CN101895955B - 一种面向无线多媒体传感器网络的多路分级路由方法 - Google Patents

Abstract

一种面向无线多媒体传感器网络的多路分级路由方法，是一种针对无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)中多媒体数据流传输的技术方案，主要用于解决多媒体流实时性传输的问题，并尽可能延长网络生存周期，其特征是采用多径并发传输无线多媒体传感器网络中从源节点到目的节点的数据，并且采用分级的能量感知路由协议，对多媒体流的特殊性作了区分服务，向其提供更高的服务质量。

Description

一种面向无线多媒体传感器网络的多路分级路由方法

技术领域

本发明是一种针对无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia SensorNetworks，WMSN)中多媒体数据流传输的技术方案，主要用于解决多媒体流实时性传输的问题，并尽可能延长网络生存周期，属于计算机无线通信技术领域。

背景技术

近些年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)路由技术主要集中于针对传输标量数据。最近，在传统的无线传感器网络中加入了视频音频流(即多媒体流)的传输，同时还有标量数据(比如温度，湿度等)的传输，对传统的无线传感器路由协议提出了新的挑战。

路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径传输。其中地理位置路由协议为常用的路由协议的一种，在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。传统的WSN中的地理路由协议有：(1)GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)路由机制，它根据事件区域的地理位置信息，建立汇聚节点到事件区域的优化路径，避免了洪泛传播方式，从而减少了路由建立的开销。(2)GEM(Graph Embedding)路由是一种适用于数据中心存储方式的地理路由。它不依赖于节点精确的位置信息。采用虚拟极坐标的方法能够简单地将网络实际拓扑信息映射到一个易于进行路由处理的逻辑拓扑中，而且不改变节点间的相对位置。由于采用了带环树结构，实际网络拓扑发生变化时，树的调整比较复杂，因此GEM路由适用于拓扑结构相对稳定的传感器网络。(3)边界定位的地理路由，利用信标节点，它与GEAR路由相比，只需要知道很少节点的精确位置信息，减少了对传感器节点功能的要求，降低了传感器网络的部署成本。但为了确定全局坐标系和节点在坐标系中的位置信息，节点需要进行大量的信息交换，通信开销很大。GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)是适用于无线传感器网络的，但是存在路由空洞现象。而且，以上四种路由均为单径路由，对于传统的传感器网络传输的标量数据是合适，然而对于大数据量的多媒体数据流是不合适的。目前已有提出一些基于地理位置的多径路由协议比如TPGF(Two Phasegeographical Greedy Forwarding)，致力于找到最短的从源节点到目的节点不相交路径，然而并不是所有的不相交路径都适合传输多媒体流数据，因为其选择下一跳时仅仅考虑距离，即把距离目标节点最近的作为下一跳，没有考虑节点能量问题，很可能在该路径中出现节点剩余能量不多的情景，一旦节点能量耗尽，该路径将瘫痪。这样最短路径就成为了最不安全的路径。多径路由协议的提出，延长了网络生存周期，增大了网络吞吐量。但是，没有针对多媒体流的特殊要求，而把多媒体流与一般的标量数据归为一类数据而不加区分的传输，这对多媒体流的传输没有特别的优势。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种面向无线多媒体传感器网络的多路分级路

由方法，来解决多媒体流对于实时性要求高的问题。通过使用本发明提出的方法可以提高多媒体数据流传输实时性，增大网络吞吐量并延长网络生存周期。

技术方案：本发明的方法是一种改进性的方法，分级的多径路由协议主要为的任务是解决多媒体流对于传输实时性要求较高的需求。另外可以尽可能多的利用传感器网络节点，延长生存周期，增大网络吞吐量。

一、体系结构

本方法是基于地理位置路由协议的多径路由协议，并存此基础上提出区分服务的要求，不仅能够延长网络生存周期，减少网络拥塞和包冲突，提高网络吞吐量，并且根据多媒体流的具体特点，在此基础上更进一步，通过区分服务机制，应用分级路由的方法，更好的保障了多媒体流的实时性，提高网络传输的稳定性，使网络变的更加可靠。本方法是基于地理位置的能量感知的分级路由协议，我们假设这个传感器网络(WSN)可用图G(V，E)来表示，这里V＝{v₁，v₂，......，v_n}，是一个由有限传感器节点组成的集合；E＝{e₁，e₂，......，e_n}，是一个由有限连接组成的集合。基站是随机部署的，每个传感器节点和基站的位置是固定的，可以用全球定位系统(Global Position System，GPS)来获得。每个节点有三种状态：1)活节点并且可用；2)活节点但不可用；3)死节点。每个连接有两种状态：可用的和不可用的；我们假设只有源节点知道基站的位置，其他节点只能通过从源节点发来的探索包携带的信息中知道基站的位置信息；

其具体步骤如下：(1)建立邻居节点表；无线传感器网络中的每个节点通过洪泛的方式，定期向邻居节点报告自己的相关信息，包括节点自身的地理位置信息和自己的剩余能量信息。(2)建立多条到达目标节点的多条路由；源节点通过向目标节点发送Hello包，寻找从源节点到目的节点的节点不相交路径。这个步骤包括个部分：a)初步建立一条路由；b)对所建立的该条路由进行优化，使之成为最短路由；c)重复执行前两部分的功能，找到多条从源节点至目的节点的路径；(3)数据流的传输；根据数据流的种类和其特性选择最佳的路由进行数据传输；

二、方法流程

本方法包括以上所述3个步骤，详细论述如下：

(一)：建立邻居节点表；无线传感器网络中的每个传感器节点定期的通过洪泛的方式向其一跳范围内的所有邻居节点广播其自身信息，广播的信息包括：节点自身的坐标位置以及节点的剩余能量；每个节点收到邻居节点的洪泛信息后，根据一定法则更新其邻居节点路由表。这里，邻居节点表的表结构为：邻居节点ID；节点位置信息；节点剩余能量；节点状态；节点所在路径号。这里，节点状态分为：活的节点且可用和活的节点且不可用；路径号从0开始依次往上加，初始路径号为-1。且我们规定路径号为0的路径级别最高。

(二)：建立多条路由；本步骤分两个阶段：贪心转发阶段和路径优化阶段；

贪心转发阶段：

本阶段负责寻找一条从源节点到目的节点的路径。该阶段又有两种方法：a)贪心转发；b)回溯法；

贪心转发：在所有邻居节点中选择估计代价最小的节点作为探索包转发的下一跳节点；这里节点估计代价的计算公式是：C(N，D)＝αb(N，D)+(1-α)e(N)，0＜a≤1。其中：C(N，D)为到目标节点的估计代价；d(N，D)为本节点距离目标节点的距离；e(N)为节点的剩余能量；选择C(N，D)最小的作为下一条节点；该式中d(N，D)和e(N)都是归一化的参数值；距离目标节点越近、剩余能量越多，该节点的代价值越小。

回溯法：因为在探索包的贪心转发过程中，会有这样一种情况发生，有些节点除了上一跳节点以外，没有可用的下一跳节点转发探索包。这样的节点我们定义为阻塞节点，如图1所示。“回溯法”就是为了解决这个阻塞节点的问题。当某个节点发现它自己是阻塞节点的时候，将会通知上一跳节点并标注自己为阻塞节点。上一跳节点受到阻塞节点信息后，将会根据最小代价原则重新选择下一跳节点。“回溯法”可被重复执行直到节点能成功选择合适的下一跳节点，再次回到“贪心转发”过程上来。

这里，阻塞节点的情况有几种情况：a)本节点除了上一跳节点以外，再没有其他节点作为其一跳以内的邻居节点；b)本节点除了上一跳节点以外，其他一跳以内的邻居节点被其他路径占用而成了“活的不可用节点”，c)当路径中遇到路由环路时，路由环路起点处的传感器节点将其下一跳节点置为其阻塞节点；d)当该节点与其上一跳互为下一跳时，也就是说，其上一跳节点也是该节点最优的下一跳节点，此时会导致死循环，解决的办法就是将该节点设置为阻塞节点。

路径优化阶段：

本阶段负责优化已经找到的某条路径，使该路径上包含最少数目的节点，这样使源节点到目的节点之间的跳数最少。本阶段通过目的节点回送的确认信息来进行优化。首先介绍一下路径环的概念，如图2所示，对于任一条无线传感器中的路径，如果该路径中有两个或两个以上的节点时另一个节点的邻居节点，我们就认为该路径中就存在一个“路径环”。路径环的存在，增加了从源节点至源节点之间不必要的跳数。消除路径环可以大大减少路径上的节点数目。这样就能使该路径拥有最少数目的节点，即从源节点至目的节点拥有最少数目的跳数。

详细优化步骤如下：首先，在第一阶段发送探索包寻找新路径的过程中，事先给每个被选中的节点打上标签，标注法节点的路径号和节点序号，这里的节点序号按从源节点到目的节点的方向上是递增的顺序。

其次，在本方法中，无论该路径是否到达目的节点，都会有一个确认信息回送给源节点。在确认信息在回送过程中，事先打好的标签被用来消除路径环。其原则是：路径中的任意节点只给这样一个一跳范围内的节点发送确认信息，该节点具有与之有相同的路径号并且节点序号最小。这样便可消除路径环，减少源节点至目的节点之间不必要的跳数，最终确定一条最短路径。

最后，一个释放指令将会被发送给那些该路径中没有用来传输数据的节点。这些被释放的节点可重新用来作为下一次选路时用。

通过以上两个阶段的过程，可建立一条从源节点到目标节点的最小代价路径。重复这两阶段的过程便会找到所有从源节点到目标节点的路径。

(三)，数据流的传输；主要针对多媒体流的特性要求，运用区分服务的理念。给多媒体流提供最优的传输路径。根据数据流的不同优先级别选择不同的路由进行传输，满足QoS(Quality of Service，QoS)要求。

步骤(1)：在应用层，对传感器节点所有要传输的数据(包括多媒体数据和其他标量数据)进行区分，并且对不同数据流标以优先级，这里，我们规定多媒体流的优先级最高，标量数据最低。

步骤(2)：在路由层根据所要传输的数据流的不同优先级，选择不同路由来进行传输。若该数据流的级别比较高，则选择级别高的路径来传输，若该数据流的级别较低，则选择级别比较低的路径来传输。

有益效果：本发明方法提出了一种基于地理位置的能量感知分级路由协议，主要用于解决多媒体传感器网络传输数据量大带来的网络生存周期短的问题，以及满足多媒体数据对于实时性的要求。无线多媒体网络通过使用本发明提出的方法，可以解决因为大数据量传输带来的网络生存周期短、由网络拥塞和数据包冲突严重导致的网络吞吐量大大降低的问题，以及多媒体流数据对于低延时高可靠性要求高的问题。达到分布能量消耗(即负载平衡)，延长网络生存周期，确保多媒体数据传输的实时性和可靠性。下面我们给出具体的说明：

能量高效性：本发明中的每一条路径都是经过优化之后的最短路由，跳数最少(或接近最少)，因而整条路径的耗能就被尽可能的降到最低。同时，由于采用了多径传输的方式，使得无线多媒体传感器网络能够尽可能多的使用网络中的节点，分布能量消耗达到负载平衡，从而延长网络生存周期。

实时性：首先，由于每条路径都是优化之后的最短路径，每条路径的跳数最小，这样就使得端到端的延时最小，有利于数据的实时性传输。同时，由于采用的是分级路由机制，多于多媒体数据流进行特别保护，让其通过最优路径传输，确保其有较低的延时。再者，因为采用多径传输，减少了网络拥塞和包冲突，对实时传输也有很好的帮助。

可靠性：由于本方法采用的分级的能量感知路由，对于多媒体数据来说，总是选择路径最短、路径中每个节点剩余能量最多的路径，对于多媒体的传输提供的可靠的保障。采用多径分级传输，避免了对多媒体流的传输的干扰，提高出传输可靠性。

附图说明

图1是阻塞节点的示意图。图中，节点b为阻塞节点，寻路过程将重新回到节点a，节点a在其邻居节点表中将b设置为阻塞节点，重新选择可用的下一跳节点寻路。

图2是路径环的示意图。如图，节点a，b，c构成了路径环，实际上，节点a可以直接将数据包转发给c而不用经过a。消除路径环后，路径上节点数目将大大减少，即减少了从源节点至目的节点之间的跳数。

图3是本发明方法路径优化阶段的示意图。图中：P3为路径号，表示该路径为3号路径，后面的数字为节点在该路径中的编号，源节点默认为0。例如，P3：4表示3号路径上的编号为4的传感器节点。

图4是根据数据流优先级进行路由选择的示意图。

图5是寻找一条从源节点至目的节点的最短路径的算法流程图。

图6是本发明方法的整个流程图。

具体实施方式

本方法是基于地理位置的能量感知分级路由协议，我们假设这个传感器网络(WSN)可用图G(V，E)来表示，这里V＝{v₁，v₂，......，v_n}，是一个由有限传感器节点组成的集合；E＝{e₁，e₂，......，e_n}，是一个由有限连接组成的集合。基站是随机部署的，每个传感器节点和基站的位置是固定的，可以用全球定位系统(Global PositionSystem，GPS)来获得。每个节点有三种状态：1)活节点并且可用；2)活节点但不可用；3)死节点。每个连接有两种状态：可用的和不可用的；我们假设只有源节点知道基站的位置，其他节点只能通过从源节点发来的探索包携带的信息中知道基站的位置信息；本方法实施分三个阶段：i)邻居节点表的建立；ii)能量感知多径路由的发现；iii)数据传输阶段；现具体描述如下：

第一阶段：邻居节点表的建立

传感器网络部署完成后，网络中的每个节点通过定期洪泛的方式，向其一跳以内的邻居节点广播节点自身信息。广播的信息包括：节点自身ID；节点自身的位置信息；节点自身状态；节点所在路径号；

这里，节点自身状态包括两种：即活的且可用(非阻塞节点)、活的且不可用(阻塞节点)。具体的说，第一种节点，它是活节点且没有被其他节点使用，且在路径发现过程中(自身不是目的节点)除了上一跳节点邻居节点外，还有可选的下一跳用来转发探索包；第二种节点，节点是活的，或者是由于被其他路径占用，而不能被其他路径用来建立路径，即是不可用的。或者是在路径发现过程中(自身不是目的节点)，除了其上一跳节点以外，没有其他可用的邻居节点，即被叫做阻塞节点的情况。节点路径号其初始值设为-1，表示未被任何路径占用。路径号是从0开始的整数。且我们规定路径级别从路径号为0的路径递减。

每个节点收到邻居节点的洪泛信息后将邻居节点ID加入邻居节点表中，并存储该邻居节点的相关信息，邻居节点表结构为：邻居节点ID；邻居节点位置信息；邻居节点剩余能量；邻居节点状态；邻居节点所在路径号。

节点通过洪泛的方式，可以建立和更新路由表。这里我们假设全网是时钟同步的。也就是说，每个节点洪泛的时间和时间间隔都是相同的。其过程表述如下：当节点收到邻居节点的洪泛数据包时，首先将数据包源的ID提取出来，并对自身建立的邻居节点表进行查表，分三种情况：a)若已经存在该节点，则更新该邻居节点的节点表信息，然后丢弃该数据包，b)若邻居节点表中没有该节点ID，则将其加入邻居节点表，并记录其位置信息、节点状态信息和节点所在路径号。c)若大于某个时间阈值(由事先设定好的)未收到某个节点的洪泛信息，就会将该节点所有信息从邻居节点表中删掉。

通过这个阶段就建立了邻居节点表，以备后面路由发现阶段用。

第二阶段：能量感知多径分级路由的建立

这个步骤分两个阶段：贪心转发阶段和路径优化阶段；

贪心转发阶段：

本阶段负责寻找一条从源节点到目的节点的路径。该阶段又有两种方法：a)贪心转发；b)回溯法；

贪心转发：该方法的原则是：贪心转发：就是在选择每个下一跳时都采用贪心的策略，也即总是选择最优的节点作为下一跳节点。这里，最优的标准就是估计代价最小。在所有邻居节点中选择估计代价最小的节点作为探索包转发的下一跳节点；这里节点估计代价的计算公式是：C(N，D)＝αd(N，D)+(1-α)e(N)，0＜a≤1。其中：C(N，D)为到目标节点的估计代价；d(N，D)为本节点距离目标节点的距离；e(N)为节点的剩余能量；选择C(N，D)最小的作为下一条节点；该式中d(N，D)和e(N)都是归一化的参数值；距离目标节点越近、剩余能量越多，该节点的代价值越小。

回溯法：因为在探索包的贪心转发过程中，会有这样一种情况发生，有些节点除了上一跳以外，没有可用的下一跳节点转发探索包。这样的节点我们定义为阻塞节点。为了解决这个阻塞节点问题，可通过“回溯法”的方法。当某个节点发现它自己是阻塞节点的时候，将会通知上一跳节点把自己标注为阻塞节点。上一跳节点受到阻塞节点信息后，将会根据最小代价原则重新选择下一跳节点。“回溯法”可被重复执行直到节点能成功选择合适的下一跳节点，回到“贪心转发”上来。

路径优化阶段：

本阶段负责优化已经找到的某条路径，使该路径上包含最少数目的节点，这样减少网络延时。本阶段运用一种方法：标签优化。首先介绍一下路径环的概念。对于任一条无线传感器中的路径，如果该路径中有两个或两个以上的节点时另一个节点的邻居节点，我们就认为该路径中就存在一个“路径环”。可以通过减少该路径上的节点数目来消除路径环。这样就能使该路径拥有最少数目的节点。

路径优化步骤：首先，在第一阶段发送探索包寻找新路径的过程中，给每个被选中的节点打上标签，标注该节点的路径号和节点序号，这里的节点序号按从源节点到目的节点的方向上是递减的顺序。其次，在本方法中，无论该路径是否到达目的节点，都会有一个确认信息回送给源节点。在确认信息在回送过程中，前面打上的标签被用来消除路径环。其原则是：路径中的任意节点只给这样一个一跳范围内的节点发送确认信息，该节点具有与之有相同的路径号并且节点序号最小。这样就消除了路径环，减少了路径上的节点数目，最终确定一条最短路径。最后，一个释放命令将会被发送给那些该路径中没有用来传输数据的节点。这些被释放的节点可重新用来作为下一次寻路时用。

通过以上两个阶段的过程，可建立一条从源节点到目标节点的最小代价路径。重复这两阶段的过程便会找到所有从源节点到目标节点的多条路径。

(三)，数据流的传输

主要针对多媒体流的特性要求，运用区分服务的理念。给多媒体流提供最优的传输路径。根据数据流的不同优先级别选择不同的路由进行传输，满足QoS(Quality ofService，QoS)要求。

步骤(1)：在应用层，对传感器节点所有要传输的数据(包括多媒体数据和其他标量数据)进行区分，并且对不同数据流标以优先级，这里，我们规定多媒体流的优先级最高，标量数据最低。

步骤(2)：在路由层根据所要传输的数据流的不同优先级，选择不同路由来进行传输。若该数据流的级别比较高，则选择级别高的路径来传输，若该数据流的级别较低，则选择级别比较低的路径来传输。

Claims (1)

1.一种面向无线多媒体传感器网络的多路分级路由方法，其特征是采用多径并发传输无线多媒体传感器网络中从源节点到目的节点的数据，并且采用分级的能量感知路由协议，对多媒体流的特殊性作了区分服务，向其提供更高的服务质量，具体如下：

1)建立邻居节点表；无线传感器网络中的每个节点通过洪泛的方式，定期向邻居节点报告自己的相关信息，包括与目标节点的实际距离和自己的剩余能量信息；每个节点收到邻居节点的洪泛信息后将邻居节点ID加入邻居节点表中，并存储该邻居节点的相关信息，邻居节点表结构为：邻居节点ID；节点经度坐标；节点纬度坐标；节点剩余能量；节点状态；节点所在路径号；

对于节点通过洪泛的方式，建立和更新路由表，其过程为：当节点收到邻居节点的洪泛数据包时，首先将数据包源的ID提取出来，并对自身建立的邻居节点表进行查表，分三种情况：a)若已经存在该节点，则更新该邻居节点节点表信息，然后丢弃该数据包，b)若邻居节点表中没有该节点ID，则将其加入邻居节点表，并记录其位置信息、节点状态信息和节点所在路径号，c)若大于某个时间阈值未收到某个节点的洪泛信息，就会将该节点所有信息从邻居节点表中删掉；

2)建立多条从源节点至目标节点的多条路由；源节点通过向目标节点发送Hello包，寻找从源节点到目的节点的节点不相交路径；这个步骤包括：a)贪心转发阶段；

b)对所建立路由进行优化，使之成为最短路由；

贪心转发阶段：本阶段负责寻找一条从源节点到目的节点的路径，该阶段又有两种方法：

a1)贪心转发：就是在选择每个下一跳时都采用贪心的策略，也即总是选择最优的节点作为下一跳节点，这里，最优的标准就是代价最小；

在所有邻居节点中选择估计代价最小的节点作为探索包转发的下一跳节点；这里节点估计代价的计算公式是：C(N，D)＝ad(N，D)+(1-a)e(N)，0＜a≤1；其中：C(N，D)为到目标节点的估计代价；d(N，D)为本节点距离目标节点的距离；e(N)为节点的剩余能量；选择C(N，D)最小的作为下一条节点；该式中d(N，D)和e(N)都是归一化的参数值；距离目标节点越近、剩余能量越多，该节点的代价值越小； 

a2)回溯法：在探索包的贪心转发过程中，如果遇到阻塞节点，则采用“回溯法”，当某个节点发现它自己是阻塞节点的时候，将会通知上一跳节点并标注自己为阻塞节点，上一跳节点收到阻塞节点信息后，将会根据最小代价原则重新选择下一跳节点，“回溯法”可被重复执行直到节点能成功选择合适的下一跳节点，回到“贪心转发”上来；

路径优化阶段：

本阶段负责优化已经找到的某条路径，使该路径上包含最少数目的节点，这样减少网络延时，本阶段运用一种标签优化方法，主要通过标签优化的方法消除路径环，使该路径拥有最少数目的节点；

首先，在第一阶段发送探索包寻找新路径的过程中，给每个被选中的节点打上标签，标注该节点的路径号和节点序号，这里的节点序号按从源节点到目的节点的方向上是递增的顺序；其次，在本方法中，无论该路径是否到达目的节点，都会有一个确认信息回送给源节点；在确认信息在回送过程中，之前打上的标签被用来消除路径环；其原则是：路径中的任意节点只给这样一个一跳范围内的节点发送确认信息，该节点具有与之有相同的路径号并且节点序号最大，最终确定一条最短路径，最后，一个释放命令将会被发送给那些该路径中没有用来传输数据的节点，这些被释放的节点可重新用来作为下一条路径用；

通过以上两个阶段的过程，可建立一条从源节点到目标节点的最小代价路径，重复这两阶段的过程便会找到所有从源节点到目标节点的路径；

3)数据流的传输

步骤1：在应用层，对传感器节点所有要传输的数据包括多媒体数据和其他标量数据进行区分，并且对不同数据流标以优先级，这里，规定多媒体流的优先级最高，标量数据最低；

步骤2：在路由层根据所要传输的数据流的不同优先级，选择不同路由来进行传输；若该数据流的级别高，则选择级别高的路径来传输，若该数据流的级别低，则选择级别低的路径来传输。 

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