基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的研究

摘要：針對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及新型的協(xié)議規(guī)范ZigBee協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用，以分析研究基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量的評價機制為目的。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee協(xié)議的組成、通信特點的研究，以及結(jié)合傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的QoS評價機制，最終總結(jié)得到可以從5個方面來評價ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)；服務(wù)質(zhì)量(QoS)；ZigBee協(xié)議；評價機制

    隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式計算技術(shù)的飛速發(fā)展，它們之間互相融合且日益成熟，人們研制出了各種具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器。由許多微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)引起了人們的極大關(guān)注。WSN綜合了傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理和通信等多種技術(shù)，以自組多跳的無線網(wǎng)絡(luò)方式實時監(jiān)測、采集和處理各種環(huán)境或?qū)ο蟮男畔?，并對這些信息進(jìn)行處理或控制，傳送給需要這些信息的用戶。在國防軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域WSN都有具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，其標(biāo)準(zhǔn)林立這不利于各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)的管理。近幾年，有一項協(xié)議規(guī)范在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用廣泛，它就是ZigBee協(xié)議。ZigBee是一種新興的近距離、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的自組網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與其它的幾種無線通信技術(shù)如藍(lán)牙、Wi—Fi、UWB、GPRS、CDMA相比，ZigBee的省電、可靠、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大，低復(fù)雜性，自組網(wǎng)等特點更適合予無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee雖然作為一種新興技術(shù)，但由于其自身的諸多優(yōu)點而廣受關(guān)注并有著極為廣闊的應(yīng)用前景。
    目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議方面，而服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)是WSN是否實用和可用性的關(guān)鍵，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS管理的理論和技術(shù)是一個重要的研究領(lǐng)域。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念及特點
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，由大量無線傳感器節(jié)點通過自組織的方式組成網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。圖1給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

    匯聚節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的中心，具有協(xié)調(diào)和網(wǎng)關(guān)的作用，負(fù)責(zé)對監(jiān)控區(qū)域中的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置、管理和數(shù)據(jù)的匯聚；同時匯聚節(jié)點也是一個網(wǎng)關(guān)，利用它可通過廣域網(wǎng)(如Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò))將數(shù)據(jù)送至任務(wù)管理節(jié)點即用戶處進(jìn)行統(tǒng)計分析和處理。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下幾個特點：1)傳感器節(jié)點要求體積小，功耗低，成本低。這是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量龐大且分布密度也很大所決定的；2)節(jié)點資源高度受限。由于受成本和物理環(huán)境的限制，節(jié)點的處理能力和存儲空間都有限，且節(jié)點一般由電池驅(qū)動能量也有限；3)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。因為傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索；4)是一個具有自組網(wǎng)能力的動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)：由于在使用過程中，節(jié)點的個數(shù)會因需要或故障隨時加入和退出網(wǎng)絡(luò)中，而且節(jié)點也會移動，加之無線通信信道的不穩(wěn)定性，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨之動態(tài)變化。因此要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，具有自組網(wǎng)、智能化和協(xié)同感知等功能。5)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2 ZigBee協(xié)議的組成和通信特點
    ZigBee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其特點是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee主要是在短距離范圍之內(nèi)傳輸小量的數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)、控制命令和重復(fù)行數(shù)據(jù)是其主要的傳輸對象。完整的ZigBee協(xié)議由物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層和應(yīng)用應(yīng)用層組成，如圖2所示。

    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的，ZigBee協(xié)議棧分為兩部分IEEE802．15．4處理低級MAC層和物理層協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟制定了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口的應(yīng)用規(guī)范。通過服務(wù)接入點(SAP)各層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和協(xié)議棧管理。ZigBee協(xié)議棧中在網(wǎng)絡(luò)層之上才ZigBee協(xié)議真正定義的部分，PHY層完成數(shù)據(jù)的收發(fā)、開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機、能量檢測(ED)、鏈路質(zhì)量指示(LQI)、信道評估(CCA)的功能。MAC層主要功能包括采用CSMA／CA機制訪問信道，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)幀并發(fā)送，時隙保障(GTS)機制和提供MAC層可靠傳輸機制。網(wǎng)絡(luò)層是ZigBee的核心部分，它主要負(fù)責(zé)設(shè)備加入、退出網(wǎng)絡(luò)的機制，幀安全機制，路由發(fā)現(xiàn)以及維護(hù)機制，協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕?，并為設(shè)備分配地址。應(yīng)用接口層包括應(yīng)用支持子層(APS)，ZigBee設(shè)備對象(ADO)和制造商定義的應(yīng)用對象。APS子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定列表，根據(jù)設(shè)備的服務(wù)和需求對設(shè)備進(jìn)行匹配，并在綁定的設(shè)備間傳送信息。ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如協(xié)調(diào)器還是節(jié)點)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備并決定設(shè)備所提供的應(yīng)用服務(wù)、初始化并響應(yīng)綁定請求，在設(shè)備之間建立安全關(guān)系。此外ZigBee協(xié)議層中還具有數(shù)據(jù)的安全管理機制。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS
3．1 服務(wù)質(zhì)量(QoS)的概念
    自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)以來，人們一直對如何定義WSN的服務(wù)質(zhì)量、如何衡量WSN的服務(wù)質(zhì)量，以及WSN究竟是否需要服務(wù)質(zhì)量而存在較大的分歧。目前，研究人員普遍達(dá)成的共識是：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要QoS支持，但是不同的應(yīng)用對QoS有不同的理解和需求，無法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS形成統(tǒng)一的定義。
    服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)，它有多種等價或互補的定義形式。RFC2386中描述為：QoS是網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)流時要求滿足的一系列服務(wù)請求，也就是，指網(wǎng)絡(luò)需要提供給應(yīng)用實現(xiàn)正常功能所需的性能級別保證。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)，通常具有兩方面的含義；1)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。2)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。
3．2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS特點
    目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS的特點：1)簡單易用；2)調(diào)節(jié)不均衡流量；3)處理冗余數(shù)據(jù)；4)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性及延展性；5)適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)流量類型。
    這是由于傳感器節(jié)點無法更換或補充能量，因此節(jié)點自身能源是最重要的限制條件。由此傳感器節(jié)點只能支持比較簡單易用的QoS機制。應(yīng)用中大量的傳感器節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)只由少量的匯聚節(jié)點來處理。由于業(yè)務(wù)要求的不同，不同時候的網(wǎng)絡(luò)流量可能相差很大。QoS機制能選擇合適的路由來調(diào)節(jié)不均衡流量。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點監(jiān)測同一個目標(biāo)，可能會在網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量的冗余數(shù)據(jù)，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。QoS機制能減少由此導(dǎo)致的延遲。傳感器節(jié)點狀態(tài)變化、移動或失效，無線通信鏈路不穩(wěn)定以及新節(jié)點的加入都可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?br />
4 基于ZigBee協(xié)議的WSN服務(wù)質(zhì)量評價機制
    目前，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS機制的研究成果較少，如何最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率、降低節(jié)點功耗、在節(jié)點失效(如能量耗盡)或狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，仍然能夠滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量請求是特別值得關(guān)注的問題。ZigBee協(xié)議符合無線傳感網(wǎng)絡(luò)所需的全部特征，但其標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，實現(xiàn)的成本還較高。結(jié)合ZigBee協(xié)議的組成、通信特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS特點，比對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的QoS。分析認(rèn)為研究ZigBee協(xié)議的WSN服務(wù)質(zhì)量評價機制主要是圍繞數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸?shù)目煽啃?、實時性、包投遞率、網(wǎng)絡(luò)有效性以及特殊應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量等幾個方面考慮進(jìn)行的。所以可以從吞吐量、丟包率、延遲、流量擁塞等方面研究適用于ZigBee協(xié)議Qos評價機制。
    1)吞吐量：指一項服務(wù)從網(wǎng)絡(luò)入口到出口的平均經(jīng)過時間。就是網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬，定義為物理鏈路的比特率減去各種傳播技術(shù)帶來的額外開銷，即每秒鐘傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，它是在某個時間間隔內(nèi)測試得到的，每個傳輸方向由各自的吞吐量分別衡量。
    2)丟包率：用于測量丟失或錯亂信息分組數(shù)占整個發(fā)送信息分組數(shù)的百分比。
    3)延遲：指一項服務(wù)從網(wǎng)絡(luò)入口到出口的平均經(jīng)過時間，包括傳輸延遲和交換延遲。傳輸時延遲是數(shù)據(jù)在兩個參考結(jié)點之間傳播所經(jīng)歷的時間，與所使用的傳輸媒體和傳輸距離有關(guān)；交換延遲由固定部分和可變部分組成，固定部分叫固定交換延遲，可變部分叫排隊延遲，由網(wǎng)絡(luò)中的排隊隊列和服務(wù)方式?jīng)Q定。
    4)延遲抖動：同一條數(shù)據(jù)流中信息分組的傳輸延遲的差異。抖動主要是由于業(yè)務(wù)流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務(wù)質(zhì)量影響最大的一個問題5)擁塞：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在傳輸過程中存在過多的數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)的性能就會下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞。
    我們可以結(jié)合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中QoS度量，來選用以下幾個參數(shù)作為評價機制的考量：
    1)帶寬及帶寬分配率。針對不同業(yè)務(wù)的需要，使用不同的QoS策略分配。
    2)網(wǎng)絡(luò)延遲。通常等于分級處理延遲、排隊延遲、傳輸延遲、處理延遲，延遲其有很大的不確定性。隨著網(wǎng)絡(luò)的各個傳感器節(jié)點的不同。網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的不同而改變。
    3)網(wǎng)絡(luò)有效性。整個網(wǎng)絡(luò)采取何種路由算法，才能使整個網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。
    4)分組丟失率。在一定時間間隔內(nèi)，等于丟失的分組與傳輸?shù)姆纸M數(shù)的比值。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，某些特殊業(yè)務(wù)要求極低的分組丟失率。
    5)延遲抖動。分組的第1位數(shù)據(jù)離開傳感器節(jié)點與分組的最后一位到達(dá)匯聚節(jié)點的時間間隔的變化。
    6)誤碼率。無線通信自身易造成較大的誤碼率。除此之外。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，誤碼率還與通信鏈路相鄰節(jié)點之間的距離和節(jié)點的有效緩沖大小密切相關(guān)。

5 結(jié)束語
    目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量的評價機制，仍在研究階段。本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee協(xié)議的組成、通信特點，比對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的QoS評價機制，分析研究適用于基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS的評價機制。具體的算法仍在試驗中，希望本文能為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS評價機制研究提供幫助。