CN102083162B - 基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，包括以下步骤：1）网络节点以占空比的睡眠调度方法调节自身所处的状态；2）以贪婪策略发现源节点到基站的多条节点不相交的最短路径，所述贪婪策略为：当前节点从其一跳与两跳邻居节点中选择距离基站最近的节点作为转发节点。本发明利用一跳与两跳邻居节点信息建立从源节点到基站的多条节点不相交最短路由，保证多媒体信息的及时、可靠传输，避免了因路由空洞和个别路径失效带来的数据传输失败。同时以占空比的睡眠调度机制来控制整个网络的连通度，保证节点的能量能够有效地用来传输数据，减少空闲监听的不必要能耗，最大化利用节点，提高网络资源的利用率，延长网络寿命。

Description

基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法
技术领域
本发明属于无线多媒体传感器网络领域，具体涉及一种基于QoS(Quality ofService)的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法。该方法为无线多媒体传感网的流媒体信息提供高效、及时的数据传输路由，并可有效地避免路由空洞现象。
背景技术
无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)是在无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)的基础上发展起来的一种新型传感器网络。无线多媒体传感器网络通过装备低成本的摄像头和麦克风等简单设备的传感器节点采集周边环境音频、视频和图像等数据，加以数据压缩和融合后，再通过传感器网络传输到基站，实现全面、有效的环境监测。多媒体传感器网络能更准确地监控现实世界，在战场监控、环境监测、安全监控、交通监控、智能家居、医疗卫生等领域具有非常广阔的应用前景和很高的应用价值。
WMSNs将WSNs的自组织、无人值守等优点和多媒体技术感知媒体丰富等优势有机地结合起来。一方面具备传统的自组织、多跳路由、资源受限等共性特点，另一方面在能耗分布、QoS要求、传感器模型等方面具有显著的个性化特点，如网络能力增强，节点处理能力提高至数十甚至数百兆，存储能力增至MB量级；感知媒体丰富，音频、视频、图像等多种类型数据共存于多媒体传感器网络中；处理复杂任务，音频、视频、图像信息丰富且格式复杂，可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。
与传统的传感器网络技术相比，它更多关注于音频、视频、图像等大数据量媒体的采集、处理与传输，在能量、时延等资源上受到了更大的限制，使得支持实时可靠的大数据流的多媒体传输相当困难，因此迫切需要设计新的适用于多媒体传感器网络的具有服务质量(QoS)保证的路由协议，从而实现实时、可靠、有效的流媒体信息传输。
当前QoS问题的研究主要集中在传统传感器网络，专门针对多媒体传感器网络的QoS协议研究较少，而传统传感器网络的QoS协议不能完全适应多媒体传感器网络，综合考虑能量、覆盖、感知等因素，需要对多媒体传感器网络的QoS问题做进一步研究。
经对现有文献检索发现，相关文献如下：
1.E Gürses于2005年在《Annales des Télécommunications》发表了名为“Multimedia communication in wireless sensor networks”的文章，设计了一种基于QoS的具有地理位置感知和多路由保障的路由协议大大提升了无线多媒体传感器网络的网络性能，但只是提出了思想，并无具体实现。另外一方面，如何建立综合评价模型也是一个亟待解决的问题，该模型必须综合考虑能耗、实时性、可靠性等因素，同时必须对不同服务质量要求有很好的适应性；并指出协议的跨层设计也是提高网络性能的一个非常有效的手段。
2.Felemban在2006年于《Proc of IEEE Infocom’05》发表了一篇“Probabilistic QoS Guarantee in Reliability and Timeliness Domains inWireless Sensor Networks”的文章，提出了MMSPEED(Multi-Path andMulti-SPEED Routing Protocol)路由协议，该协议同时考虑了实时性和可靠性要求，采用MAC层和网络层跨层设计思想，采用局部算法和多路由机制，具有非常好的QoS性能和可扩展性，能提供对流媒体的良好支持，较好地适应了多媒体传感器网络中图像、视频数据对实时性和可靠性的要求。但是其算法较复杂，能耗较大，限制了其在传感器网络中的广泛应用。
3.Suman Nath于2007年在“the 6th international conference onInformation processing in sensor networks(IPSN 2007)”上，发表了“Communicating via fireflies：geographic routing on duty-cycledsensors”，一文，提出了网络节点以占空比调度睡眠的机制来延长网络寿命的CKN(Connected k-Neighborhood)算法，并讨论了在这种网络机制下给予地理位置信息的路由策略。CKN算法要求每个节点必需有至少k个活动状态邻居节点才能进入睡眠状态，以保证整个网络是k连通的。
4.Zhuxiu Yuan于2010年名为“Insights on Energy Consumption of theCKN Sleep Scheduling Algorithm in Wireless Sensor Networks”的一篇论文中提出了CKN+的算法，对CKN算法进行了改进。该文中将节点的剩余能量水平作为睡眠调度的判断标准，可以避免部分节点过度消耗而失效造成的网络不可用。
5.Lei Shu在2010年在《Telecommunieation Systems》中发表了“TPGF：geographic routing in wireless mult imedia sensor networks”一文，提出针对无线多媒体传感器网络的TPGF(Two-Phase geographic Greedy Forwarding)多路径协议，利用节点的一跳邻居节点信息发现路由，避免了局部优化问题，并可以有效发现最短路径、降低路由时延，并且实现了在路由空洞存在的情况下路由的发现。但是对网络能耗这一因素尚未考虑。
综上所述，虽然多路径路由研究取得了很大进展并且在越来越多的应用中表现出较好性能，但还有一些问题有待于进一步研究：
1.对现实中通信存在的各种因素，如干扰、空闲监听等的影响给与考虑，提高多路径路由的可靠性和可扩展性；
2.充分利用节点能量，提高网络资源的利用率，发掘更优的传输机制，减少因某些节点的过度消耗而引起的网络的不可用，提高网络能量效率；
3.多径路由依旧采用“最小跳数”路由选择机制。很多研究显示最小跳数、最小代价并不能提供全局最优的保证，因此有必要对下一跳节点依据最小跳数、最小代价来进行选择的机制进行改进。在降低能耗与保证QoS之间找到最佳的平衡点。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和空白，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可应用于无线多媒体传感器网络的基于QoS的贪婪多路径路由方法，该方法以充分利用网络节点的能量以延长网络寿命和提高数据传输的可靠性、及时性为主要目标。在已获取节点的一跳与两跳邻节点信息的情况下，利用贪婪策略发现从源节点到基站的多条最短(或接近最短)路径，以保证多媒体信息的及时、可靠地传输；同时，网络节点采用基于占空比的睡眠调度机制来充分利用节点的能量，减少空闲监听等不必要的能耗，延长网络寿命，以保证信息的持续传输。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)网络节点以占空比的睡眠调度方法调节自身所处的状态；
2)以贪婪策略发现源节点到基站的多条节点不相交的最短路径，所述贪婪策略为：当前节点从其一跳与两跳邻居节点中选择距离基站最近的节点作为转发节点。
前述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：在所述步骤1)中，所述占空比的睡眠方法基于节点的剩余能量调节节点的状态，即睡眠与活动状态，节点处于睡眠状态记为不可用，处于活动状态记为可用，避免部分节点过度消耗而失效影响整个网络的连通度和数据的及时、可靠地传输。
前述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：在步骤2)中，对已用邻居节点的ID号作已占用标记，在未被重新释放该ID号前，该ID号的标记节点不可再次被使用。这样重复贪婪策略的路由方法就可以发现多条节点不相交最短路径。
前述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：在所述睡眠调度方法中需要获取的相关信息包括：源节点、当前节点、当前节点的一跳及两跳邻居节点和基站的地理位置信息，以及网络中各节点的剩余能量水平，并根据CKN+算法(Connected k-Neighborhood Plus)判断各节点所应处于的状态。
前述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：所述步骤2)包括路由发现阶段与路由优化阶段，
路由发现阶段的具体步骤为：
步骤1.当前节点检查其是否存在可用的一跳邻居节点，若不存在可用一跳邻居节点，则当前节点发送非确认帧；若存在，判断基站是否在当前节点一跳范围内，若在其一跳范围内，则直接建立路径，否则转入步骤2；
步骤2.判断基站是否在当前节点的两跳范围内，若在两跳范围内，则当前节点需从其一跳邻居节点中寻找距离基站最近的节点作为下一跳转发节点；若不在当前节点的两跳范围内，则转入步骤3；
步骤3.若基站不在当前节点的两跳范围内，则判断当前节点是否存在可用的一跳、两跳邻居节点，若存在，则从可用的一跳、两跳邻居节点中选择距离基站最近的一跳或两跳邻居节点作为中间转发节点；否则，回溯到当前节点的前一节点处，重复路由发现过程直到建立源节点到基站的路径，一旦建立路径，基站通过建立的路径发送确认帧到源节点。
路由优化阶段，用于解决路由发现过程出现的环路问题，并释放被标记但未构成路径的节点。
本发明所达到的有益效果是：本发明引入了占空比的睡眠调度机制，减少了空闲监听的能耗和路径间的干扰，充分利用节点能量，提高网络资源的利用率，延长整个网络的寿命；利用节点的一跳和两跳邻居节点信息，通过贪婪路由的方法发现源节点到基站的多条节点不相交的最短路径，避免了路由空洞，并减小传输延迟，达到降低能耗与保证QoS之间的均衡。
附图说明
图1为本发明无线多媒体传感器网络多路径路由协议的流程图；
图2为本发明中源节点与基站之间距离较远时的场景示意图；
图3为本发明中源节点与基站之间距离较近时的场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，以本发明无线多媒体传感器网络基于QoS的贪婪多路径路由方法的流程图来说明本发明的多路径路由的建立过程。当源节点有数据需要发送时，源节点首先检查其是否存在可用的一跳邻居节点。若不存在可用一跳邻居节点，则当前节点发送非确认帧；若存在，判断基站是否在当前节点一跳范围内，若在其一跳范围内，则直接建立路径，否则判断基站是否在当前节点的两跳范围内。若在两跳范围内，则当前节点需从其一跳邻居节点中寻找距离基站最近的节点作为下一跳转发节点；若不在当前节点的两跳范围内，则判断当前节点是否存在可用的一跳、两跳邻居节点。若存在，则从可用的一跳、两跳邻居节点中选择距离基站最近的一跳或两跳邻居节点作为中间转发节点；否则，回溯到当前节点的前一节点处，重复路由发现过程。一旦建立源节点到基站的路由，基站发送确认帧到源节点，并对路由发现过程中出现的环路问题进行优化，释放被标记ID号的但未出现在路径中的节点。
如图2、图3所示，根据源节点与基站之间的距离的远近可以分为图示的两种情况。对图示的两种场景，本发明的路由方法均可使用。
利用上述路由方法的步骤2)中，可通过计算得到在给定k值和任意两节点间S、D距离为d(d＞r)时，建立从S到D的贪婪路由的所需的时间轮数，具体计算方法为：
若将节点间一跳距离分为t≥2等分，设i＝0，1，...，t-2，设节点的传输半径为r，设当前节点有m个一跳与两跳邻居节点，设q为当前节点的一跳或两跳邻居节点更靠近节点D的概率，fi为随机的一跳或两跳邻居节点靠近节点D至少为距离z的概率，其中
Figure BDA0000044762270000071
有以下两种情况：
(1)当S、D之间的距离较远的场景：
计算可得：
Figure BDA0000044762270000081
Figure BDA0000044762270000082
(2)当S、D之间的距离较近的场景：
计算可得：
Figure BDA0000044762270000084
其中
Figure BDA0000044762270000085
假设当前节点共有mu个一跳与两跳邻居节点，则mu∈[k，kk]，设为若当前节点通过从mu个邻居节点中选取其中一个节点作下一跳后，可靠近节点D的距离范围在
Figure BDA0000044762270000087
内的概率，计算可得
Figure BDA0000044762270000088
将上述两种场景计算得到的fi代入便可分别得到其
Figure BDA0000044762270000089
值。
利用CKN算法中已有计算公式和关于时间轮数的定义，代入两种场景得到的
Figure BDA00000447622700000810
值，可知：
当给定k值和任意两节点间S、D距离为d(d＞r)时，建立从S到D的贪婪路由的所需的时间轮数上下限范围为
Figure BDA00000447622700000811
以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）网络节点以占空比的睡眠调度方法调节自身所处的状态；
2）以贪婪策略发现源节点到基站的多条节点不相交的最短路径，所述贪婪策略为：当前节点从其一跳与两跳邻居节点中选择距离基站最近的节点作为转发节点，包括路由发现阶段与路由优化阶段，其中路由发现阶段的具体步骤为：
步骤1.当前节点检查其是否存在可用的一跳邻居节点，若不存在可用一跳邻居节点，则当前节点发送非确认帧；若存在，判断基站是否在当前节点一跳范围内，若在其一跳范围内，则直接建立路径，否则转入步骤2；
步骤2.判断基站是否在当前节点的两跳范围内，若在两跳范围内，则当前节点需从其一跳邻居节点中寻找距离基站最近的节点作为下一跳转发节点；若不在当前节点的两跳范围内，则转入步骤3；
步骤3.若基站不在当前节点的两跳范围内，则判断当前节点是否存在可用的一跳、两跳邻居节点，若存在，则从可用的一跳、两跳邻居节点中选择距离基站最近的一跳或两跳邻居节点作为中间转发节点；否则，回溯到当前节点的前一节点处，重复路由发现过程直到建立源节点到基站的路径，一旦建立路径，基站通过建立的路径发送确认帧到源节点；
路由优化阶段，用于解决路由发现过程出现的环路问题，并释放被标记但未构成路径的节点。
2.根据权利要求1所述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：在所述步骤1）中，所述占空比的睡眠调度方法基于节点的剩余能量调节节点的状态，即睡眠与活动状态，节点处于睡眠状态记为不可用，处于活动状态记为可用，避免部分节点过度消耗而失效影响整个网络的连通度和数据的及时、可靠地传输。
3.根据权利要求1所述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：在步骤2）中，对已用邻居节点的ID号作已占用标记，在未被重新释放该ID号前，该ID号的标记节点不可再次被使用，重复贪婪策略的路由方法即可发现多条节点不相交最短路径。
4.根据权利要求2所述的基于QoS的无线多媒体传感器网络贪婪多路径路由方法，其特征在于：在所述睡眠调度方法中需要获取的相关信息包括：源节点、当前节点、当前节点的一跳及两跳邻居节点和基站的地理位置信息，以及网络中各节点的剩余能量水平，并根据CKN+算法判断各节点所应处于的状态。
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