r i o n s a r ed i f f e r e n t h o wt og u a r a n t e ed i f f e r e n tq o sw h i l em a x i m i z i n gn e t w o r k u t i l i z a t i o ni sb e c o m i n gah o tt o p i ci nt h i sr e s e a r c hf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o r r e s p o n d i n gg u a r a n t e em e c h a n i s m sa n da l g o f i t t m a so fq o si n d i f f e r e n tl a y e r so fw m s n sa n df o c u e so nt o p o l o g yc o n t r o l ，t h eq o sg t m r a n t e em e c h a n i s mo f m a c l a y e ra n dn e t w o r kl a y e r t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fw m s n s ，b a s e do nt h em u l t i - t i e ra r c h i t c c t u r eo f w m s n s ，t h i sp a p e rd e s i g n sac l u s t e r i n ga l g o r i t h mb yi m p r o v i n gg a fa l g o r i t h ma n di tc a l l s u p p o r tr o u t e ：a n dp r o l o n gt h el i f e t i m eo fn e tb yo p t i m i z i p sa r e a 既r v e u p , c a pp r i o r i t ya n d p r o p o r t i o no f m i d - n o d e ( 笱s t u d i e sp r o t o c o lo fm a cl a y e ra n dd e s i g n sam e t h o do fm e d i u ma c c e s s o 咖l ， s u p p o r t i n gd i f f s e r vb a s e d o nt d m a i t 啪d i v i d et i m ed y n a m i c l yw i lt h es e r v i c ed e g r e ew h i c h 啪b ea d j u s t e dd y n a m i c l ya n di n c r e a s et h e 翊戗她t i m eo ft h ei n a c t i v en o d e s ，s op r o l o n g st h e l i f et i m eo fw m s n sa n de n h a n c e st h ec o o r d i n a t i o na n d q o s ( 3 ) s u m m a r i z e st h ee x i s t i n gq o sr o u t i n ga l g o r i t h mo fw m s n s ，a n dp r o v i d e saq o sr o u t i n g o fw n e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mc o m b i n e s c l u s t e ra n dm u f f - t i e ra r c c t u r ea n dq o sr e q u i r e m e n t , s e l e c t so p t i m a lr o u t ew i t hg e n e t i c a l g o r i t h m ，a d j u s t sq o sp a r a m e t e r sw i t ht h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n ts ot h a to p t i m a lf l e x i b l e ， p r o l o n gl i f et i m ea n di n c r e a s et h ed a t a r e a lt i m ea n dr e l i a b l e i i la l l ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ek e yp r o b l e m so fq o sg u a r a n t e ef r o mt o p o l o g y , m a cl a y e ra n d n e t w o r kl a y e r , a n dp r o v i d e sq o sg u a r a n t e eo p t i m i z a t i o nt a c t i c sf r o mn e t w o r kt o p o l o g y , c h a n n e l d i s t r i b u t i o na n dr o u t i n gs e l e c t i o n i ts u p p o r t sd i f f s e r v , e n h a n c e st h er e a lt i m ep e r f o r m a n c ea n d b a n l a n c ee n t i r en e t w o r kr e s o u r c e s k e yw o r d s ：w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，q o s ，t o p o l o g yc o n t r o l ，m a c ，r o u t i n g i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 课题背景1 1 1 1 多媒体传感器网络的概念及其特点。1 1 1 2 多媒体传感器网络的研究内容：3 1 1 3 多媒体传感器网络中服务质量保证研究的意义：。4 1 2 课题来源及本人工作4 1 2 1 课题来源4 1 2 2 本人工作。4 1 3 论文组织结构5 第二章w m s n s 服务质量。7 2 1 毋【述7 2 2w m s n q o s 需习之7 2 3w m s nq o s 保证的挑战 2 4w m s nq o s 保证研究现状 2 4 1m a c 层q o s 保证研究 9 2 4 2 网络层q d s 保证研究 ：。立；：艟 2 4 _ 3 传输层q o s 保证研究 2 4 4 应用层q o s 保证研究o ： 1 4 1 6 2 4 5 交叉层q o s 保证研究1 6 2 5 本章小结。1 7 第三章基于地理位置的分层分簇控制方法1 8 3 1 厩j l f ；1 8 3 2 研究现状1 9 3 3 体系结构与网络模型2 2 3 3 1w m s n s 分层体系结构。2 2 3 3 2 网络模型2 3 3 4 算法设计2 4 3 4 1 簇头选择阶段2 4 3 4 2 数据转发阶段2 5 3 5 实验与仿真2 7 3 6 本章小结2 9 第四章基于区分服务的媒体访问控制方法3 0 4 1 概述3 ( ) 4 2 研究现状3 0 4 2 1 基于竞争的m a c 协议3 0 4 2 2 无竞争协议。3 2 4 2 3 混合协议3 4 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 3 算法设计3 7 4 3 1 算法提出3 7 4 3 2 相关定义3 7 4 3 3 算法分析3 9 4 4 实验与仿真4 l 4 4 1 实验一4 l 4 4 2 实验二4 2 4 5 本章小结4 3 第五章基于遗传算法的q o s 路由保证方法。4 4 5 1 概j 盎j i l 5 1 1q o s 路由的概念和作用4 4 5 1 2q o s 路由协议分类4 5 5 2 研究现状4 5 5 3 遗传算法简介5 3 5 4 算法模型5 3 5 4 1 网络模型5 3 5 4 2q o s 路由分析5 5 5 5 算法设计5 8 5 5 1 编i i 马。5 8 552初始群体选择一59 553适应度函数一59 5 5 4 选择方法。o 5 5 5 交叉策略6 l 5 5 6 变异规则配 5 6 实验与仿真6 2 5 6 1 算法收敛示范6 2 5 6 2 高阶仿真6 3 5 7 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 总i 右6 6 6 2 展望6 7 至| 【谢6 9 攻读硕士学位期间的学术论文7 0 攻读硕士学位期间参加的科研项目7 l 攻读硕士学位期间获得的专利申请7 l 缩略词。7 2 图表清单7 3 参考文献7 5 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、 计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，且引起了人们的极大关注。传 感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交 互方式；可广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。然而，随 着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们 对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感 器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒 体传感器网络( v o t e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，简称为w m s n s ) 应运而生【。近年来， w m s n s 技术的研究已引起了学术界和工业界的密切关注，国际国内一些学者开展了 w m s n s 方面的探索性研究 由于w m s n s 具有更丰富的感知能力，因此，能够提供的服务种类也就更加丰富。相 对传统无线传感器网络，w m s n s 独有的需要传送语音、图像等实时业务( 如即时语音通信、 战地环境图像、临时视频会议等) 对延时、延时抖动等服务质量( q u a l i t yo fs e r v e r ，简称为 q o s ) 参数均较敏感，这就更加需要w m s n s 提供业务的q o s 保证。所以，w m s n s 中q o s 的研究具有重要的实际应用价值。目前关于w m s n s 服务质量的研究刚刚起步，并没有成 熟的体系化的q o s 框架和相应的方法出现，不能够满足现实应用的迫切需求。因此， w m s n s 中q o s 保证问题具有广阔的研究空间。 1 1 1 多媒体传感器网络的概念及其特点 w m s n s 是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感节点组成的分布式感知网 络。它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体( 音频、视频、图像、数 值等) 信息，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析， 实现全面有效的环境监测。 如图1 1 所示，一个典型的w m s n s 通常由多媒体传感器节点( m u l t i m e d i as e n s o r ) 、汇 第l 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 聚节点( s i n kn o d e ) 、控制中，d ( c o n t r o lc e m e r ) 等部分构成。多媒体传感器节点散布在指定的 感知区域内，其采集的数据通过其它多媒体传感器节点逐跳进行传输，经过“多跳”路由传 送到汇聚节点，最后通过i n t e m e t 网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对传 感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 多媒体传感器节点 据：山“蟛 毽江二也 瓢二，一夕蝎。 jt 控制中心 图1 l 多媒体传感器网络结构 多媒体传感器节点：集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型嵌入式节点，借 助内置的形式多样的传感器监测所在周边环境中的热、红外、声纳、图像、音频、视频等一要lj 众多我们感兴趣的物理现象。其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，并通过携带能 量有限的电池供电。多媒体传感器节点强调采集音频、视频、图像等环境信息，并进行简 单处理，还要对其它节点转发的数据进行融合、转发等。 汇聚节点：既可以是一个具有较强功能的多媒体传感器节点，有足够的能量供给更多 的内存与计算资源，也可以是没有监测能力仅具有通信能力的特殊网关设备。汇聚节点的 处理能力、存储能力和通信能力比较强，负责连接多媒体传感器网络与i n t e m e t 等外部网 络，发布管理节点的监测任务，并转发数据至外部网络。 控制中心：负责查询或收集w m s n s 的监测信息，也可检测w m s n s 发布的信息，并 提供友好的交互界面供用户对监测信息进行观察、分析、挖掘及决策。 作为传感器网络的一种，w m s n s 除了具有其共性特点以外，还具有显著的个性特点。 具体表现为以下几个方面： ( 1 ) 网络能力增强。由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入，多媒体传感器节 点及网络能力( 采集、处理、存储、收发、能量供应等方面) 都有显著增强。 ( 2 ) 感知媒体丰富。音频、视频、图像、数值、文本以及控制信号在内的多种类型数 据共存于多媒体传感器网络中。另外，媒体格式多样，既包含单值信息，又包含流媒体信 第2 页 南京邮电大学硕士研究生学位论 对w m s n s 的研究内容，可从以下几个方面展开： ( 1 ) w m s n s 体系结构。研究支持节点间多媒体信息协同处理的传感器网络系统模型， 设计出合理的网络结构，将庞大而复杂的多媒体信息获取和处理分布到多媒体传感节点 上，通过多节点间的协同工作及时有效地完成场景监测。 ( 2 ) 低功耗硬件平台设计。w m s n s 能够感知和处理大数据量的图像、音频、视频等媒 体信息，这就要对传感平台功能进行扩展，设计以不能显著增加功耗和提高带宽为前提。 ( 3 ) 节能控制策略：由于w m s n s 处理的媒体数据量庞大，其能耗比传统传感器较大，书+ 因此如何节约能量并尽力延长整体网络的生存时间成为w m s n s 的重要性能指标。 ( 4 ) 实时媒体传输。多媒体信息( 3 t 其音视频) 对传输的时延、同步要求很高，w m s n s 应具有更强的媒体传输能力。能否有效解决多媒体的实时传输问题，是w m s n s 实用化的 关键。 ( 5 ) 网内信息处理。w m s n s 采集到的多媒体数据具有很大冗余性和时空关联性，有必 要研究如何利用网内计算来压缩数据及任务协同处理，减少网络业务流量，进而延长网络 工作寿命。 ( 6 ) 高可靠q o s 保证。q o s 敏感是w m s n s 的一个重要特征。w m s n s 中服务众多， 建立其q o s 保证体系，定义q o s 需求以及设计满足多种服务的q o s 保证策略是w l v i s n s 的关键问题。 ( 7 ) 信息安全保证。多媒体信息对于私密性更加敏感。如何在计算资源受限中完成数 据加密、身份验证等，在破坏或受干扰的情况下可靠地传输正确的信息是一个重要的研究 课题。 ( 8 ) 海量数据存储。多媒体传感器节点采集的多媒体信息量巨大，其中一些很有价值 第3 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 的信息需要存储起来供用户查询。如何将反映不同时期环境状态的海量数据有效地存储在 网络中，同样是一件很有意义的研究工作。 ( 9 ) 灵活的数据查询和检索。从用户获取数据角度来看，整个w m s n s 就像一个动态 的数据库，可从中查询和检索需要的信息。对于复杂的多媒体信息，如何根据对象特征属 性实现查询和检索也是一项极富挑战性的研究课题。 ( 1 0 ) 典型应用。研究在军事、环境监控、战场监控、交通监控、安全敏感区域监控、 工业控制、智能家居、城市管理、交通监控、目标追踪、反恐等领域的典型应用。 本文重点对w m s n s 的q o s 保证问题进行研究。由于w m s n s 中传感器节点的能量、 处理能力和带宽都十分有限，同时节点失效或休眠会带来动态的拓扑变化，而且w m s n s 中不同服务的q o s 需求不同，这些都增加了q o s 保证的复杂度。 1 i 3 多媒体传感器网络中服务质量保证研究的意义 目前w m s n s 中q o s 保证技术还很不成熟，国内外都在研究试验的过程中。由于 w m s n s 带宽窄、节点数目众多、密度大、网络资源受限且受环境影响，具有时变特性； 加上网络节点失效和新增造成的网络拓扑多变性，使其q o s 问题的研究更为复杂因此 。 q o s 保证的研究对w m s n $ 的发展十分关键； 。 ( 1 ) 有效地利用网络资源，最大限度延长网络的工作寿命。 ( 2 ) 平衡w m s n s 中众多服务的q o s 需求，对各类服务的q o s 参数有效地折中，尽量 满足各种服务的质量要求。 ( 3 ) 满足w m s n s 中的实时应用的需要，以解决低带宽下更易出现的网络拥塞。 ( 4 ) 建立适应w m s n s 特点的q o s 框架，满足多种业务对服务质量的不同要求。 1 2 课题来源及本人工作 1 2 i 课题来源 本文所涉及的课题主要来源于国家高科技8 6 3 项目“基于代理的面向应用的无线传感器 网络中间件技术，( 项目编号2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 9 ) ，江苏省高技术研究项目“无线传感器网络中 间件和平台技术研究”( 项目编号b g 2 0 0 5 0 3 ) 。 1 2 2 本人工作 本论文围绕w m s n s 服务质量体系在各个层面的相关保证机制和算法进行了研究，主 第4 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 要考察了拓扑控制、m a c 层和路由层的q o s 策略，论文主要工作如下： ( 1 ) 目前，传感器网络拓扑控制的研究有了初步进展，针对传感器网络自身的特点， 提出了形式多样，侧重点不同的拓扑控制算法。在功率控制方面提出了以邻居节点度为参 考依据的l m n ，l m a 算法以及利用邻近图思想生成拓扑结构的d r n g 和d l s s 算法；在 层次型拓扑控制方面提出了以l e a c h ，t o p d i s c 和h e e d 等为代表的分簇算法。本文结合 了g a f 算法和a s c e n t 算法，加以改进，在综合了无线多媒体传感器网络分层体系结构， 节点能量和地理位置的基础上，提出了一种分层分簇算法，形成良好的网络拓扑，提高数 据传输可靠性，延长网络寿命。通过测试，此算法保证了簇分布平均，有效提高了负载均 衡，降低节点能耗，健全骨干路径，提高网络生命周期，为m a c 层和路由层提供了网络 部署基础，以更好的达到q o s 保障的效果。 ， ( 2 ) m a c 协议是保证多媒体传感器网络高效通信的关键网络协议之一。在多媒体传感 器网络中，除了兼容传统无线传感器网络的m a c 层q o s 需求，例如带宽、能耗、竞争能 力、冲突避免以及信道干扰以外，还包括实时性数据包的时延要求。在t d m a 的基础上设 计了一种区分服务的媒体访问控制方法，根据服务等级来设定动态时隙分配方案，通过划 分多层时隙，根据业务类型来调整时隙分配，同时动态调整服务等级，并增加不活跃节点 的休眠，从而延长了无线多媒体传感器网络的寿命并提高了传感器网络的协调性和服务质 量。 ( 3 ) 多媒体传感器网络中网络层q o s 保证是非常重要的一个方面，多媒体传感器网络 中多媒体流对网络资源的大量需求以及网络资源的受限使得网络层路由机制的研究与设 计面临较大的挑战。w m s n s 中存在多种服务，不同服务的q o s 需求不同，因此，服务感 知的路由机制成为一个有效的方法，即根据多媒体传感器网络的各种服务的不同q o s 需 求，选择相适应的路由。本文将多媒体传感器网络分层结构与遗传算法相结合，在此基础 上设计出一种基于遗传算法的q o s 路由，模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜 索和优化方法，在遗传过程中根据q o s 参数收敛最佳路由。综合了无线多媒体传感器网络 分层体系结构和时延，带宽，能量，丢包率等q o s 要求，延长网络寿命，提高数据传输实 时性和可靠性。通过测试，此算法收敛性好，可根据应用需求改变相应参数，侧重优化方 向，具有良好应用前景。 1 3 论文组织结构 全文共分六个章节，内容组织如下： 第5 页 南京邮 第一章首先介绍w m s n s 的基本概念和主要研究内容，阐述本课题的研究背景、研 究目的及意义。 第二章介绍了q o s 的概念，并研究了w m s n s 的q o s 的需求及挑战，最后分析了当 前在w m s n s 各层中q o s 保证的研究现状。 第三章从拓扑控制的角度研究o o s 保证，首先分析了当前拓扑控制的研究现状，并 在此基础上提出基于地理位置的分簇算法，有效从拓扑控制角度保证q o s 。 第四章针对t d m a 的网络扩展性不足，在t d m a 的基础上设计了一种动态时隙控制 方法，达到多媒体传感器网络可以根据业务类型提供不同的服务。 第五章通过分析当前路由策略的研究现状，设计一种基于遗传算法的q o s 保证路由 算法。 第六章总结了本文所作的工作，并对该课题进一步研究的重点方向进行展望。 第6 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w m s n s 服务质量 第二章w m s n s 服务质量 监测环境的日趋复杂多变，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到 以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。无线多媒 体传感器网络就是面向上述目标的一种新的无线传感器网络形式。近年来，w m s n s 技术 的研究已引起了科研人员的密切关注，不少学者开展了w m s n s 方面的探索性研究。目前， 在网络体系结构、节点硬件平台、通信协议设计、协同信息处理、能量节省策略等方面积 累了一些研究成果，然而，w m s n s 中q o s 这一重要的研究领域尚未受到广泛关注。w m s n s 所具有的感知媒体丰富、处理任务复杂等显著特点，使得w m s n s 中q o s 保证问题成为一 项富有挑战性的研究课题。 2 1 概述 q o s 控制问题最初是针对i n t c n l e t 而提出的。在现代高速宽带通信领域中，网络承载一一 的是包含音频、视频和数据等的复杂混合业务，为了满足网络中数据、语音和图像信息对 带宽、时延等传输质量参数的不同要求，需要为不同业务信息提供相应级别的q o s 保证 目前针对如何定义网络q o s 并没有统一的标准。q o s 论坛将q o s 定义为网络元素( 包 括应用、主机或路由器等网络设备) 对网络数据传输承诺的服务保证级别。r f c 2 3 8 6 则将 q o s 看作网络在从源节点到目的节点传输分组流时需要满足的一系列服务要求。而在网络 分层模型中，不同层次对q o s 赋予了不同的解释。在应用层，q o s 通常指用户或者应用所 获取具体业务的服务质量；在网络层，q o s 定义为对网络提供给应用及用户服务质量的度 量，包括可用性、吞吐量、时延、时延抖动和丢包率等参数。 无线自组织网络出现后，人们很自然地有了在自组织网络上传送不同类型业务的需 求，并且希望该网络能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保证。如何合理、 有效地利用无线网络的资源，以获取更好的数据传输性能，进而为多媒体业务的服务质量 提供保证，是w m s n s 中的重要问题。 2 2w m s nq o s 需求 从用户需求和w m s n s 的自身特点出发，提出了网络寿命、带宽、时延、时延抖动、 第7 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w m s n s 服务质量 丢包率和网络覆盖性等主要q o s 参数。以下是对w m s n s 的主要q o s 度量参数的描述： ( 1 ) 系统寿命 系统寿命定义为从系统部署到系统不能满足用户q o s 需求的时间。系统寿命受整个系 统能耗的影响，主要体现为： 存储介质( 如存储节点或汇聚节点的存储单元) 上进行数据存储和更新所消耗的 能量。 维护源节点和目的节点间路由的能耗。 维护网络拓扑连通性的能耗。 保障网络覆盖性能的能耗。 提供定位及保证数据同步的能耗。 网内数据处理( 如模式匹配，识别等) 的能耗。 ( 2 ) 带宽 大数据量多媒体信息在网络中传输对网络带宽提出了更高的要求。首先，对音视频传 感器节点来说，其帧速、分辨率及压缩格式等设置的不同，都会影响传输所需的带宽资源。 其次，确定在无线传输网上采用的带宽策略及q o s 机制。这是因为没有带宽策略及q o s 机制将引起多个应用无序地争夺带宽，进而导致数据包冲突，带宽利用率明显降低。最届再嗲q 根据w m s n s 中各类服务特点，合理分配带宽，在保证流数据的带宽需求的同时最大化其 他类型数据的吞吐量。 ( 3 ) 时延 多媒体信息所包含的信息与时间密切相关，具有时间连续性和实时性的特点，要求极 低的通信时延。在w m s n s 中，事件驱动的数据流对时延需求最高。周期性的音视频流同 样也受时延限制，要求很短的端到端时延。端到端时延主要由以下几个方面决定： 处理时延，包括模数变化、压缩编码等复杂计算以及中间节点的融合汇聚。 发送时延。 排队时延。 汇聚节点的恢复和校验时延等。 ( 4 ) 响应时间 针对w m s n s 中基于查询的应用，响应时间指从用户查询到从网络中收到响应的时间。 用户总是希望网络在最短的时间内建立对查询的响应。比如，在战场上，士兵需要在极短 的时间内获得敌人战车位置及数量信息。显然，响应时间是发送时间和处理、排队时间之 和，因此响应时间依赖于： 第8 页 流来说是至关重要的。业务时延抖动指标主要受以下因素的影响： 并发服务用户数。 网络数据传送能力。 中间转发节点的缓存能力。 ( 6 ) 数据准确度 数据准确度指的是在接收端汇聚节点恢复数据的精确性。数据准确度主要由以下五个 因素决定： 感知数据本身的准确性。 与数据密切相关的位置和时间信息的准确性。 采集数据预处理的精确性。 数据丢包率。 ，。 数据的差错率 数据恢复的正确性。 ( 7 ) 数据新鲜度 数据新鲜度指的是从传感器节点采集到数据并发送到中间存储节点( 查询应用) 或者汇 聚节点( 连续流媒体应用和事件驱动的应用) 的时延。数据新鲜度主要由发送时延和处理时 延来度量。因此，该q o s 参数由以下两部分组成： 传感器节点发送数据到中间存储节点或者汇聚节点的时间。 数据预处理( 融合，识别等处理) 的时间。 ( 8 ) 数据分辨率 数据分辨率指的是数据恢复的时空粒度。由于在w m s n s 中对媒体数据的处理大多包 括时空汇聚，因此数据分辨率受检测环境的数据数量的影响。 2 3w m s n q o s 保证的挑战 w m s n s 服务质量保证是个极富挑战性的研究课题，至今该领域研究成果，尤其是实 第9 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w m s n s 服务质量 用性成果并不多见。解决相关技术难题，较为直观的解决思路借鉴现有i n t e m e t 上的q o s 保证机制。但是，由于w m s n s 自身特性，i n t e m e t 上的q o s 保证机制难以直接应用于 w m s n s 。同时，w m s n s 与环境交互特性使其与传统数据网络也有着很大的差别，在继承 了传统无线网络q o s 技术挑战的同时，w m s n s 自身特点又决定了其具有独特的技术挑战： ( 1 ) 资源受限：资源受限主要体现在能量、带宽、内存、缓存大小、处理能力以及发 送功率等方面。其中，能量是最受关注的资源之一。另外，w m s n s 中音视频流对带宽的 需求较大，迫切要求简单有效的音视频压缩算法降低对带宽的占用，且在w m s n s 中，那 些计算过于复杂的算法、开销过大的信令协议、过多的网络状态都是不切实际的。 ( 2 ) 多种服务：w m s n s 支持的服务种类众多，不同种类的服务对q o s 的不同参数关 注程度是不尽相同的，需要综合考虑并设计出尽可能同时满足多种业务流q o s 需求的q o s 保证机制。 ( 3 ) 海量数据：w m s n s 中节点采集的音视频数据量大，需要简单高效的音视频压缩算 法来减少数据量提高带宽有效性。同时，节点间采集的数据具有很高的冗余性，造成有限 网络资源的浪费，数据融合( t g 作数据汇聚) 是降低冗余节约能量的一种有效解决方案。 但上述两种方法会影响音视频质量并使q o s 设计复杂化。 ( 4 ) 实时性：多媒体信息( 事件驱动数据和音视频流) 对传输的时延要求很高，w i m s l k k o 应具有更合理的业务调度和传输策略目前，w m s n s 的带宽资源以及处理能力还相当有 限；能否有效解决多媒体的实时传输问题，也是w m s n s 实用化的关键。 ( 5 ) 平滑抖动：一个非常小量的抖动对使用语音和视频的实时应用都是很重要的。传 统处理抖动的方法是在接收端设置一定的缓存，但会降低实时性。因此，如何利用分布式 处理能力对抖动进行平滑将是解决w m s n s 抖动问题的挑战。 ( 6 ) 同步性：多媒体处理，不可避免地要解决音视频的同步问题。由于在w m s n s 中 音视频数据并不一定是同一节点采集并处理，因此解决音视频的同步将面临新的挑战。传 统解决音视频同步问题的最佳方案就是时间戳，在w m s n s 中还需要将时间戳方法与节点 间的时钟同步合理结合起来以解决音视频的同步问题。 ( 7 ) 媒体信息处理：通常，w m s n s 中各节点能够对采集的媒体信息进行简单处理，以 提高网络的处理效率。但是，媒体数据处理算法往往需要很高的运算时空复杂度，对于 w m s n s 节点的处理能力是一个挑战。因此，需要对信息处理质量与计算复杂度进行折中， 并发挥多节点协作的优势，设计出相应的策略保证媒体信息处理的q o s 。 ( 8 ) 覆盖有效性：有效覆盖是保证q o s 的基础。视频传感器节点是w m s n s 中的主要 节点类型，与其它的传感器节点相比，其感知范围是一个扇形，具有方向性的特征。因此， 第1 0 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 ， 第二章w m s n 传统的覆盖方法并不完全适合w m s n s ，需要设计基于有向感知模型的新的覆盖保证方法 来满足覆盖有效性的需求。 ( 9 ) 网络动态性：网络动态性通常是由无线链路故障、节点新增和失效、节点移动以 及采用功耗管理和能量有效机制带来的节点状态转移所引起的。网络的变化无疑会增加 q o s 保证的复杂性。若要减轻网络动态变化对q o s 的影响，应从改进媒体接入控制层( m a c ) 协议以及路由协议等方面入手。 2 4w m s n q o s 保证研究现状 目前，专门针对w m s n s 中q o s 保证的研究成果较少，相关研究成