无线传感器网络中基于Agent的QoS管理机制

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  摘要:针对无线传感器网络的节能特性和网络应用对服务质量(QoS)要求的不断提高,提出了一种节能高效的服务质量管理机制,运用Agent技术实现传感器节点的信息采集和QoS预约,当网络环境变化时进行QoS协商与再协商。与传统QoS机制相比,基于Agent实现的QoS管理机制能够最大限度对支持网络应用,更适合传感器网络的节能要求,延长网络的生命期。
  关键词:无线传感器网络;服务质量;代理
  中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2007)18-31527-03
  An Agent Based QoS Management Mechanism in Wireless Sensor Networks
  CHEN Jing
  (Computer Department,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)
  Abstract:In this paper,we develop an energy-efficient QoS mechanism for wireless sensor networks using a agent-based model. In this model, agent is used for information collecting and QoS reservation at sensor nodes and executing QoS negotiation and renegotiation when network environment changes.Compared to traditional QoS Mechanisms,the agent based model will support applications to the greatest extent, and the lifetime of network is prolonged at the same time.
  Key words:Wireless sensor networks;QoS;Agent
  
  1 引言
  
  近年来,微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步共同推动了无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)的发展,并逐渐引起了学术界和工业界的广泛关注。无线传感器网络的工作方式是在监测区域内部署大量低能源、低功耗的传感器节点,节点间通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并将其发送给观测者。无线传感器网络与物理世界紧密耦合,能够运行在恶劣或者危险的远程环境中,在军事、环境监测、工农业、医疗健康、危险区域远程控制等许多重要领域都具有广阔的应用前景[1]。
  由于传感器网络的工作方式与传统网络有着很大差异,且节点通常撒布在无人值守的区域,其计算及存储能力非常有限,能源耗尽后无法补充,在传感器网络所处的环境或节点拓扑结构发生变化时,网络对应用的支持必然受到影响。随着研究的深入和各种业务的不断展开,不同业务要求无线传感器网络能够提供不同类别的服务质量(Quality of service, 即用户与传感器网络之间关于信息传输的质量约定)。例如当传感器节点监测语音、视频图像等实时数据时,应保证数据传输的时延和带宽;如果监测的是温度、压力等非实时数据,应保证数据传输的可靠性,对丢包率和时延的要求较低。以数据为中心的无线传感器网络在工作方式、数据传输模型等方面与传统有线或无线网络均有较大差异,虽然以往关于服务质量的研究成果非常丰富,但是无法直接应用到无线传感网络。目前国内外在传感器网络服务质量方面的研究较少,且大都采用了传统网络“尽力而为”的数据传输服务模型,在网络拥塞时对数据流不加区分地丢弃,不利于服务质量要求高的业务传输[2]。
  近年来智能Agent在网络管理和服务质量管理方面的应用日益广泛,它具有代理性、自治性、协同性、交互性、移动性等多种特性,特别是对平台无关性的支持非常适合于运行在传感器网络中[11]。基于上述原因,本文设计了一种适合于无线传感器网络的QoS管理框架,利用Agent实现传感器节点的本地信息采集、通信与协商,较好地实现了传感器网络与应用之间的QoS参数的动态调节,使网络能够最大限度地支持应用。
  
  2 相关工作
  
  目前,关于无线传感器网络QoS问题的研究都是局限在某个功能层面或者某些特殊的场景,已有的研究成果主要集中在Qos路由和保证数据传输可靠性方面。
  SAR(sequential assignment routing)[3]是最早提供Qos支持的无线传感器网络路由协议,源节点在本地维护多个到达sink节点的路由信息,以此为依据选择满足Qos、功耗和优先级要求的传输路径。SPEED[4] 、EQR(Enery-aware QoS routing)[5]等QoS路由协议都是在网络层上向实时或非实时的数据流提供QoS支持。但是,上述协议均建立在传统的“端到端”的数据传输模型上,并不适合传感器网络中数据流“非端到端”的传输特点,同时对于资源受限的传感器节点来说实现过于复杂,不利于网络生存期的延长。
  在提供可靠性保证方面,文[6]根据数据的重要程度,将每个数据包赋予不同的优先级,优先级越高,其数据传输的可靠程度越高,但是这种可靠性依然建立在端到端的服务之上。文[7]提出了一种新的可靠传输机制,创新性地使用了非端到端的概念,通过拥塞控制实现可靠性和节约能耗的双重目标。上述两种方案仅从可靠性方面入手,并没有涉及Qos的其它指标。
  此外,Iyer等[8]将Qos定义为传感器节点的最佳数量,基站通过广播的方式向传感器节点通告Qos要求,并不断进行动态调整;文[9]则将Qos定义为被检测区域内节点的覆盖率,减少检测中的盲区可以使被测事件迅速准确地送达sink节点。上述研究中Qos度量指标都局限在某个方面,较为单一,缺乏整体和全面的考虑。
  
  3 基于Agent的QoS管理机制
  
  为更好地满足传感器网络中应用的服务质量需求,本文提出了一种基于Agent的服务质量管理机制,由QoS管理中心、QoS工作站以及QoS映射机制组成。其中,位于用户端的QoS管理中心模块负责接收用户提交的服务质量请求,经过解析生成相应的系统参数并将其发送到传感器网络中,必要时根据移动Agent携带的QoS协商请求完成服务质量的再协商过程。QoS工作站驻留于网络中的每个传感器节点,通过Agent的协同工作完成对应用和网络反馈信息的分析与判断,从而实现服务质量的本地协商和节点资源的管理。QoS映射机制用于实现传感器网络中不同层次间QoS参数的转换。各部分功能和Qos协商过程描述如下:
  3.1基于Agent协同工作的QoS工作站
  QoS工作站是Qos管理机制中的核心部分,包括Agent、Agent管理模块和Agent运行环境等,通过Agent的交互完成资源的预约和协商等功能,其结构如图1所示。
  工作站中的Agent分为以下三类:信息Agent、资源管理Agent、本地协商Agent。
  图1传感器节点中基于Agent的QoS工作站
  (1)信息Agent:负责搜集节点的状态信息,适时地捕捉网络状况的变化,并在节点生存期间监视QoS参数,如包转发率、传输延时和抖动、节点剩余存活时间、节点发送单位比特能耗、节点的数据流量和数据包发送延迟等信息。
  (2)资源管理Agent:负责节点的资源管理工作,包括资源的预约、监视和评估等。
  (3)本地协商Agent:当节点资源不能向用户提供满意的服务质量需求时,在用户许可的范围内通过与资源管理Agent协商来适当降低服务质量。
  当信息Agent监听到网络状态变化(如拓扑变化,目标移动等)时,将变化的QoS指标与用户事先约定的QoS参数进行比较,如果超出约定范围,通过本地协商Agent与资源管理Agent的交互完成服务质量的再次协商过程。
  汇聚节点和传感节点都加载Agent的运行环境,Agent通信语言采用通用的KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)语言。 如QoS参数协商请求原语描述如下:
  Ask if
  :sender agenta
  :receiver agentb
  :content(package forward rate (100,150):transport delay (0.2ms,0.5ms))
  :Language KIF
  :ontology QoS
  :reply-with ql
  3.2QoS映射机制
  作为向用户提供服务好坏程度的一种度量,服务质量被具体量化为各种性能参数,因此建立良好的QoS映射机制,首先需要对传感器网络的QoS参数及其相互关系进行细致而深入的分析,定义QoS参数及其含义、度量单位和表示方法,明确其相互关系,最终使得它们在网络中不同层面间进行统一的转换。
  传感器网络的Qos包括两个层面的内容:应用层和网络层。
  应用层参数一般由用户指定,是网络应用要求网络提供的服务类型和质量,传感器网络往往具有特殊的应用环境,用户关心的并不是传感节点感知的数据,而是网络根据用户提交的请求提供的最终检测结果,用户的请求包括对检测目标的属性值测定、对目标进行定位和跟踪以及对目标对象的分类和识别等等。应用层的参数具体体现为系统响应时间、数据更新时间、节点密度、检测结果的精确度和事件检测成功率等。
  作为网络服务的提供者,传感器网络应充分利用网络资源来传输具有QoS要求的数据流,但是当网络资源受限时,必须在网络的生存期和服务质量之间取得折中。传感器网络包含数量众多的传感节点,因此不仅要考虑网络拓扑、节点密度等与网络整体性能有关的指标,还应考虑传感器节点的处理能力、存储能力、剩余生存时间、测量精度等与单个节点有关的性能指标。网络层参数具体体现为路径时延、包丢失率、能量效率(沿一条路径传输一个数据包所消耗的能量)和路由维护等。
  一般情况下,用户对系统的服务质量要求表示为若干参数值对的集合,参数值对用来表示用户对参数变化的许可范围,如响应时间:<2s,5s>。每个层面间的参数的映射往往是多对多的映射。服务质量映射机制负责将用户给定的Qos参数映射到网络层面。
  3.3基于agent的QoS协商
  服务质量协商是指对资源的需求进行协商。当用户对资源的需求超过可用资源量时,在用户同意降低服务质量水平时通过协商加以解决,直至用户满意为止。基于Agent的Qos协商过程如下:
  第1步是初始化阶段,用户端的QoS管理中心接收用户的服务质量请求后,通过服务质量映射机制把用户提供的QoS指标映射为系统QoS参数,其实质是确定用户对应用质量要求的上限和下限。之后新建或选择一个移动Agent,将QoS参数发送到传感器节点。
  第2步:本地协商Agent将接收到的服务质量需求发送给资源管理Agent。
  第3步:资源管理Agent在接收到资源预约请求后,根据节点的能耗情况和网络流量完成资源预约,预约结果有三种可能:
  预约成功,则按照用户要求的Qos提供相应的服务。
  失败:需求与预约结果相差甚多,将预约结果标记为“失败”。
  降级服务:需求与预约结果相差较小,按照规则在降低服务等级后完成资源预约过程。
  第4步:本地协商Agent接收到预约结果,将其返回给用户。
  第5步:信息Agent执行状态采集任务,将采集的动态QoS指标与初始QoS参数进行比较,若发现网络状态变化时不能继续按照预约结果提供服务,则通知本地协商Agent进行QoS的再次协商,此时转第2步执行。
  QoS协商过程向用户屏蔽一切实现细节,通过Agent的协作完成Qos的预约、协商与再协商,大部分操作均在传感器节点完成,极大地减少网络中的数据流量,有效地延长了网络的生命周期。
  
  4 小结
  
  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和降低节点功耗,同时又能在节点失效或状态转换时满足网络应用的服务质量请求是特别值得关注的问题,本文针对无线传感器网络对QoS的特殊需求,提出了一种基于Agent的QoS管理机制,对其结构形式和工作流程等关键问题进行了研究,较好地实现了保证应用的QoS要求和延长网络生命周期的双重目标。
  
  参考文献:
  [1]IF Akyildiz et al. Wireless sensor networks: a survey[J].Computer Networks,2002,38(3):393-422.
  [2]Iyer, R, L Kleinrock. Qos Control for Sensor Networks[C]. IEEE International Communications Conference,2003,5:11-15.
  [3]K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi and G. Pottie. Protocols for Self-Organization of a Wireless Sensor Network[J].IEEE Personal Communications, 2000,10:16-27.
  [4]TianH, StankovicJA, LuCY,etal. SPEED: a stateless protocol for realtime communication in sensor networks [A].Proceedings of the International Conference on Distributed Computing Systems[C]. IEEEComputerSociety,2003:46-55.
  [5]Akkaya K,Younis M.An energy aware QoS routing protocol for wireless sensor networks[A].Proceedings of the IEEE Work shop on Mobile and Wireless Networks[C].Piscataway,USA:IEEE,2003,710-715.
  [6]S. Bhatnagar, B. Deb, and B. Nath, Service Differentiation in Sensor Networks [EB/OL]..http://www.ics.uci.edu/~arijitg/papers/qos/5.pdf,2001.
  [7]Y. Sankarasubramaniam, B. Akan and I. F. Akyildiz, “ESRT: Event-to-Sink Reliable Transport in Wireless Sensor networks[C].Ad Hoc Networking and Computing, 2003:177-188.
  [8]YounisM, AkkayaK, EltoweissyM,etal. On handling QoS traffic in wireless sensor networks[C].Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences. Piscataway, IEEE, 2004:4653-4662.
  [9]S. Meguerdichian, K. Farinaz, P. Miodrag, M. Srivstava. Coverage Problems in Wireless Ad Hoc Sensor Networks[C]. INFOCOM'01,2001,(3):1380-1387.
  [10]S.S. Manvi, P. Venkataram. QoS Management by Mobile Agents in Multimedia Communication [C].Proceedings 11th International Workshop on Database and Expert Systems Applications, 2000:407-411.
  [11]王汝传,徐小龙,黄海平.智能Agent及其在信息网络中的应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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