（计算机软件与理论专业论文）流式传输在无线传感器网络中的实现.pdf

n s 产f fc 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：独日期： 汐阳、6 。 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东：i l n 范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：殛 日 期：鲨 里： b ，则传感器节点推断在下一个发送间隔内将发生拥塞。这时，它在 其将要发送的分组头中设置c n ( c o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ) 心铂位，以通知s i n k 节点将要 发生的拥塞。s i n k 节点接收到了c n 的分组后，结束可靠性t l 和当前网络的状态s ，减 小源节点的发送速率，实现缓解拥塞。 2 f u s i o n 在近些年的里，研究人员主要开发出了三套用来避免拥塞的技术。源速率限制模式， h o p b y h o p 的流控制和有优先级的m a c 层协议。通过这三种技术可以有效的改善无线传 1 4 东北师范大学硕士学位论文 感器网络的公平性，有效性和信道的丢失率。 ( 1 ) h o p b y h o p 的流控制：在这个流控制的方式中，我们先将每一个无线传感器节 点上都预置一位来作为拥塞的发送和反馈用。利用无线传感器网络在组网中可以广播的 特性，我们可以让传感器节点没次都向邻居几点都发送一个拥塞反馈。( 1 ) h o p b y h o p 的流控制主要分为两个部分，首先就是拥塞检测部分，拥塞检测有两种方法，及通信信 道采样和队列占用两种方法。其次就是拥塞减轻。拥塞减轻主要就是通过管理节点来抑 制下层节点的发送速率，从而避免在下一跳的节点中发生队列溢出的问题。 ( 2 ) 源速率限制模式：在理想在状态下我们假设在监测区域内所有的传感器节点都 有着相同的通信负载和路由路径。接下来我们将每个传感器监听到上层节点所发送的通 信量来估测为n ( n 为源节点在通过父节点进行路由转发的总数) 。然后我们使用标记模 式来标记每个传感器节点的发送速率。每当传感器子节点在监听到有父节点所发送的标 记时就将标价数加一，直到标记的数达到最大值为止。只有在节点的标记数大于零的时 候，此节点才允许在网络中发送数据。每发送一个数据，就在标记中减一，直到消耗完 为止。 ( 3 ) 有优先级的m a c 层协议。标准的c s m a 瞳鲫协议使所有的传感器节点竞争传输，它 们具有等同的成功机会。然而在拥塞时期，这种策略会降低性能，因为发生拥塞的节点 不能够快速地向其邻居节点传播拥塞控制反馈信息。因此，让拥塞的节点优先访问无线 介质是必要的。为了解决这个问题，该机制采用了一种技术，让每个传感器节点的随机 回退值作为本地拥塞状态的函数。如果一个节点发生了拥塞，则令其回退窗口的大小为 非拥塞作为本地拥塞状态的函数。如果一个节点发生了拥塞，则令其回退窗口的大小为 非拥塞节点的l 4 ，使得发生拥塞的节点更容易获得争用周期，进而实现释放队列，增 大了拥塞控制信息在邻居节点间传播的可能性。 3 c o d a ( c o n g e s t i o nd e t e c t i o na n da v o i d a n c e ) 由于现有的无线传感器网络大部分都是基于事件驱动的工作状态，所以网络一般情 况下都是在闲置或者轻负载的状态。但是在某种特殊的情况下，有可能多个事件同时发 生，这样就是整个网络极易造成拥塞状态，而在这个拥塞期间很有可能丢失掉用户最想 得到的数据。为了避免这种情况的出现，研究人员就提出了c o d a 的拥塞控制模式。该 控制模式有三种机制来共同完成。以下我们来具体介绍一下这三种机制。 ( 1 ) 拥塞检测：在无线传感器网络中，精确有效的检测当前网络的拥塞状况是非常 必要的。c o d a 的拥塞控制模式主要就是通过结合队列占用情况和通信信道的负载状态来 计算出当前整个网络的拥塞状态。由于一直的监听需要使用很高额的能量，而能量负载 量有限在无线传感器网络中式普遍存在的缺点。所以我们不能采用这种方法来对网络进 行监听。而c o d a 所采用的是在节点发送缓冲非空的时候对通信信道进行检测。从而大 大的减少了能源的开销，同时也达到了检测拥塞的目的。 ( 2 ) 开环h o p b y - h o p 的后压机制。在无线传感器网络中，只要有一个节点检测到拥 塞，那么它将这条拥塞消息将以广播的形式向后压消息。此条后压的消息将向着消息的 来源节点方向发送。在网络中接受到这条拥塞消息的节点会根据本地的拥塞控制协议来 1 s 东北师范大学硕士学位论文 抑制消息的发送速率和合丢弃一些无用的分组。 ( 3 ) 闭环多源调节。当源事件速率低于信道吞吐量的某一阈值时，源节点自行调节 其速率；当超过了这一阈值即触发闭环拥塞控制机制的执行。此时源节点需要来自s i n k 节点恒定的、慢时标的反馈信息( 如a c k ) ，若能够接收到a c k 消息，源节点维持其当前 的事件速率，否则迫使源节点降低其自身的速率。 4 3t c p u d p s c t p 在w s n 使用的比较 传统协议t c p u d p 及s c t p 在无线传感器网络上的使用各有不同之处，比较如下： 1 t c p u d p 传输协议常常被用于减少拥塞和减少分组丢失的情况，带宽分配的公平性以及保证 端到端的可靠性，它是研究传感器网络的一个重要方面。然而，被使用在因特网上的传 统的传输协议( 如u d p 和t c p ) 乜6 1 不能在w s n 上直接实现。例如，u d p 不能提供可靠的传 输，而这在w s n 的多少应用中可能被需要，也没有提供流和拥塞控制，这将导致分组丢 失和不必要的能量消耗。另一方面，t c p 也有如下缺陷： ( 1 ) 在事件驱动的应用中，t c p 连接确立对数据收集是不公平的： ( 2 ) t c p 中的流和拥塞控制会歧视远离汇聚节点的传感器节点，而导致不公平带宽的分配 和数据收集： ( 3 ) 众所周知，t c p 会降低无线系统的吞吐量，尤其在高分组丢失率的清况下； ( 4 ) 与逐跳控制相比，t c p 中的端到端拥塞控制具有缓慢的响应效应，这意味着它需要一 个较长的时间去减轻拥塞，并在拥塞发生时继而导致高的分组丢失； ( 5 ) t c p 依靠端到端的重发去提供可靠的数据传输，这一特点与逐跳重发相比，就意味着 消耗更多的能量和带宽； ( 6 ) t c p 保证分组的成功重发，这在w s n 的事件驱动中不一定是必须的。 2 s c t p 新型传输协议s c t p 是一种通用的，可扩展并且可靠的传输层协议，大部分的功能 在基站中得以实现。s c t p 提供了受控的可变可靠性，拥塞探测和避免，支持同一网络中 的多种应用。利用这种现有的传输协议，研究它们在w s n 上的效果，使之能够应用在该 种网络上，这将有效的减少人力物力的消耗。 4 4 小结 本章主要介绍了无线传感器网络的基本概况，包括网络的结构和特点等，接着分析 了目前在该网络上的一些网络通信协议，然后指出了传统传输协议如u d p t c p 在无线 传感器网络上的缺陷，并引进了通用的新型传输协议s c t p 。 1 6 叮 第五章基于无线传感器网络的流式传输设计 5 1 对流式传输在无线传感器上的实现进行框架及流程的设计 m o d u l ec c 2 4 2 0 a c t i v e m e s s a g e p p r o v i d e s i n t e r f a c ea m s e n d a m i d ti d ： i n t e r f a c er e c e i v e a m i d ti d ： i n t e r f a c er e c e i v ea ss n o o p a mi d ti d ： i n t e r f a c ea m p a c k e t ： i n t e r f a c ep a c k e t ： ) u s e s i n t e r f a c es e n da ss u b s e n d ： i n t e r f a c er e c e i v ea ss u b r e c e i v e ： i n t e r f a c ec c 2 4 2 0 p a c k e t ： i n t e r f a c ec c 2 4 2 0 p a c k e t b o d y ： in t e r f a c ec c 2 4 2 0 c o n f ig ： i n t e r f a c ea c t i v e m e s s a g e a d d r e s s ： ) ) i m p l e m e n t a ti o n e n u m c c 2 4 2 0 _ s i z e = m a c _ h e a d e r _ s i 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传感器网络中除了图像源节点和s i n k 节点，其他中继节点的能量相对有限，频繁 地发送和接收数据量较大的图像信息会大大地消耗节点的能量，甚至造成节点的死亡， 这样将会降低网络的通信质量。为了网络负载均衡，避免单条路径上节点的能量被快速 消耗，并结合上述图像传输的特点分析，所以选择将图像分解，采用多路径传输体系， 见图。 2 1 l 彗 l 一一 一 一 文一t一 上 缸 塑吣 n 帕 位一吐 1一 m 墅随 锄一 硕一阻 圳 警一 劬 i 量 大一j 舶 舱 型恨 ” 啪 幽三 蛋 仰 匕一c n 引 意一 一 哥 箫 一 一一一一 一 一一一 一 一 东北师范大学硕士学位论文 图5 - 1 多路径传输体系结构 5 2 2 数据处理与帧定义 1 数据获取 在多媒体传感器网络中，对于节点分布区域内图像的采集主要是通过图像传感器来 实现的，通常采用c c d 或c m o s 图像传感器 2 7 。大部分的图像采集节点都对图像进行 数据压缩以减少传输压力。 2 数据分组描述 图像传感器节点采集到的图像文件包括图像头部和图像数据，为了便于分组传输， 将一幅图像g 的所有数据表示为分组g = g o ，g 1 ，? ，g n 。g 0 定义为图像头部，g 1 ，g 2 ，? ，g n 表示每一个实际的图像数据分组，1 ，2 ，? ，n 表示数据分组的序列号。需要注意的是，图 像数据的分组大小应当由网络层的m t u