基于ZigBee协议的无线传感器网络服务质量的研究

摘要：针对于无线传感器网络的发展，以及新型的协议规范ZigBee协议在无线传感器网络中广泛应用，以分析研究基于ZigBee协议的无线传感器网络的服务质量的评价机制为目的。通过对无线传感器网络及ZigBee协议的组成、通信特点的研究，以及结合传统网络的QoS评价机制，最终总结得到可以从5个方面来评价ZigBee协议的无线传感器网络的服务质量。
关键词：无线传感器网络(WSN)；服务质量(QoS)；ZigBee协议；评价机制

    随着传感器技术、通信技术和嵌入式计算技术的飞速发展，它们之间互相融合且日益成熟，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)引起了人们的极大关注。WSN综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和通信等多种技术，以自组多跳的无线网络方式实时监测、采集和处理各种环境或对象的信息，并对这些信息进行处理或控制，传送给需要这些信息的用户。在国防军事、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、危险区域远程控制等许多重要领域WSN都有具有十分广阔的应用前景。
    无线传感器网络作为一个快速发展的技术领域，其标准林立这不利于各网络节点的互联及网络的管理。近几年，有一项协议规范在无线传感器网络中的应用广泛，它就是ZigBee协议。ZigBee是一种新兴的近距离、低数据速率、低功耗、低复杂度、低成本的自组网无线网络技术。与其它的几种无线通信技术如蓝牙、Wi—Fi、UWB、GPRS、CDMA相比，ZigBee的省电、可靠、成本低、网络容量大，低复杂性，自组网等特点更适合予无线传感器网络。ZigBee虽然作为一种新兴技术，但由于其自身的诸多优点而广受关注并有着极为广阔的应用前景。
    目前无线传感器网络的研究工作主要集中在网络技术和通信协议方面，而服务质量(Quality of Service，QoS)是WSN是否实用和可用性的关键，所以无线传感器网络QoS管理的理论和技术是一个重要的研究领域。

1 无线传感器网络概念及特点
    无线传感器网络是一种新兴的无线自组织网络，由大量无线传感器节点通过自组织的方式组成网络。无线传感网络是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。图1给出了一个典型的无线传感器网络结构。

    汇聚节点是网络的中心，具有协调和网关的作用，负责对监控区域中的传感器网络进行网络配置、管理和数据的汇聚；同时汇聚节点也是一个网关，利用它可通过广域网(如Internet网络或卫星网络)将数据送至任务管理节点即用户处进行统计分析和处理。
    无线传感器网络有以下几个特点：1)传感器节点要求体积小，功耗低，成本低。这是由于传感器网络中节点数量庞大且分布密度也很大所决定的；2)节点资源高度受限。由于受成本和物理环境的限制，节点的处理能力和存储空间都有限，且节点一般由电池驱动能量也有限；3)以数据为中心的网络。因为传感器网络是以数据本身作为查询或传输线索；4)是一个具有自组网能力的动态性网络：由于在使用过程中，节点的个数会因需要或故障随时加入和退出网络中，而且节点也会移动，加之无线通信信道的不稳定性，从而使网络的拓扑结构会随之动态变化。因此要求无线传感器网络要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化，具有自组网、智能化和协同感知等功能。5)无线传感器网络的安全性。

2 ZigBee协议的组成和通信特点
    ZigBee是一种新兴的无线网络技术，其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee主要是在短距离范围之内传输小量的数据，传感器数据、控制命令和重复行数据是其主要的传输对象。完整的ZigBee协议由物理层、媒体访问控制层、网络层、应用汇聚层和应用应用层组成，如图2所示。

    ZigBee标准是基于IEEE802．15．4标准的，ZigBee协议栈分为两部分IEEE802．15．4处理低级MAC层和物理层协议。ZigBee联盟制定了网络层、安全层和应用程序接口的应用规范。通过服务接入点(SAP)各层之间进行数据通信和协议栈管理。ZigBee协议栈中在网络层之上才ZigBee协议真正定义的部分，PHY层完成数据的收发、开启和关闭无线收发信机、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)的功能。MAC层主要功能包括采用CSMA／CA机制访问信道，协调器产生信标帧并发送，时隙保障(GTS)机制和提供MAC层可靠传输机制。网络层是ZigBee的核心部分，它主要负责设备加入、退出网络的机制，帧安全机制，路由发现以及维护机制，协调器的网络层还要实现网络拓扑的建立，并为设备分配地址。应用接口层包括应用支持子层(APS)，ZigBee设备对象(ADO)和制造商定义的应用对象。APS子层负责维护绑定列表，根据设备的服务和需求对设备进行匹配，并在绑定的设备间传送信息。ZDO负责定义设备在网络中的角色(如协调器还是节点)，发现设备并决定设备所提供的应用服务、初始化并响应绑定请求，在设备之间建立安全关系。此外ZigBee协议层中还具有数据的安全管理机制。

3 无线传感器网络的QoS
3．1 服务质量(QoS)的概念
    自无线传感器网络出现以来，人们一直对如何定义WSN的服务质量、如何衡量WSN的服务质量，以及WSN究竟是否需要服务质量而存在较大的分歧。目前，研究人员普遍达成的共识是：无线传感器网络需要QoS支持，但是不同的应用对QoS有不同的理解和需求，无法对无线传感器网络QoS形成统一的定义。
    服务质量(Quality of Service，QoS)，它有多种等价或互补的定义形式。RFC2386中描述为：QoS是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，也就是，指网络需要提供给应用实现正常功能所需的性能级别保证。
    无线传感器网络中的网络QoS技术，通常具有两方面的含义；1)从应用的角度看，QoS代表用户对于网络所提供服务的满意程度。2)从网络的角度来看，QoS代表网络向用户所提供的业务参数指标。为了方便分析，人们将无线传感器网络的服务质量分为两个层面，分别是针对用户的应用层面和针对服务的网络层面。
3．2 无线传感器网络的QoS特点
    目前无线传感器网络QoS的特点：1)简单易用；2)调节不均衡流量；3)处理冗余数据；4)适应网络的动态性及延展性；5)适应多种网络流量类型。
    这是由于传感器节点无法更换或补充能量，因此节点自身能源是最重要的限制条件。由此传感器节点只能支持比较简单易用的QoS机制。应用中大量的传感器节点产生的数据只由少量的汇聚节点来处理。由于业务要求的不同，不同时候的网络流量可能相差很大。QoS机制能选择合适的路由来调节不均衡流量。在无线传感器网络中，大量的传感器节点监测同一个目标，可能会在网络中传输大量的冗余数据，造成网络拥塞。QoS机制能减少由此导致的延迟。传感器节点状态变化、移动或失效，无线通信链路不稳定以及新节点的加入都可能导致网络拓扑变化。

4 基于ZigBee协议的WSN服务质量评价机制
    目前，对无线传感器网络QoS机制的研究成果较少，如何最大化网络资源利用率、降低节点功耗、在节点失效(如能量耗尽)或状态转换时，仍然能够满足网络应用的服务质量请求是特别值得关注的问题。ZigBee协议符合无线传感网络所需的全部特征，但其标准还不够完善，实现的成本还较高。结合ZigBee协议的组成、通信特点和无线传感器网络的QoS特点，比对传统网络的QoS。分析认为研究ZigBee协议的WSN服务质量评价机制主要是围绕数据监测与传输的可靠性、实时性、包投递率、网络有效性以及特殊应用服务质量等几个方面考虑进行的。所以可以从吞吐量、丢包率、延迟、流量拥塞等方面研究适用于ZigBee协议Qos评价机制。
    1)吞吐量：指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。就是网络的有效带宽，定义为物理链路的比特率减去各种传播技术带来的额外开销，即每秒钟传输的用户数据的字节数，它是在某个时间间隔内测试得到的，每个传输方向由各自的吞吐量分别衡量。
    2)丢包率：用于测量丢失或错乱信息分组数占整个发送信息分组数的百分比。
    3)延迟：指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间，包括传输延迟和交换延迟。传输时延迟是数据在两个参考结点之间传播所经历的时间，与所使用的传输媒体和传输距离有关；交换延迟由固定部分和可变部分组成，固定部分叫固定交换延迟，可变部分叫排队延迟，由网络中的排队队列和服务方式决定。
    4)延迟抖动：同一条数据流中信息分组的传输延迟的差异。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题5)拥塞：当网络在传输过程中存在过多的数据包时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。
    我们可以结合在无线传感器网络中QoS度量，来选用以下几个参数作为评价机制的考量：
    1)带宽及带宽分配率。针对不同业务的需要，使用不同的QoS策略分配。
    2)网络延迟。通常等于分级处理延迟、排队延迟、传输延迟、处理延迟，延迟其有很大的不确定性。随着网络的各个传感器节点的不同。网络部署环境的不同而改变。
    3)网络有效性。整个网络采取何种路由算法，才能使整个网络生命周期最大化。
    4)分组丢失率。在一定时间间隔内，等于丢失的分组与传输的分组数的比值。在无线传感器网络中，某些特殊业务要求极低的分组丢失率。
    5)延迟抖动。分组的第1位数据离开传感器节点与分组的最后一位到达汇聚节点的时间间隔的变化。
    6)误码率。无线通信自身易造成较大的误码率。除此之外。在无线传感器网络中，误码率还与通信链路相邻节点之间的距离和节点的有效缓冲大小密切相关。

5 结束语
    目前无线传感器网络的服务质量的评价机制，仍在研究阶段。本文结合无线传感器网络及ZigBee协议的组成、通信特点，比对传统网络的QoS评价机制，分析研究适用于基于ZigBee协议的无线传感器网络的QoS的评价机制。具体的算法仍在试验中，希望本文能为无线传感器网络的QoS评价机制研究提供帮助。