基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法
2024-02-18 16:22:15 1
專利名稱：基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法
技術領域：
本發明屬於無線多媒體傳感器網絡領域，具體涉及一種基於QoS(QUality ofService)的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法。該方法為無線多媒體傳感網的 流媒體信息提供高效、及時的數據傳輸路由，並可有效地避免路由空洞現象。
背景技術：
無線多媒體傳感器網絡(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)是在無 線傳感器網絡(wireless sensor networks, WSNs)的基礎上發展起來的一種新型傳感器 網絡。無線多媒體傳感器網絡通過裝備低成本的攝像頭和麥克風等簡單設備的傳感器節點 採集周邊環境音頻、視頻和圖像等數據，加以數據壓縮和融合後，再通過傳感器網絡傳輸到 基站，實現全面、有效的環境監測。多媒體傳感器網絡能更準確地監控現實世界，在戰場監 控、環境監測、安全監控、交通監控、智能家居、醫療衛生等領域具有非常廣闊的應用前景和 很高的應用價值。WMSNs將WSNs的自組織、無人值守等優點和多媒體技術感知媒體豐富等優勢有機 地結合起來。一方面具備傳統的自組織、多跳路由、資源受限等共性特點，另一方面在能耗 分布、QoS要求、傳感器模型等方面具有顯著的個性化特點，如網絡能力增強，節點處理能力 提高至數十甚至數百兆，存儲能力增至MB量級；感知媒體豐富，音頻、視頻、圖像等多種類 型數據共存於多媒體傳感器網絡中；處理複雜任務，音頻、視頻、圖像信息豐富且格式複雜， 可利用壓縮、識別、融合等多種處理以滿足多樣化應用需求。與傳統的傳感器網絡技術相比，它更多關注於音頻、視頻、圖像等大數據量媒體的 採集、處理與傳輸，在能量、時延等資源上受到了更大的限制，使得支持實時可靠的大數據 流的多媒體傳輸相當困難，因此迫切需要設計新的適用於多媒體傳感器網絡的具有服務質 量(QM)保證的路由協議，從而實現實時、可靠、有效的流媒體信息傳輸。當前QoS問題的研究主要集中在傳統傳感器網絡，專門針對多媒體傳感器網絡的 QoS協議研究較少，而傳統傳感器網絡的QoS協議不能完全適應多媒體傳感器網絡，綜合考 慮能量、覆蓋、感知等因素，需要對多媒體傳感器網絡的QoS問題做進一步研究。經對現有文獻檢索發現，相關文獻如下1. E Gurses 於 2005 年在《Annales des Tel6communications》發表 了名為 "Multimedia communication in wireless sensor networks，，的文章，設計了一禾中基於 QoS的具有地理位置感知和多路由保障的路由協議大大提升了無線多媒體傳感器網絡的網 絡性能，但只是提出了思想，並無具體實現。另外一方面，如何建立綜合評價模型也是一個 亟待解決的問題，該模型必須綜合考慮能耗、實時性、可靠性等因素，同時必須對不同服務 質量要求有很好的適應性；並指出協議的跨層設計也是提高網絡性能的一個非常有效的手 段。2. Felemban在2006年於《Proc of IEEE nifocom，05》發表了一篇"Probabilistic QoS Guarantee in Reliability and Timeliness Domains inffireless Sensor Networks，，的文章，提出了 MMSPEED (Multi-Path andMulti-SPEED Routing Protocol)路由協議，該協 議同時考慮了實時性和可靠性要求，採用MAC層和網絡層跨層設計思想，採用局部算法和 多路由機制，具有非常好的QoS性能和可擴展性，能提供對流媒體的良好支持，較好地適應 了多媒體傳感器網絡中圖像、視頻數據對實時性和可靠性的要求。但是其算法較複雜，能耗 較大，限制了其在傳感器網絡中的廣泛應用。3. Suman Nath於2007年在"the 6th international conference onlnformation processing in sensor networks (IPSN 2007)，，上，發 表 了 "Communicating via fireflies-geographic routing on duty-cycledsensors",一文，提出了網絡節點以佔空 比調度睡眠的機制來延長網絡壽命的CKN(Connected k-Neighborhood)算法，並討論了在 這種網絡機制下給予地理位置信息的路由策略。CKN算法要求每個節點必需有至少k個活 動狀態鄰居節點才能進入睡眠狀態，以保證整個網絡是k連通的。4. Zhuxiu Yuan T 2010 ip^^ "Insights on Energy Consumption of theCKN Sleep Scheduling Algorithm in Wireless Sensor Networks」的一篇論文中提出了 CKN+ 的算法，對CKN算法進行了改進。該文中將節點的剩餘能量水平作為睡眠調度的判斷標準， 可以避免部分節點過度消耗而失效造成的網絡不可用。5. Lei Shu 在 2010 年在 Helecommunieation Systems))中發表 了 "TPGF geographic routing in wireless mult imedia sensor networks」一文，提出針對無線多 媒體傳感器網絡的TPGF (Two-Phase geographic Greedy Forwarding)多路徑協議，利用節 點的一跳鄰居節點信息發現路由，避免了局部優化問題，並可以有效發現最短路徑、降低路 由時延，並且實現了在路由空洞存在的情況下路由的發現。但是對網絡能耗這一因素尚未 ^慮ο綜上所述，雖然多路徑路由研究取得了很大進展並且在越來越多的應用中表現出 較好性能，但還有一些問題有待於進一步研究1.對現實中通信存在的各種因素，如幹擾、空閒監聽等的影響給與考慮，提高多路 徑路由的可靠性和可擴展性；2.充分利用節點能量，提高網絡資源的利用率，發掘更優的傳輸機制，減少因某些 節點的過度消耗而引起的網絡的不可用，提高網絡能量效率；3.多徑路由依舊採用「最小跳數」路由選擇機制。很多研究顯示最小跳數、最小代 價並不能提供全局最優的保證，因此有必要對下一跳節點依據最小跳數、最小代價來進行 選擇的機制進行改進。在降低能耗與保證QoS之間找到最佳的平衡點。
發明內容
針對現有技術的上述缺陷和空白，本發明所要解決的技術問題在於提供一種可應 用於無線多媒體傳感器網絡的基於QoS的貪婪多路徑路由方法，該方法以充分利用網絡節 點的能量以延長網絡壽命和提高數據傳輸的可靠性、及時性為主要目標。在已獲取節點的 一跳與兩跳鄰節點信息的情況下，利用貪婪策略發現從源節點到基站的多條最短(或接近 最短)路徑，以保證多媒體信息的及時、可靠地傳輸；同時，網絡節點採用基於佔空比的睡 眠調度機制來充分利用節點的能量，減少空閒監聽等不必要的能耗，延長網絡壽命，以保證 信息的持續傳輸。
為了達到上述目的，本發明提供一種基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路 徑路由方法，其特徵在於，包括以下步驟1)網絡節點以佔空比的睡眠調度方法調節自身所處的狀態；2)以貪婪策略發現源節點到基站的多條節點不相交的最短路徑，所述貪婪策略 為當前節點從其一跳與兩跳鄰居節點中選擇距離基站最近的節點作為轉發節點。前述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其特徵在於在 所述步驟1)中，所述佔空比的睡眠方法基於節點的剩餘能量調節節點的狀態，即睡眠與活 動狀態，節點處於睡眠狀態記為不可用，處於活動狀態記為可用，避免部分節點過度消耗而 失效影響整個網絡的連通度和數據的及時、可靠地傳輸。前述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其特徵在於在 步驟2)中，對已用鄰居節點的ID號作已佔用標記，在未被重新釋放該ID號前，該ID號的 標記節點不可再次被使用。這樣重複貪婪策略的路由方法就可以發現多條節點不相交最短 路徑。前述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其特徵在於在 所述睡眠調度方法中需要獲取的相關信息包括源節點、當前節點、當前節點的一跳及兩 跳鄰居節點和基站的地理位置信息，以及網絡中各節點的剩餘能量水平，並根據CKN+算法 (Connected k-Neighborhood Plus)判斷各節點所應處於的狀態。前述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其特徵在於所 述步驟幻包括路由發現階段與路由優化階段，路由發現階段的具體步驟為步驟1.當前節點檢查其是否存在可用的一跳鄰居節點，若不存在可用一跳鄰居 節點，則當前節點發送非確認幀；若存在，判斷基站是否在當前節點一跳範圍內，若在其一 跳範圍內，則直接建立路徑，否則轉入步驟2 ；步驟2.判斷基站是否在當前節點的兩跳範圍內，若在兩跳範圍內，則當前節點需 從其一跳鄰居節點中尋找距離基站最近的節點作為下一跳轉發節點；若不在當前節點的兩 跳範圍內，則轉入步驟3;步驟3.若基站不在當前節點的兩跳範圍內，則判斷當前節點是否存在可用的一 跳、兩跳鄰居節點，若存在，則從可用的一跳、兩跳鄰居節點中選擇距離基站最近的一跳或 兩跳鄰居節點作為中間轉發節點；否則，回溯到當前節點的前一節點處，重複路由發現過程 直到建立源節點到基站的路徑，一旦建立路徑，基站通過建立的路徑發送確認幀到源節點。路由優化階段，用於解決路由發現過程出現的環路問題，並釋放被標記但未構成 路徑的節點。本發明所達到的有益效果是本發明引入了佔空比的睡眠調度機制，減少了空閒 監聽的能耗和路徑間的幹擾，充分利用節點能量，提高網絡資源的利用率，延長整個網絡的 壽命；利用節點的一跳和兩跳鄰居節點信息，通過貪婪路由的方法發現源節點到基站的多 條節點不相交的最短路徑，避免了路由空洞，並減小傳輸延遲，達到降低能耗與保證QoS之 間的均衡。
圖1為本發明無線多媒體傳感器網絡多路徑路由協議的流程圖；圖2為本發明中源節點與基站之間距離較遠時的場景示意圖；圖3為本發明中源節點與基站之間距離較近時的場景示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。如圖1所示，以本發明無線多媒體傳感器網絡基於QoS的貪婪多路徑路由方法的流 程圖來說明本發明的多路徑路由的建立過程。當源節點有數據需要發送時，源節點首先檢查 其是否存在可用的一跳鄰居節點。若不存在可用一跳鄰居節點，則當前節點發送非確認幀； 若存在，判斷基站是否在當前節點一跳範圍內，若在其一跳範圍內，則直接建立路徑，否則判 斷基站是否在當前節點的兩跳範圍內。若在兩跳範圍內，則當前節點需從其一跳鄰居節點 中尋找距離基站最近的節點作為下一跳轉發節點；若不在當前節點的兩跳範圍內，則判斷當 前節點是否存在可用的一跳、兩跳鄰居節點。若存在，則從可用的一跳、兩跳鄰居節點中選擇 距離基站最近的一跳或兩跳鄰居節點作為中間轉發節點；否則，回溯到當前節點的前一節點 處，重複路由發現過程。一旦建立源節點到基站的路由，基站發送確認幀到源節點，並對路由 發現過程中出現的環路問題進行優化，釋放被標記ID號的但未出現在路徑中的節點。如圖2、圖3所示，根據源節點與基站之間的距離的遠近可以分為圖示的兩種情 況。對圖示的兩種場景，本發明的路由方法均可使用。利用上述路由方法的步驟2、中，可通過計算得到在給定k值和任意兩節點間S、D 距離為d(d > r)時，建立從S到D的貪婪路由的所需的時間輪數，具體計算方法為若將節點間一跳距離分為t彡2等分，設i = 0，1，. . .，t-2，設節點的傳輸半徑 為r，設當前節點有m個一跳與兩跳鄰居節點，設q為當前節點的一跳或兩跳鄰居節點更靠 近節點D的概率，f,為隨機的一跳或兩跳鄰居節點靠近節點D至少為距離ζ的概率，其中
權利要求
1.一種基於Q0S的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其特徵在於，包括以 下步驟1)網絡節點以佔空比的睡眠調度方法調節自身所處的狀態；2)以貪婪策略發現源節點到基站的多條節點不相交的最短路徑，所述貪婪策略為當 前節點從其一跳與兩跳鄰居節點中選擇距離基站最近的節點作為轉發節點。
2.根據權利要求1所述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法， 其特徵在於在所述步驟1)中，所述佔空比的睡眠方法基於節點的剩餘能量調節節點的狀 態，即睡眠與活動狀態，節點處於睡眠狀態記為不可用，處於活動狀態記為可用，避免部分 節點過度消耗而失效影響整個網絡的連通度和數據的及時、可靠地傳輸。
3.根據權利要求1所述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其 特徵在於在步驟2)中，對已用鄰居節點的ID號作已佔用標記，在未被重新釋放該ID號 前，該ID號的標記節點不可再次被使用，重複貪婪策略的路由方法即可發現多條節點不相 交最短路徑。
4.根據權利要求2所述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其 特徵在於在所述睡眠調度方法中需要獲取的相關信息包括源節點、當前節點、當前節點 的一跳及兩跳鄰居節點和基站的地理位置信息，以及網絡中各節點的剩餘能量水平，並根 據CKN+算法判斷各節點所應處於的狀態。
5.根據權利要求3所述的基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，其 特徵在於所述步驟幻包括路由發現階段與路由優化階段，路由發現階段的具體步驟為步驟1.當前節點檢查其是否存在可用的一跳鄰居節點，若不存在可用一跳鄰居節點， 則當前節點發送非確認幀；若存在，判斷基站是否在當前節點一跳範圍內，若在其一跳範圍 內，則直接建立路徑，否則轉入步驟2 ；步驟2.判斷基站是否在當前節點的兩跳範圍內，若在兩跳範圍內，則當前節點需從其 一跳鄰居節點中尋找距離基站最近的節點作為下一跳轉發節點；若不在當前節點的兩跳範 圍內，則轉入步驟3;步驟3.若基站不在當前節點的兩跳範圍內，則判斷當前節點是否存在可用的一跳、兩 跳鄰居節點，若存在，則從可用的一跳、兩跳鄰居節點中選擇距離基站最近的一跳或兩跳鄰 居節點作為中間轉發節點；否則，回溯到當前節點的前一節點處，重複路由發現過程直到建 立源節點到基站的路徑，一旦建立路徑，基站通過建立的路徑發送確認幀到源節點；路由優化階段，用於解決路由發現過程出現的環路問題，並釋放被標記但未構成路徑 的節點。
全文摘要
本發明涉及一種基於QoS的無線多媒體傳感器網絡貪婪多路徑路由方法，包括以下步驟1)網絡節點以佔空比的睡眠調度方法調節自身所處的狀態；2)以貪婪策略發現源節點到基站的多條節點不相交的最短路徑，所述貪婪策略為當前節點從其一跳與兩跳鄰居節點中選擇距離基站最近的節點作為轉發節點。本發明利用一跳與兩跳鄰居節點信息建立從源節點到基站的多條節點不相交最短路由，保證多媒體信息的及時、可靠傳輸，避免了因路由空洞和個別路徑失效帶來的數據傳輸失敗。同時以佔空比的睡眠調度機制來控制整個網絡的連通度，保證節點的能量能夠有效地用來傳輸數據，減少空閒監聽的不必要能耗，最大化利用節點，提高網絡資源的利用率，延長網絡壽命。
文檔編號H04W40/22GK102083162SQ20111002419
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月21日 優先權日2011年1月21日
發明者劉同慶, 張娜, 朱川, 江金芳, 董玉慧, 郭惠, 韓光潔 申請人:河海大學常州校區