本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)qos控制方法。

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork)應(yīng)運(yùn)而生。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于智能交通、環(huán)境監(jiān)測、軍事安全、智能家居、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康、航天航空等眾多領(lǐng)域。相信，未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將得到更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高可靠性、高可用性和安全性需求，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究的核心問題卻是資源受限、能源開銷。如何根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境需求，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源普遍受限的前提下，通過一系列服務(wù)質(zhì)量控制技術(shù)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種資源得到優(yōu)化配置，數(shù)據(jù)的感知、傳輸、處理和存儲(chǔ)等各方面的服務(wù)質(zhì)量得到改善和提升成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一大熱點(diǎn)。因此，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶服務(wù)質(zhì)量需求，設(shè)計(jì)一種合理、高效的自適應(yīng)的qos控制方法是非常有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)qos控制方法，能提供更好的公平性，并有效減少時(shí)延。

本發(fā)明所述的面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)qos控制方法，包括以下步驟：

步驟1、基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的qos健康度評(píng)估；

步驟2、基于健康度的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知；

步驟3、基于網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的qos協(xié)商；

步驟4、動(dòng)態(tài)調(diào)整qos優(yōu)先級(jí)。

所述步驟1中，基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的qos健康度評(píng)估的方法為：

步驟1a、評(píng)估變量的選?。?/p>

選擇網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，丟包率，吞吐量，能量消耗四個(gè)網(wǎng)絡(luò)qos指標(biāo)，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)qos健康度評(píng)估變量；

步驟1b、基函數(shù)參數(shù)的確定：

1b-1、隱含層初始化，給定初始類中心cj(1),j＝1,2,...,k，k為隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；

1b-2、在第r次迭代中，樣本集{xi}分類方法如下：對所有的j,h＝1,2,…k,j≠h,若||xi-ch(r)||<||xi-cj(r)||，則xi∈sh(r)，其中，xi表示樣本集的第i個(gè)樣本，ch(r)為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為h時(shí)的類中心，cj(r)表示隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為j時(shí)的類中心；

1b-3、令步驟1b-2中得到的sh(r)的新的類中心為ch(r+1)，使度量式的值最小，令：最小，(h＝1,2,...,k)，則其中nh為sh(r)中的樣本數(shù)，hh為度量式的值；

1b-4、對于全部:h＝1,2,…k，若ch(r+1)＝ch(r)，則終止，否則返回步驟1b-2；

步驟1c、rbf網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的確定：

根據(jù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)qos健康度可以用下面這個(gè)公式給出：

其中，δ是可自選參數(shù)，決定著基函數(shù)的寬度，k是隱含層結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，cj為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為j時(shí)的類中心，||x-cj||表示向量的范數(shù)，gj(x)表示第j個(gè)基函數(shù)對輸入向量的響應(yīng)，gj為所有g(shù)j(x)形成的矩陣，y是所有yi形成的向量，ωjt則表示隱含層與輸出層間的權(quán)值，x表示任意一個(gè)n維輸入向量。

所述步驟2，基于健康度的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知具體為：

判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)qos健康度是否小于網(wǎng)絡(luò)qos健康度的閥值th，若否，則網(wǎng)絡(luò)健康，若是，則再判斷網(wǎng)絡(luò)上一刻的網(wǎng)絡(luò)qos健康度是否小于網(wǎng)絡(luò)qos健康度的閥值th，若否，則表示網(wǎng)絡(luò)健康，若是，則表示網(wǎng)絡(luò)處于亞健康。

所述步驟3中，qos協(xié)商的策略包括以下要素：

步驟3a、用戶提出的應(yīng)用通過qos映射后，得到應(yīng)用qos指標(biāo)和相應(yīng)的權(quán)值；提取出這些qos指標(biāo)，查詢在網(wǎng)絡(luò)中該項(xiàng)指標(biāo)是否與網(wǎng)絡(luò)資源中的指標(biāo)相符；如果網(wǎng)絡(luò)不存在該項(xiàng)指標(biāo)，則反饋給用戶，提示不能滿足該應(yīng)用；如果滿足則進(jìn)行步驟3b；

步驟3b、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)剩余資源情況，將通過步驟3a判斷過的應(yīng)用進(jìn)行協(xié)商；

網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻維護(hù)本身的資源剩余情況以及網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢評(píng)估，當(dāng)步驟3a判斷過的應(yīng)用到來時(shí)，比較網(wǎng)絡(luò)剩余資源與應(yīng)用qos指標(biāo)，判斷網(wǎng)絡(luò)資源能否滿足應(yīng)用需求，決策網(wǎng)絡(luò)qos的支持情況；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源不能滿足時(shí)，則進(jìn)行如下處理：

3b-1、反饋給用戶，協(xié)調(diào)將應(yīng)用優(yōu)先級(jí)等級(jí)降低處理，以使網(wǎng)絡(luò)資源能夠支持；

3b-2、將該網(wǎng)絡(luò)中處于較低優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用終止，為新到來的具有高優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用留出資源；

3b-3、拒絕此次應(yīng)用，反饋用戶網(wǎng)絡(luò)不能滿足該項(xiàng)應(yīng)用。

所述步驟3b中，對應(yīng)用的協(xié)商方式分為兩種：qos靜態(tài)協(xié)商方式和qos動(dòng)態(tài)協(xié)商方式；

qos靜態(tài)協(xié)商方式：用戶在啟動(dòng)應(yīng)用程序之前先向qnm提交應(yīng)用的qos要求,qnm將之提交資源管理器申請資源，資源管理器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的資源情況預(yù)留資源，通知資源調(diào)度器設(shè)置相應(yīng)的調(diào)度參數(shù)；

qos動(dòng)態(tài)協(xié)商方式：用戶先啟動(dòng)應(yīng)用,根據(jù)系統(tǒng)提供的qos的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地獲取qos需求,qnm將之提交資源管理器協(xié)商資源分配,資源管理器再根據(jù)分配結(jié)果通知資源調(diào)度器修改相應(yīng)的調(diào)度參數(shù)。

所述步驟4中，動(dòng)態(tài)調(diào)整qos優(yōu)先級(jí)的分組調(diào)度策略包括基站端調(diào)度和用戶端調(diào)度；

所述基站端調(diào)度包括：

4a、分配寬帶給不同的業(yè)務(wù)流：

分配給rtps(real-timepollingservices，實(shí)時(shí)輪詢服務(wù))、nrtps(non-real-timepollingservices，非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù))和be(besteffort，盡力而為服務(wù))業(yè)務(wù)流的帶寬可由下式計(jì)算：

bwi＝bw_pb×fi

bw_pb＝bwall-bwugs-bwr-bwbe

其中：bwi是分配給第i種業(yè)務(wù)流的總時(shí)隙，bw_pb是分配給rtps、nrtps和be業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)隙，bwall是上行鏈路子幀的傳輸總時(shí)隙，bwugs是上行鏈路子幀中分配給ug業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)隙，bwr分配給rtps、nrtps業(yè)務(wù)的輪詢時(shí)隙，bwbe是分配給be業(yè)務(wù)的帶寬請求時(shí)隙，fi是第i種服務(wù)流的帶寬計(jì)算因子；

4b、分配帶寬給不同的用戶：

4b-1、初始化每個(gè)用戶分配到的帶寬；

4b-2、計(jì)算剩余帶寬；

4b-3、將剩余帶寬分配給剩余的用戶；

4b-4、對剩余的用戶，重復(fù)執(zhí)行步驟4b-2和步驟4b-3；

4b-5、所有的帶寬分配完，結(jié)束，如果有用戶的rtps業(yè)務(wù)帶寬沒有被滿足，則在下一幀中繼續(xù)對其分配；

所述用戶端調(diào)度包括：

為不同的業(yè)務(wù)流設(shè)計(jì)不同的調(diào)度算法，在同一種業(yè)務(wù)流內(nèi)部的不同隊(duì)列之間進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度；rtps業(yè)務(wù)流實(shí)時(shí)性要求高，采用edf算法；nrtps業(yè)務(wù)流帶寬調(diào)度時(shí)，為了保證調(diào)度的公平性，采用wfq算法；為了降低be盡力而為業(yè)務(wù)流調(diào)度的復(fù)雜度并保證隊(duì)列之間調(diào)度的公平性，采用分組長度最小的包優(yōu)先調(diào)度算法。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)qos健康度評(píng)估結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢分析；然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢情況對應(yīng)用的qos需求進(jìn)行協(xié)商，以使應(yīng)用得到支持；對應(yīng)用按照qos類型進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)入動(dòng)態(tài)qos優(yōu)先級(jí)分組隊(duì)列，確保有特殊qos需求的應(yīng)用能夠順利實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)qos控制技術(shù)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，起到了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、節(jié)約資源、滿足應(yīng)用需求的作用。

(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的qos健康度評(píng)估方法，增強(qiáng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在qos控制。

(3)本發(fā)明在原來靜態(tài)qos優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)上，增加了qos協(xié)商策略，通過網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢結(jié)果，判斷qos需求的支持情況，與用戶進(jìn)行協(xié)商修改qos等級(jí)，形成了動(dòng)態(tài)qos優(yōu)先級(jí)策略。

(4)本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整qos優(yōu)先級(jí)的分組調(diào)度算法，該算法由基站和用戶站共同實(shí)現(xiàn)，為不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流共同分配帶寬，可以為系統(tǒng)提供更好的公平性，減小業(yè)務(wù)流端到端的時(shí)延，提高帶寬的利用率。

附圖說明

圖1為自適應(yīng)qos控制方法總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的qos健康度評(píng)估模型；

圖3為rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖4為基于健康度的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知流程圖；

圖5為基于網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的qos協(xié)商流程圖；

圖6為動(dòng)態(tài)qos協(xié)商管理算法流程圖；

圖7為基于qos動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的分組隊(duì)列。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示的面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)qos控制方法，重點(diǎn)解決在動(dòng)態(tài)變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各種qos參數(shù)的權(quán)重難以隨環(huán)境變化而自適應(yīng)調(diào)整的問題。該方法：基于時(shí)延、丟包率、吞吐量和能量消耗四個(gè)參數(shù)構(gòu)建的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)健康度評(píng)估模型，對網(wǎng)絡(luò)整體性能進(jìn)行評(píng)估，為網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)整提供決策支持；根據(jù)健康度評(píng)估結(jié)果，得出網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)和變化趨勢，通過基于網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的動(dòng)態(tài)qos協(xié)商機(jī)制，動(dòng)態(tài)修改應(yīng)用用戶的qos等級(jí)；動(dòng)態(tài)調(diào)整qos優(yōu)先級(jí)的分組調(diào)度策略，由基站和用戶站共同實(shí)現(xiàn)，為不同qos優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)分配帶寬，能夠減小業(yè)務(wù)流端到端的時(shí)延，提高帶寬資源的利用率。本發(fā)明通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)健康度評(píng)估模型、動(dòng)態(tài)qos協(xié)商和調(diào)整qos優(yōu)先級(jí)的分組調(diào)度策略，在適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)端到端的性能，保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，提高帶寬資源的利用率。

1.基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的qos健康度評(píng)估

網(wǎng)絡(luò)qos健康度是對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，其最終目的也是為了保證網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行良好，保證用戶需求得到滿足。網(wǎng)絡(luò)qos健康度和qos息息相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)qos健康度可以憑借qos的指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)評(píng)估，通過一系列反映無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前和歷史狀態(tài)有意義的參數(shù)進(jìn)行測量、分析計(jì)算，借助rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估，將實(shí)際與評(píng)估的結(jié)果用于指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的配置與管理，體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能性和自適應(yīng)性。圖2為qos健康度評(píng)估模型。

步驟1a、評(píng)估變量的選取

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的qos指標(biāo)：延遲、帶寬、丟包率、吞吐量和能量消耗等指標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)獲取和處理各項(xiàng)指標(biāo)一定程度上消耗過多資源，增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。因此，考慮到網(wǎng)絡(luò)面向應(yīng)用的不確定、多變性的特點(diǎn)，本發(fā)明中選擇網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，丟包率，吞吐量，能量消耗四個(gè)網(wǎng)絡(luò)qos指標(biāo)，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)qos健康度評(píng)估變量。

網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的所有終端節(jié)點(diǎn)到系統(tǒng)管理器存在n條路徑{p1,p2…,pn}，在一定時(shí)間t間隔內(nèi)每隔時(shí)間t(t<t)統(tǒng)計(jì)在路徑pi從終端節(jié)點(diǎn)到系統(tǒng)管理器上的時(shí)延的集合為{di1,di2…,dii}，i＝t/t，則路徑pi在時(shí)間t間隔里的平均時(shí)延可以表示為：

然后對網(wǎng)絡(luò)中m條路徑上的時(shí)延進(jìn)行加權(quán)平均得到時(shí)間間隔t內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延td：

而且，

丟包率：網(wǎng)絡(luò)中指定時(shí)間內(nèi)，所有數(shù)據(jù)包中，正確接收的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)包的比值，在時(shí)間間隔t內(nèi)，假設(shè)pi_get為系統(tǒng)管理器接收到的數(shù)據(jù)數(shù)目，pi_send網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)目，則網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間間隔t內(nèi)的丟包率dl為：

吞吐量：網(wǎng)絡(luò)中指定時(shí)間內(nèi)，所有負(fù)載的總和。在時(shí)間間隔t內(nèi)，假設(shè)tp為系統(tǒng)管理器接收到的數(shù)據(jù)總負(fù)載，用tp表示。

網(wǎng)絡(luò)能量消耗率：網(wǎng)絡(luò)能量在一段時(shí)間消耗的能量占總能量的比值。在時(shí)間間隔t內(nèi)，消耗的能量為nwaster，開始時(shí)候總的能量是固定的用nall表示，則時(shí)間t內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)能量消耗率ew為：

上述四項(xiàng)指標(biāo)不能直接用于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估模型中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

1)時(shí)延的處理：按照當(dāng)前時(shí)延占整個(gè)時(shí)延范圍內(nèi)的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

其中，tdvalue表示網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延的值，tdmin表示整個(gè)時(shí)延范圍的最小值，tdmax表示整個(gè)時(shí)延范圍的最大值。

2)丟包率的處理：按照丟包率延占整個(gè)丟包率范圍內(nèi)的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

其中，dlvalue表示網(wǎng)絡(luò)平均丟包率的值，dlmin表示整個(gè)丟包率范圍的最小值，dlmax表示整個(gè)丟包率范圍的最大值。

3)能量消耗的處理：按照剩余能量占總的能量和的比例情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

其中，ewvalue表示網(wǎng)絡(luò)平均丟能量消耗的值，ew表示剩余能量，ewtotal表示總的能量。

4)流量的處理：按照流量占整個(gè)數(shù)據(jù)流范圍內(nèi)的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

其中，tpvalue表示網(wǎng)絡(luò)平均流量，tpmin表示整個(gè)流量范圍的最小值，tpmax表示整個(gè)流量范圍的最大值。

將網(wǎng)絡(luò)評(píng)估變量，進(jìn)行上述四個(gè)步驟的處理，處理結(jié)果作為健康度評(píng)估的最終數(shù)據(jù)。

rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種三層前饋網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)輸入層、一個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層。輸入層節(jié)點(diǎn)獲取輸入向量后，傳遞輸入向量到隱含層。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

輸入層結(jié)點(diǎn)獲取輸入向量后，將其傳遞到隱含層。rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層結(jié)點(diǎn)由徑向基函數(shù)構(gòu)成，本發(fā)明，徑向基函數(shù)采用gaussian函數(shù)，而輸出層則為線性函數(shù)。建立rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題是根據(jù)給定的訓(xùn)練樣本確定徑向基函數(shù)的中心，輸入向量越靠近基函數(shù)的中心，隱含層節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)也越大。

步驟1b、基函數(shù)參數(shù)的確定

根據(jù)輸入向量確定各隱含層節(jié)點(diǎn)的高斯函數(shù)的中心值cj，具體步驟：

假設(shè)：

rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層第i個(gè)輸入向量，即xi＝[td′i,dl′i,ew′i,tp′i]^t

其中：td′i＝tdvalue，dl′i＝dlvalue，ew′i＝ewvalue，tp′i＝tpvalue

步驟1b-1、隱含層初始化，給定初始類中心cj(1),j＝1,2,...,k。

步驟1b-2、在第r次迭代中，樣本集{xi}分類方法如下：對所有的j,h＝1,2,…k,j≠h,若||xi-ch(r)||<||xi-cj(r)||，則xi∈sh(r)，其中，xi表示樣本集的第i個(gè)樣本，ch(r)為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為h時(shí)的類中心，cj(r)表示隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為j時(shí)的類中心。

步驟1b-3、令步驟1b-2中得到的sh(r)的新的類中心為ch(r+1)，下面我們使度量式的值最小。令：最小，(h＝1,2,...,k)，則其中nh為sh(r)中的樣本數(shù)，hh表示為度量式的值。。

步驟1b-4、對于全部h＝1,2,…k，若ch(r+1)＝ch(r)，則終止，否則返回step2。

步驟1c、rbf網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的確定：

假定：隱含層第j個(gè)結(jié)點(diǎn)的輸出響應(yīng)為：

其中，δ是可自選參數(shù)，決定著基函數(shù)的寬度，k是隱含層結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，||x-cj||表示向量(x-cj)的范數(shù)，gj(x)表示第j個(gè)基函數(shù)對輸入向量的響應(yīng)。

利用rbf網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的結(jié)果代入公式：

其中，根據(jù)最小二乘原則求出：gj為所有g(shù)j(x)形成的矩陣，y為所有yi形成的向量，是期望輸出向量。因此可以預(yù)測出新的數(shù)據(jù)結(jié)果，即網(wǎng)絡(luò)qos健康度。

2.基于健康度的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知

網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢是指由各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行狀況、網(wǎng)絡(luò)行為以及用戶行為等因素所構(gòu)成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)和變化趨勢。態(tài)勢強(qiáng)調(diào)環(huán)境、動(dòng)態(tài)性以及實(shí)體間的關(guān)系，是一種狀態(tài)趨勢，一種整體和宏觀的概念。

圖4為網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢分析流程圖。其中，網(wǎng)絡(luò)qos健康度的閥值th表示保證網(wǎng)絡(luò)處于健康狀態(tài)下最小能允許的qos值。th做為網(wǎng)絡(luò)qos的健康閾值，其值的設(shè)定一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，特殊條件下可以人為的設(shè)定。qos的健康閾值th的設(shè)定對網(wǎng)絡(luò)評(píng)估的影響重大，需要慎重處理。選取當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)qos健康度來分析網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的意義在于消除偶然誤差干擾對網(wǎng)絡(luò)的影響。上一時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)qos健康度評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確與否也會(huì)對網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的感知產(chǎn)生影響。

判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)qos健康度是否小于網(wǎng)絡(luò)qos健康度的閥值th，若否，則網(wǎng)絡(luò)健康，若是，則再判斷網(wǎng)絡(luò)上一刻的網(wǎng)絡(luò)qos健康度是否小于網(wǎng)絡(luò)qos健康度的閥值th，若否，則表示網(wǎng)絡(luò)健康，若是，則認(rèn)為此時(shí)是網(wǎng)絡(luò)qos健康度評(píng)估的一個(gè)誤差或網(wǎng)絡(luò)qos健康度的一個(gè)波動(dòng)，此時(shí)判定此刻網(wǎng)絡(luò)處于亞健康狀態(tài)。

3.基于網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的qos協(xié)商

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)qos協(xié)商的作用在于能夠更有利的處理控制網(wǎng)絡(luò)資源，更好的給予用戶qos支持。首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢結(jié)果，判斷本應(yīng)用的qos需求的支持情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)能夠支持時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就按照應(yīng)用qos需求給予相應(yīng)的資源。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不能支持時(shí)，通過反饋機(jī)制，與用戶進(jìn)行協(xié)商，通過將應(yīng)用qos等級(jí)或者應(yīng)用qos需求降低，從而有效的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，盡可能的保障高等級(jí)的qos需求，為用戶提供滿意的端到端的qos服務(wù)。

基于以上考慮，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)qos協(xié)商算法如下，其流程圖如圖5所示：

步驟3a、得到應(yīng)用qos映射結(jié)果，首先對結(jié)果進(jìn)行相關(guān)判別。

用戶提出的應(yīng)用通過qos映射后，得到應(yīng)用qos指標(biāo)和相應(yīng)的權(quán)值。提取出這些qos指標(biāo)，查詢在網(wǎng)絡(luò)中該項(xiàng)指標(biāo)是否與網(wǎng)絡(luò)資源中的指標(biāo)相符。如果網(wǎng)絡(luò)不存在該項(xiàng)指標(biāo)，則反饋給用戶，提示不能滿足該應(yīng)用。如果滿足則進(jìn)行下一步。

步驟3b：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)剩余資源情況，網(wǎng)絡(luò)將對通過步驟1的應(yīng)用進(jìn)行協(xié)商。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻維護(hù)本身的資源剩余情況以及網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢評(píng)估，當(dāng)步驟1判斷過的應(yīng)用到來時(shí)，比較網(wǎng)絡(luò)剩余資源與應(yīng)用qos指標(biāo)，判斷網(wǎng)絡(luò)資源能否滿足應(yīng)用需求，決策網(wǎng)絡(luò)qos的支持情況。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源滿足時(shí)，網(wǎng)絡(luò)給予應(yīng)用相應(yīng)的qos服務(wù)支持；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源不能滿足時(shí)，可以做如下處理：

3b-1、反饋給用戶，協(xié)調(diào)將應(yīng)用優(yōu)先級(jí)等級(jí)降低處理，以使網(wǎng)絡(luò)資源能夠支持。

3b-2、將該網(wǎng)絡(luò)中處于較低優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用終止，為新到來的具有高優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用留出資源。

3b-2、拒絕此次應(yīng)用，反饋用戶網(wǎng)絡(luò)不能滿足該項(xiàng)應(yīng)用。

對上述步驟3b的協(xié)商進(jìn)行實(shí)際操作，其qos協(xié)商方式如下所示：圖6為qos協(xié)商管理算法流程圖。

qnm(qos協(xié)商管理器)是連接用戶與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行qos協(xié)商的紐帶，本發(fā)明設(shè)計(jì)的qos協(xié)商方式分為兩種：靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式。

1)qos靜態(tài)協(xié)商方式：用戶在啟動(dòng)應(yīng)用程序之前先向qnm提交應(yīng)用的qos要求,qnm將之提交資源管理器申請資源,資源管理器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的資源情況確定能否滿足需要,若能,則為應(yīng)用預(yù)留資源,通知資源調(diào)度器設(shè)置相應(yīng)的調(diào)度參數(shù)并向qnm返回確認(rèn)信息,qnm隨即通知用戶并啟動(dòng)應(yīng)用,資源調(diào)度器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)調(diào)度資源滿足應(yīng)用的需要；否則,資源管理器返回拒絕信息和系統(tǒng)可提供的qos信息，qnm隨即向用戶返回拒絕信息并將系統(tǒng)建議的qos顯示在協(xié)商界面上,用戶可修改qos要求并與系統(tǒng)重新進(jìn)行qos協(xié)商；也可以等待系統(tǒng)有足夠資源時(shí)再與系統(tǒng)進(jìn)行qos協(xié)商。

2)qos動(dòng)態(tài)協(xié)商方式：用戶先啟動(dòng)應(yīng)用,而后根據(jù)系統(tǒng)提供的qos的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地輸入qos要求,qnm將之提交資源管理器協(xié)商資源分配,資源管理器再根據(jù)分配結(jié)果通知資源調(diào)度器修改相應(yīng)的調(diào)度參數(shù)。

4.動(dòng)態(tài)調(diào)整qos優(yōu)先級(jí)的分組調(diào)度

基站端調(diào)度：

4a、分配帶寬給不同的業(yè)務(wù)流

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)qos控制技術(shù)中，需要處理的應(yīng)用排隊(duì)策略：按照qos需求來進(jìn)行分類處理，包括時(shí)延、可靠性和負(fù)載等，將不同類別的應(yīng)用按照其接收的時(shí)間先后順序分別放到相應(yīng)的緩存中，等待下一步處理。

網(wǎng)絡(luò)管理器針對不同類型的業(yè)務(wù)流提供端到端的qos，其中主要有四種不同類型的業(yè)務(wù)流：主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)ugs(unsolicitedgrantedservice)，用于支持周期性產(chǎn)生的固定比特分組的試實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流；實(shí)時(shí)輪詢服務(wù)rtps(real-timepollingservices),用于支持周期性變長分組數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流；非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)nrtps(non-real-timepollingservices)，用于支持非周期、變長分組的非實(shí)時(shí)可變比特速率的服務(wù)流；盡力而為服務(wù)be(besteffort)，用于支持沒有可靠性保證的盡力而為型的業(yè)務(wù)流。如圖7所示為基于qos需求的分組隊(duì)列示意圖。

分配給rtps、nrtps和be業(yè)務(wù)流的帶寬可由下式計(jì)算：

bwi＝bw_pb×fi(14)

bw_pb＝bwall-bwugs-bwr-bwbe(15)

其中，bwi是分配給第i種業(yè)務(wù)流的總時(shí)隙，bw_pb是分配給rtps、nrtps和be業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)隙，bwall是上行鏈路子幀的傳輸總時(shí)隙，bwugs是上行鏈路子幀中分配給ug業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)隙，bwr分配給rtps和nrtps業(yè)務(wù)的輪詢時(shí)隙，bwbe是分配給be業(yè)務(wù)的帶寬請求時(shí)隙，fi是第i種服務(wù)流的帶寬計(jì)算因子。可以推出，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)量增大之后，be業(yè)務(wù)流至少會(huì)得到一部分的帶寬，這在一定程度上避免了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流的“餓死”現(xiàn)象。

4b、分配帶寬給不同的用戶

將業(yè)務(wù)流獲得的帶寬再通過最大最小公平共享(mmfs)調(diào)度算法分配給不同的用戶,該算法可以充分利用帶寬，在用戶之間公平分配帶寬。算法具體步驟如下所示：

假設(shè)：以spsm表示用戶m所獲得的帶寬，對于sps1,sps2,sps3lspsk，也就是用戶：1，2，3lk；滿足：(sps1≤sps2≤sps3l≤spsk)分別有rtps的帶寬請求：

crtps是上行鏈路中rtps業(yè)務(wù)流的總帶寬。

算法步驟：

4b-1、初始化每個(gè)用戶分配到的帶寬。

4b-2、計(jì)算剩余帶寬：crtps/k+(crtps/k-sps1)/(k-1)。

4b-3、將剩余帶寬分配給剩余的用戶。

4b-4、對剩余的用戶，重復(fù)執(zhí)行步驟4b-2和步驟4b-3。

4b-5、所有的帶寬分配完，結(jié)束，如果有用戶的rtps業(yè)務(wù)帶寬沒有被滿足，則在下一幀中繼續(xù)對其分配。

用戶端調(diào)度：

為不同的業(yè)務(wù)流設(shè)計(jì)不同的調(diào)度算法，在同一種業(yè)務(wù)流內(nèi)部的不同隊(duì)列之間進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度。rtps業(yè)務(wù)流實(shí)時(shí)性要求高，采用edf(earliestdeadlinefirst，最早截止時(shí)間優(yōu)先)算法。nrtps業(yè)務(wù)流帶寬調(diào)度時(shí)，為了保證調(diào)度的公平性，采用wfq(weightedfairqueuing，加權(quán)公平隊(duì)列)算法。為了降低be盡力而為業(yè)務(wù)流調(diào)度的復(fù)雜度并保證隊(duì)列之間調(diào)度的公平性，采用分組長度最小的包優(yōu)先調(diào)度算法

(1)edf算法

實(shí)時(shí)輪詢服務(wù)對于時(shí)延比較敏感，所以應(yīng)用保證時(shí)延的最早時(shí)限優(yōu)先算法(edf)，保證rtps業(yè)務(wù)流的實(shí)時(shí)性。edf算法優(yōu)先調(diào)度死限時(shí)間最早的包。其中，tdeadline表示包的死限時(shí)間，tarrive表示隊(duì)列中包的到達(dá)時(shí)間，tmaxdelay表示包允許的最大時(shí)延，tc表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間，計(jì)算出δt的時(shí)間，將隊(duì)列中的包按照δt從小到大的順序排列。

tdeadline＝tarrive+tmaxdelay(16)

δt＝tdeadline-tc(17)

(2)加權(quán)公平隊(duì)列算法(wfq)算法

非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)隊(duì)列采用以速率為權(quán)重的加權(quán)公平隊(duì)列算法(wfq)算法，以保證nrtps服務(wù)流調(diào)度的公平性。本發(fā)明中的wfq算法，計(jì)算每個(gè)隊(duì)列中包的到達(dá)速率作為wfq算法中的權(quán)重，給鏈路狀態(tài)好的鏈接分配較大的權(quán)值，在每個(gè)隊(duì)列之間獲得了較好的公平性，將更多的帶寬資源分配給鏈路狀態(tài)好的連接。

(3)分組長度最小的包優(yōu)先調(diào)度算法

盡力而為服務(wù)隊(duì)列采用分組長度最小的包進(jìn)行優(yōu)先調(diào)度的方法，這可以在一定程度上避免be中長分組的服務(wù)時(shí)間長，造成對短分組服務(wù)流服務(wù)的不公平性。