（通信与信息系统专业论文）无线多媒体传感器网络qos路由机制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线多媒体传感器网络是在传统传感器网络基础上衍生而来的，引入音频、 视频、图像等多媒体节点，解决了传感器网络监控精度单一、细度不够的问题， 在环境监测、工业控制、医疗保健等应用领域发挥了重要的作用。无线多媒体 传感器网络具有感知媒体丰富、数据量大、处理任务复杂等显著特点，使其q o s 需求问题成为区别于传统的传感器网络的一个重要特征，后者往往以牺牲服务 质量为代价要求低功耗，而前者需要将q o s 保障机制融入网络协议栈的设计当 中，针对具体应用为多媒体流的传输提供实时性、可靠性、带宽、分组丢失等 服务质量保证。 通过对无线多媒体传感器网络q o s 体系进行深入研究，分析协议栈各层 q o s 支持策略，提出了基于角度的区分服务路由a d s r ，论文主要工作如下： ( 1 ) 针对无线多媒体传感器网络多种媒体流并存，采用区分服务的网络模 型，将网络中的数据分为三种类型：突发性视频流的关键帧、普通帧，以及周 期性标量数据，q o s 需求各异。a d s r 路由将邻居节点按其偏转角度进行分类， 为不同类型的数据流选择相应的转发区域，结合邻居信标交换获得邻居节点的 地理位置、单跳通信负载、剩余能量等信息，为其选择相应的下一跳节点。在 考虑多媒体数据流的时延特性的同时，均衡全网能耗，尽量延长网络寿命。 ( 2 ) 在m a c 层修改8 0 2 1 1 e 协议的e d c a 机制，在解决节点内实时数据 和标量数据竞争的问题上，采用两个优先级队n - 实时队列和非实时队列，分 别给各队列设定不同的接入参数来实现队列间的优先级差异。在节点间信道接 入竞争问题上，拥有实时业务流的节点具有较小的帧间间隔和竞争窗口，使非 实时业务节点等待信道空闲的时间长，延迟接入信道。 网络层和m a c 层跨层协作，提供q o s 区分服务，仿真表明，与现有典型 协议相比，在网络负载逐渐增强的情况下，a d s r 路由的具有更好的网络性能， 更能适应高流量的数据传输。 关键词：无线多媒体传感器网络；服务质量；区分服务；能源消耗； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sd e r i v e df r o mt r a d i t i o n a ls e n s o rn e t w o r k s ，w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o r n e t w o r k sc a np r o v i d er i c hm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nw i t hd i f f e r e n tg r a n u l a r i t ya n d m u l t i r e s o l u t i o nv i e w sd u et oi n t r o d u c em u l t i m e d i an o d e s ( i e a u d i o ，v i d e o ，i m a g e ) ， a n di sa p p l i e dt os e v e r a lp o t e n t i a lf i e l d ss u c ha se n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，i n d u s t r i a l c o n t r o la n dh e a l t hc a r e t h ed i s t i n c tf e a t u r e so fw i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s s u c ha sv a r i o u sm e d i ac a t e g o r y ，g r e a ta m o u n to fd a t a , t h ec o m p l e x i t yo ft a s k p r o c e s s i n g ，m a k et h ei s s u eo fq o sr e q u i r e m e n tb e c o m ea ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c t h a td i s t i n g u i s h e df r o mt r a d i t i o n a ls e n s o rn e t w o r k s t h el a t t e rt e n d st ol o s e t h e q u a l i t yo fs e r v i c et oa c h i e v el o wp o w e rc o n s u m p t i o n w h i l et h eq o sg u a r a n t e e m e c h a n i s m sh a v et ob e i n t e g r a t e di n t ot h ed e s i g no fp r o t o c o ls t a c ki nw i r e l e s s m u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k sb yt h ef o r m e r ，a st ot h ea p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i a ，i ti s p r e s e n t e dt og i v es e c u r i t yt ot h eq u a l i t yo fs e r v i c eo nt i m e l i n e s s ，r e l i a b i l i t y ， b a n d w i d t ha n dp a c k e tl o s sf o rd a t ac o m m u n i c a t i o n b yr e s e a r c h i n gd e e p l yt oq o sa r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o r n e t w o r k s ，a n da n a l y z i n gt h es t r a t e g i e so fp r o t o c o ls t a c k s ，an e wq o sr o u t i n g a l g o r i t h ma d s r ( a n g l eb a s e dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sr o u t i n g ) i sp r o p o s e d t h e m a i nt o p i c si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e r ea r et h r e ek i n d so fd a t ac o e x i s t i n gi nt h en e t w o r k ：k e yf r a m e ，o r d i n a r y f r a m eo fv i d e od a t a ，p e r i o ds c a l a rd a t a , w h i c hh a v ed i f f e r e n tq o s r e q u i r e m e n t s t h e m o d e lo fd i f f s e r vn e t w o r ki su s e dt od e a lw i t ht h eh y b r i dd a t a i na d s r r o u t i n g ， n e i g h b o r sa r ec l a s s i f i e db a s e do nd e v i a t ea n g l e ，h e t e r o g e n e o u sf l o w sa r es e n tt on e x t h o pf r o md i f f e r e n tt r a n s m i s s i o na r e a b e s i d e st h a t ，t h ei n f l u e n c et or o u t em e c h a n i s m f r o mt h en o d e p o s i t i o n ，s i n g h o pc o m m u n i c a t i o nc o s ta n dr e s i d u a l e n e r g yi s c o n s i d e r e di nt h ep r o p o s e dp r o t o c o l ，w h i c hc a nb a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ， p r o l o n gt h en e t w o r kl i f es p a nw h i l eg u a r a n t e e i n gt h el a t e n c yo fm u l t i m e d i a ( 2 ) b a s e do ni e e e8 0 2 1lee d c a ，t w om e c h a n i s m sa r ep r o p o s e dt o i m p l e m e n te f f e c t i v ep r i o r i t ya c c e s s f i r s t ，i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h e i i c o n t e n t i o ni n t r an o d e s ，t h et r a f f i ci sc l a s s i f i e di n t ot w op r i o r i t i e s ：r e a lt i m ea n d n o n r e a lt i m e ，a n dp u ti n t ot w od i f f e r e n tp r i o r i t yq u e u e sw i t hd i f f e r e n tc o m p e t i t i v e p a r a m e t e r s ，r e s p e c t i v e l y s e c o n d ，i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ec o m e n t i o n i n t e rn o d e s s m a l l e ri m p a c tf a c t o r s ( s u c ha sa i f s ，c w ) i sa s s i g n e dt ot h en o d e s s e r v i c er e a lt i m et r a f f i c ，w h i c hm a k et h e ma c c e s st h ec h a n n e l i na d v a n c e q o s d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ei si m p l e m e n t e db yc r o s s l a y e rp r o t o c o ld e s i g n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a ta d s r r o u t i n gc o na c h i e v eb e r e rp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n ti m p o r t a n tp r o t o c o l sw i t ht h ei n c r e a s eo fn e t w o r kl o a d ， w h i c hi sm o r ea d a p t a b l ef o rl a r g ea m o u n to fd a t at r a n s f e r k e yw o r d s ：w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ，d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，e n e r g yc o n s u m p t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：夺垣导师c 签名历插期夕，2 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 项目来源 第1 章引言 国家自然科学基金项目“实用化的无线传感器网络自适应功率控制机制及 算法研究”( 6 0 7 7 3 2 1 2 ) ； 教育部重点项目“基于光纤光栅传感和无线传感器网络技术德设备状态监 测与诊断系统研究 ( 1 0 7 1 3 0 ) 。 1 2 课题研究背景和意义 无线传感器网络作为一种新兴的信息感知和处理技术，综合了无线通信、 传感器、微机电系统等技术，问世不久便成为国内外研究热点。无线传感器网 络是由大量部署在监控环境中的微型节点动态自组形成的网络系统，在军事、 民用和工业控制等领域都有广阔的应用前景。目前的传感器网络采集和处理的 大多是红外、温度、湿度等简单的标量数据，信息含量比较单一，不足以满足 人们对复杂环境全面监测的需求。 近年来，在无线传感器网络上衍生出了一种新的网络模型：无线多媒体传 感器网络( w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o r n e t w o r k s ，w m s n ) ，它是由一组具有感 知、计算和通信能力的多媒体传感器节点，动态自组形成的分布式无线网络， 协作地感知、采集和处理覆盖区域中的多媒体信息( 音频、视频、图像、标量 数据等) ，发送给观察者，实现全面有效的环境检测【l j 。 无线多媒体传感器网络引入了多种媒体类型的传感器节点，具备视觉、听 觉信息的感知、处理和传输能力，有助于人类更直接有效地获取监控区域的信 息。单个摄像头的视角和视域范围都是有限的，在无线多媒体传感器网络中， 多种媒体节点从不同角度感知布控区域，扩大了监控视角；节点覆盖范围重叠， 采集的数据存在很大冗余性，可有效提高监控质量；多种精度的媒体流共存， 低端采集设备进行全网监测，高端采集设备对感兴趣目标进行细节监测，对同 一物理场景提供多分辨率的视像，灵活性高。 w m s n 作为传感器网络的高级形式，提高了网络监控的细度和精度，但是 武汉理工大学硕士学位论文 多媒体节点的引入也给传感器网络带来了新的挑战： ( 1 ) 资源严重受限：采用电池供电的传感器节点由于硬件限制，能量、通 信带宽、处理能力和数据传输能力都是有限的。目前流行的b e r k e l e y 大学研制 的m i c a 2 节点采用a t m e g a l 2 8 l 微控制器，工作频率为4 m h z ，包括 4k bs r a m 、5 1 2k bf l a s h 和4k be e p r o m ，最大数据传输速率为4 0 k b p s ， 若采用z i g b e e 无线通信协议带宽可达2 5 0 k b p s ，而视频传输的需要的带宽为 1 0 0 k b p s 至1 5 m b p s 2 。，这些资源对于流畅的视频处理和传输是不够的。 ( 2 ) 网络异构：多种媒体类型节点组成的w m s n 是异构的，低端节点和 高端节点在网络种承担不同的角色，需要配备不同的软硬件。例如，在混合通 信模型中，高端节点使用8 0 2 1 1 协议，普通节点使用z i g b e e 无线协议，性能高 的节点使用更快的传输速率，提升整个网络的通信能力。w m s n 具有媒体信息 的异构、节点处理能力异构、节点能量异构、链路异构和网络协议异构，如何 使这些异构的传感器节点有效地协同工作，不同无线通信协议共存，利用不同 能力的节点整体提高网络的效率这些问题，都是值得进一步研究的。 ( 3 ) 计算复杂性：w m s n 的感知媒体丰富，视频、音频、标量等多种类 型数据并存，数据量大，格式复杂，有时还要对一些有用信息存储、检索，所 需的计算量很大。w m s n 可以使用多媒体信息处理技术( 压缩、融合等) 对这 些海量复杂的媒体数据进行处理，减少传输的通信量。 ( 4 ) q o s 需求：q o s 需求是无线多媒体传感器网络区别于传统的传感器 网络的一个重要特征，后者往往以牺牲服务质量为代价要求低功耗，而前者需 要将q o s 保障机制融入网络协议栈的设计当中，针对具体应用为多媒体流的传 输提供实时性、可靠性、带宽、分组丢失等服务质量保证。 无线多媒体传感器网络可以提供多种不同类型的应用，如目标跟踪、智能 家居、环境监控、军事、人脸识别等，衡量每种应用的服务质量( q o s ) 标准 不同。例如，在目标监控和跟踪系统中，实时多媒体数据( 音视频) 传输时延 和抖动要小，允许一定错误；在环境的周期性监测中异常监测结果传输的可靠 性要高；而对于工业进程控制，可靠性和实时性要求都比较高。因此，保障不 同应用的q o s 需求的是无线多媒体网络研究的重点。 1 3 无线多媒体传感器网络研究现状 国内外研究人员对无线多媒体传感器网络展开了大量工作，左治亚理工 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的b w n l a b 引、波特兰州立大学( p o r t l a n d s t a t eu n i v e r s i t y ) 【4 】、马萨诸塞大学( u n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t s ) 【5 j 、弗吉尼 亚州立大学( v i r g i n i a ) r e a l t i m ea n de m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ，在硬件平 台、拓扑结构、网络协议栈的设计上取得了一定成果，国内北京邮电大学智能 通信软件与多媒体实验室【l l 、哈尔滨工业大学、同济大学宽带无线通信与多媒 体实验室等各科研院所纷纷投入研究，使得在资源受限、链路动态变化的无线 传感器网络上支持多媒体业务不再只是一个憧憬。 1 3 1 硬件平台 多媒体传感器节点遵循了传统传感器节点的模型，也继承了其微型化、低 功耗、资源受限等特点，只是各个模块所用的硬件要求有很大提高，多种新的 节点硬件系统相继推出。 现有多种传感器( c m uc a i n 、w e b c a m 、p t zc a m e r a 等) 和平台( m i c a m o t e 、 s t a r g a t e 、i m o t e 2 、g a r c i a 3 】等) 供我们灵活选择。同种类型、同样配置的节 点构成同构传感器网络，如p a n o p t e s 4 1 ；不同类型、不同配置的节点构成异构 传感器网络，它是w m s n 的常见类型，如s e n s e y e 引、w m s n - t e s t b e d | j j 等。在 异构多媒体传感器网络中，性能相符的传感器和处理模块组合，可以搭建具有 不同监测能力的传感器节点：价格低廉的标量或音视频传感器配上能量受限、 低功率的处理模块，高密度抛洒，全网监测，提供形式单一、质量较差的监控 信息，负责处理简单任务，如入侵检测、红外探测等；相对高性能的视频传感 器配上能量丰富、高功率的处理模块可以有计划部署，提供清晰、流畅的视频 传输，负责处理复杂任务，如目标识别、跟踪等，各种类型节点协同工作，满 足多媒体应用的服务质量需求。 低端的多媒体传感器节点多采用低分辨率的c m o s 传感器、音频传感器和 标量( 红外、温度等) 传感器，其处理模块的处理能力和功耗要求较低。文献 6 中的图像传感器节点以c y c l o p s 7 j 为接口将m o t e 平台和c m o s 传感器相连， 外接c p l d 来提高对图像数据的传输处理速度，使用轻量级的操作系统 t i n y o s 。中端节点采用高分辨率的数码相机，配备s t a r g a t e 、i m o t e 或a p p l i e dd a t a b i t s yb o a r d 4 1 等高带宽平台，采用执行效率高的l i n u x 操作系统。文献 8 】为海域 监测设计的视频传感器节点，使用基于全方位镜面( o m n i d i r e c t i o n a lm i r r o r ) 的折反射式结构进行全景监测，避免p a n t i l t z o o m 相机的机械移动造成的消 武汉理工大学硕士学位论文 耗，用太阳能电池板供能，配置两个r a d i o ：低速率的8 0 2 1 5 4 用于节点间协作 处理等控制信息的交互，8 0 2 1 1 用于传输高速率的视频流。有些w m s n 还引 入了高端节点，如 3 中的g a r c i a 作为s i n k 节点，将高清晰度的p t z 摄像机 安置在微型机器人身上，节点可移动，根据中低端节点反馈的监测信息和监控 平台的控制，g a r c i a 节点可自行移动改道去兴趣区域。 1 3 2 拓扑模型 传统无线传感器网络平坦的拓扑结构不适合传输、处理海量多媒体数据， 多种媒体节点的引入使w m s n 组网变得更为复杂，需要开发更适合多媒体节 点协同工作组网结构。 平面结构( 如图1 1 ( a ，b ) 所示) ：平面网络结构是一种最简单的组网方式， 所有节点处于同样地位，具有完全一致的功能特性，也就是说每个节点包含相 同的路由、管理和安全等协议，结构简单易于维护，具有较好的健壮性。【6 】使 用的便是这种体系结构，它比较适合小规模部署的同构传感器网络，所有节点 为对等结构，完成同样的任务，以多跳方式与汇聚节点通信。对于异构传感器 网络而言，这种拓扑结构没有充分利用节点的性能差异，造成资源浪费。 层次结构( 如图1 1 ( c ) 所示) ：多媒体传感器节点按照资源和能力的不 同划分为多层，各层任务分级、功能明确，大多异构传感器网络采用这种拓扑， 但是高复杂度计算、海量信息的处理一般放在各层中心节点上，容易造成网络 瓶颈。p k u l k a m i 等人提出的视频传感器网络s e n s e y e p 分为三层，分别用于目 标检测、识别和跟踪，层内节点同构、层间节点异构，节点的通信、处理、成 像能力以能耗为代价逐层递增，每层承担不同的感知、处理任务，层间相互协 作共同完成应用需求。分簇也是层次结构的一种表现形式，【9 】中提出的基于移 动群组的大型无线多媒体传感器网络有两种类型的簇：固定群组由普通节点组 成，进行全网监测；移动群组由高性能节点组成，其摄像机质量、信道带宽、 射频通信距离优于普通节点，可与卫星通信并且群组同向移动，监测热点区域。 每个群组内选出一个簇头节点，组成移动主干网m b n ，实现对高质量、时延 敏感的多媒体流传输。 4 武汉理工大学硕士学位论文 占，夕睁热、色 t i e r 2 臼 ( c ) 层次结构、异构网络 图1 1 无线多媒体传感器网络拓扑体系 1 4 论文主要工作与章节安排 s i n k 节点 多媒体节点 标量节点 路由协议作为网络设计的重要因素，主要任务是把源节点采集的数据分组 经过适当的路径传输到s i n k 节点，电池供电的无线传感器网路路由设计主要考 虑能源的有效利用，当网络中传输多媒体信息时，对媒体流的错误和延迟较为 敏感，这就需要将网络服务质量( q o s ) 作为传输性能的重要指标，在保证业 务q o s 的前提下，均衡全网能耗。在不消耗过多网络资源的前提下，为媒体流 的传输选择一条能够满足带宽、时延、流量等q o s 需求的路径。 全文分为六章： 本章介绍了无线多媒体传感器网络研究背景、意义和国内外研究现状。 第二章总结了无线多媒体传感器网络协议栈各层的作用及相互联系，研究 其q o s 应用需求，介绍了当前一些典型的无线多媒体传感器网络传感器网络路 5 吾一 辩k “夕、i 西叶 一舀 一 ， 武汉理工大学硕士学位论文 由算法，并分析这些算法的特点、性能及存在的缺陷。 第三章针对无线多媒体传感器网络多种数据流并存，提出了基于角度的区 分服务路由a d s r 。根据网络中多种类型数据流q o s 需求不同，为其选择不同 的偏转角度转发。在选定偏转角范围后，要为不同类型数据流选择相应的度量 参数，使其能够满足相应的q o s 指标。a d s r 路由设计思路是将邻居节点根据 偏转角度分为三种类型，以供相应数据流选择。由邻居信标交换获得邻居节点 的地理位置、单跳通信负载、剩余能量等信息，为实时性要求较高的视频数据 流选择路径短、跳数少、能量充足的最优转发节点，而周期性标量数据要避开 这些节点。 第四章在m a c 层为上层区分服务提供支持，将网络层的三种类型数据流 按照实时性不同，放入两个优先级队列：实时队列和非实时队列，简化现有 8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制，通过给各队列设定不同的接入参数来实现队列问的优 先级差异。拥有实时业务流的节点具有较小的a i f s 和竞争窗口，使非实时业 务节点等待信道空闲的时间长，延迟接入信道。 第五章采用j - s i m 仿真平台对提出的a d s r 路由从平均端到端时延、抖动、 丢包率、网络能耗等方面进行全面的性能仿真分析。 第六章对所做工作做出全面总结，提出将进一步研究的问题和开展的工作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线多媒体传感器网络q o s 技术研究 2 1 无线多媒体传感器网络通信协议栈 无线多媒体传感器路由协议的设计过程中，除了考虑能量的有效利用，减 少数据传输过程中不必要的能耗，更重要的是要满足多媒体流传输的带宽、时 延、抖动、丢包率等q o s 需求，充分利用异构节点感知、通信、处理能力的差 异性，分而治之、分工协作。针对多媒体业务的应用环境和设计目标的不同， 协议栈各个层次采用了不同的节约能耗、q o s 支持和屏蔽异构性策略，对网络 各个方面的性能产生了显著影响。 应用层用来实现特定应用所需的功能，在传统传感器网络的基础上，无线 多媒体传感器网络还增添了以下功能：提供鲁棒和容错编码，对海量异构的多 媒体数据进行压缩【1 0 】、数据融合【1 1 】，使之能在资源受限的网络上传输；流量控 制，主动调整流量来适应无线信道的动态变化；为用户提供一个屏蔽底层异构 网络的接口，把应用需求映射到底层，并根据底层处理后的反馈信息来决定编 码和流量控制参数。 中间件是介于操作系统与应用程序之间的系统软件，屏蔽了底层网络的实 现细节，为用户提供一个灵活的服务接口和友好的开发环境。无线多媒体传感 器网络可为用户提供形式多样的服务，多种应用并存于同一个网络，需要根据 用户需求灵活调整底层网络的配置参数，例如部署、节点移动性、覆盖、q o s 等。节点的异构性扩展了传感器网络的应用，同时也对提供统一的运行平台增 加了难度。要有效解决多媒体传感器网络的应用多样、节点异构和能源有限等 问题，必须提供轻线程的中间件，合理分配资源，在低功耗通信同时有效利用 数据融合或数据聚合手段减轻网络负担，为开发者针对各种各样的异构计算设 备提供一个统一的系统视图，提供编程抽象或者系统服务，单个节点设备仅保 留最小功能【l 引。 传输层控制协议不仅要能保障流媒体端到端的实时性，且要保障事件驱动 数据流的可靠性，同时采用适当的拥塞控制策略，避免数据包的丢失和降低在 转发节点上的排队时间。 7 武汉理工大学硕士学位论文 网络层的任务是把源节点采集的数据分组经过适当的路径传输到s i n k 节 点，电池供电的无线传感器网路路由设计主要考虑能源的有效利用，当网络中 传输海量多媒体信息时，对媒体流的错误和延迟较为敏感，这就需要将网络服 务质量( q o s ) 作为传输性能的重要指标，在保证业务q o s 的前提下，均衡全 网能耗。并且，底层网络异构节点间通信能力、感知能力存在差异，这些差异 直接影响网络拓扑的建立，现有无线多媒体传感器网络路由协议的研究主要侧 重于服务质量需求、能耗和异构性三个方面。 数据链路层位于无线多媒体传感器网络协议栈底部，主要负责媒体访问和 错误控制，决定无线信道的使用方式，保证数据完整、可靠、有效地传输到目 的节点，直接影响网络的整体性能。m a c 协议在局部范围内为传感器节点分 配无线通信资源，建立可靠的点到点或点到多点通信链路。为了在无线网络上 支持多媒体业务，需要为其提供灵活的能满足时延、分组丢失等q o s 保证。 m a c 层是所有数据报文和控制消息在无线信道上进行发送和接收的直接控制 者，它能否高效地使用无线信道是上层各种协议和机制所提供的q o s 能否得 到最终保障的一个关键因素。 针对多媒体应用带宽要求高、时延敏感、容错性好等特点，许多研究者在 传统无线传感器网络协议栈各层提出了支持多媒体流传输策略，但往往局限于 一层而忽略了层间的相互作用。物理层、m a c 层和网络层对网络资源分配相 互制约：物理层通过在接收端的干扰影响无线信道的多路接入，m a c 层给转 发节点分配带宽影响节点对有用信号的监测；传输调度造成低带宽和延迟会迫 使选路改径，而路由选择又会改变一系列的链路调度。应用层也并非与底层完 全隔绝，采用过滤、压缩等编码机制增强网络传输性能。因此，在无线多媒体 传感器网络中需要跨层协作来改善总的系统性能，如q o s 、能耗、信道利用率 盘占 号fo 为了在稳定性差、资源受限的无线网络上传输多媒体数据流，各个层次都 采取了一系列措施，如多媒体过滤、压缩、流量自适应、q o s 感知路由等等。 协议栈底层大多是为了增加网络吞吐量、减少能耗、有效利用网络资源而设计 的，对多媒体信息及其应用特性考虑欠佳，无线多媒体传感器网络跨层设计就 是在网络资源和q o s 需求的约束条件下，结合各层的优化策略，实现层间信息 交换和控制，以达到有效传输多媒体数据流的目的【3 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 无线多媒体传感器网络q o s 需求 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 是指网络在传输数据流时所必须满足 的一系列服务需求，这些需求就是所谓的q o s 参数；而q o s 路由【1 3 】是一种 基于网络的可用资源和业务流的q o s 要求来选择路径的路由机制或一种包含 各种q o s 参数的动态路由协议，就是用来查找满足q o s 要求的路径。 传统无线传感器网络提供尽力而为服务，在路由协议的设计上以节约能耗 为主要目标。在无线多媒体传感器中，音视频数据流的传输对时延和抖动非常 敏感，某些周期性检测( 如森林火灾监控的温度信息) 数据的传输对可靠性要 求较高。不同应用q o s 需求不同，这就需要提供有差别的保证服务，面向具体 应用，为q o s 路由选择合理的度量参数。影响无线多媒体传感器传感器网络应 用的q o s 因素主要有： ( 1 ) 带宽：指数据的传输速率。在无线网络中传输音、视频等多媒体数 据对网络带宽提出了更高的要求，要针对各类应用的特点，合理分配带宽，保 证网络的吞吐量和连通性。 ( 2 ) 时延：是指数据包从发送到接收所用时间。音、视频多媒体信息时 延敏感，在网络中主要表现为排队、处理、发送时延总和。 ( 3 ) 时延抖动：是指时延的变化。在语音服务里，时延抖动必须限制在 一定范围内，不然会影响通话质量。数据包通过物理层传输的时间主要由数据 包长以及物理层的传输速率决定，数据包的传输时间在路由确定的情况下是相 对固定的，因此，延时抖动主要和数据包在中间节点的缓冲区等待的时间相关。 ( 4 ) 可靠性：低端节点对环境进行监测，发生突发事故立即唤醒高端节 点对目标进行详细监控，这样低端节点采集的红外、温度、湿度等周期性监测 数据的可靠性要求较高。 无线多媒体传感器中往往存在多种类型的数据流，可以针对这些数据流的 q o s 需求的不同，在设计路由协议时，采用区分服务机制，为它们选择不同的 度量策略。已有的无线多媒体传感器q o s 路由算法大多基于单一度量，路由计 算的复杂度较低，同时考虑带宽、时延和丢包率等多种q o s 约束参数组合的混 合度量是一种n p 完全问题【l 钔，难以达到一种较好的平衡。可用去度量相关性 或转化为单一度量来降低计算复杂度，或者逐级筛选，将多个q o s 路由尺度按 照重要性排序，首先基于第一个尺度寻找可行路径，下一级度量基于前一级得 9 武汉理工大学硕士学位论文 到的可行路径上进行筛选，直到满足所有的q o s 尺度。q o s 路由的更新的频率 和消息的大小应在路由开销和计算准确性上折衷。 2 3 无线多媒体传感器网络路由算法介绍 2 3 1q o s 路由 无线多媒体传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用的q o s 需求是不 同的。例如，在目标监控和跟踪系统中，音视频传输时延和抖动要小，容错性 好；在环境监测中异常监测结果传输的可靠性要高。这就需要针对不同的q o s 问题，选择合适的路径约束条件。 ( 1 ) 实时性 实时性保障可分为网络资源预留和业务流区分服务。前者在选路之前查询 网络状况，包括网络是否拥塞、路径上预约流的个数、节点剩余能量等，只有 当网络能够提供实时性保证的时候，才建立路由，实现端到端传输；后者基于 类别地处理数据流，不同类型的数据流( 音频、视频、标量) 根据其实时性需 求划分为不同等级，相应的提供不同带宽、时延、抖动保证，每个数据包根据 需求分到不同的业务流中。 s p e e d t ”】协议先交换节点的传输延迟，得到网络负载情况；然后利用节点 局部地理位置信息和传输速率作出路由决定，选中的下一跳节点的传输速率必 须大于预定的传输速率阈值。这种方法为每个即将发送的数据流预约资源，有 效地避开网络拥塞，但其网络查询机制开销过大，扩展性不强，而且为突发性 数据预留资源是没有意义的。 1 6 】中a k k a y a 等人将网络中的图像数据分为实时和非实时的业务流，数据 的端到端延迟乙一鲥= + 耳，其中，疋为队列延迟，耳为通信延迟，在保证 实时流的端到端实时传输( 乙一训t r e q u 。耐，k ，脚为时延阈值) 同时，尽量最 大化非实时流的吞吐量，为不同类型数据选择不同调度算法。 1 7 中基于q o s 的地理位置路由将两种机制融合使用，综合考虑邻居节点 相对于基站的位置、队列中的预处理包和剩余能量，将基于事件驱动的图像传 感器网络的数据分为两种优先级：事件驱动数据包( 传输概率为p ) 、周期监测 数据包( 传输概率1 - p ) ，用两个单独的队列分别存储这两种数据包，把“队列 长度包的传输概率”的比值作为队列权值函数，动态调整p 的值可以满足不同 l o 武汉理工大学硕士学位论文 业务对实时性的要求，但其只考虑了队列延迟。 ( 2 ) 可靠性 无线链路稳定性差，传感器网络通常采用多径路由或对每跳节点建立可靠 性估计机制来实现媒体数据的可靠传输，如a f s 和r e i n f o r m 。m m s p e e d 1 8 】 是在s p e e d 协议上发展而来的，提出了一种多速度多路径算法，源节点到目 的节点有多条速率层路由，每个节点配备多种预定的传输速率阈值，针对实时 性要求不同的业务流，选择传输速率大于特定阈值的邻居节点为下一跳节点， 若当前速率不能满足时延限制，中间节点可以调整速率阈值；各节点为当前数 据包分配可达需求p 嘲，邻居节点中所有能成功将该包转发到目的节点的概率 大于p 御的节点做为下一跳节点，如此构成多径路由，根据业务流的可靠性级 别选择合适的尸嘲。 2 3 2 能量有效路由 若无线多媒体传感器网络不考虑能量因素，传输大数据量的音视频流对能 源的损耗是很快的，如m m s p e e d 的网络生存期为几个小时或者一天【1 8 】。现有 路由协议的节能机制大多是在原有协议的基础上引入能耗衡量指标( 节点的剩 余能量、最小能耗等) 以求选取最优能耗路径，或者采用数据融合技术减少传 输数据量，来延长网络生存时间。但这样会使某些“关键 节点过度使用导致 电源耗尽，如在 1 9 】中提到，感知节点( 特别是在稀落布控区) 由于其在采集 数据时消耗过多能量不应选为转发节点， 2 0 和 2 1 】中结合覆盖策略判断节点的 重要性，监测区域的节点能量覆盖冗余度小就说明该区域为稀疏布控区，该区 域的节点权值高应当执行感知任务，尽量选择与其他节点感知范围重叠多的做 为路由节点。【1 9 】中在d a p r 【2 0 j 的基础上将节点剩余能量引入权值函数，如式 ( 2 2 ) ： e 讲n f ( x ，y ) = e ( s ，) ( x ，y ) f o v ( s j ) ( 2 - 1 ) s y x 。y 1 f o p t s j ) c , o , o , ( s a2 巳( s ) + c 剧( s a 一丽1 + m a x 丽i 2 - 2 ) 其中，式( 2 1 ) 为能监测到点( x ，y ) 的所有视频节点剩余能量值和，为 该点的能量覆盖冗余度，e ( s j ) 为节点q 的剩余能量，( x ，y ) f o v ( s a 表示点 武汉理工大学硕士学位论文 ( x ，y ) 在墨的视域范围内。选择视频节点检测范围中能量覆盖冗余度最小的 区域做为该节点的覆盖权值c 么( s ) ，c 尉( s a 为剩余能量权值，进一步减少能 量消耗。 2 3 3 分层路由 无线多媒体传感器中多种类型的节点并存带来一系列问题，如：通信能力 和感知能力各异，链路不对称，剩余能量和能耗速度不同，若所有节点在选路 过程中处于同等地位将造成资源严重浪费，过度使用资源有限的节点容易使之 成为网络瓶颈，研究人员大多采用层次结构的路由来屏蔽这些差异2 2 】【2 3 】。将 处理能力、通信能力较强的节点选为簇头，执行数据聚合、融合等较为复杂的 算法，相邻簇可以使用不同的信道传输以减少冲突，簇内簇间一般选用不同的 路由机制，簇内节点采集的数据在簇头处进行聚合，经压缩去除冗余后由主干 网发送到汇聚节点。 2 2 采用q o s 评估做为成簇规则，簇内簇问路由协同对多媒体流提供实时 性、可靠性和能量有效性保证。上文介绍的带有移动群组的无线多媒体传感器 网络1 9 1 使用了l a n m a r 路由，每个群组动态选举一个节点做为路标( 簇头) ， 路标之间使用一个全局的距离矢量机制( d s d v ) 在整个网络中传播关于所有 路标的路由信息；群组范围内，选择主动路由协议( f s r ) 维持本地范围内的 路由信息。 x d u 等人为异构传感器网络引入加密技术提供一种两层安全路由协议 t t s r e 2 3 】，簇内每对低端邻居节点共享一份a p ( a s y m m e t r i cp r e d i s t r i b u t i o n 不 对称预分配) 秘匙，根据邻居节点数据冗余性建立以簇头为根节点的树形路由 来最小化全簇能量消耗：需要数据融合，m s t ( 最小生成树) ；无需数据融合， s p t ( 最短路径树) ；簇头知道基站和邻居簇头的地理位置，建立簇问路由的时 候，在簇头和基站间画一条线段，与此线段有交点的簇内的簇头节点为转发节 点。 c w r 2 4 】算法充分考虑不对称链路对拓扑建立的影响，在簇内就近选取高端 节点( 簇头) 一跳范围内的低端节点代替簇头节点进行多级扩散，从而将异构 多媒体传感器网络中低端节点到簇内高端节点的路由信息建立问题转化为一个 同构传感器网络中的路由问题。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 4 性能比较 表2 - 1 对路由层协议进行比较分析，为支持很好，n 为支持较好，支持较 差或不支持。 表2 1 路由协议性能比较 资源预区分 协议跨层 实时性 可靠性异构性节能 留 服务 s p e e dn- a k k a y ae ta l _nn s a v i d g ee ta l nnnn m m s p e e dnj- d g r n-n-n d a p r nx _ s s o r oe ta l - l a n m a r n _ s t 6 p h a n ee ta l nnnnjn c w rn-n 2 4 本章小节 本章介绍了无线多媒体传感器网络协议栈各层的作用及相互联系，研究其 q o s 应用需求，介绍了当前一些典型的无线多媒体传感器网络传感器网络路由 算法，并分析这些算法的特点、性能及存在的缺陷。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章时间、能量敏感的a d s r 路由 3 1 应用背景和系统模型 3 1 1 网络模型 无线多媒体传感器网络中既存在红外、温度、湿度