基于拥塞控制的无线多媒体传感网地理位置路由协议.pdf

第 1 8卷 第 3期 2 0 1 2年 6月 上 戈 报 自然 科 学 版 里 旦 I V E R S I T Y N A T U R A L S C I E N C E V 0 1 1 8 N o 3 J u n 2 0 1 2 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 2 8 6 1 2 0 1 2 0 3 0 0 2 基 于拥 塞控制 的无线 多媒体传 感 网地理位置路 由协议 金彦亮 张 勇 薛 用 张震 上海大学 特种光纤与光接入网省部共建重点实验室 上海 2 0 0 0 7 2 摘要 无线多媒体传感网络 w i r e l e s s m u l t i m e d i a s e n s o r n e t w o r k WMS N 是一个能量受限的网络 能量问题直接影响 到网络的生命期 如果知道目的节点的地理位置信息 路 由请求 r o u t i n g r e q u e s t s R R E Q s 就可 以减小包的转发范 围 减少不必要的能量消耗 地理位置路由 1 o c a t i o n a i d e d r o u t i n g L A R 基于该思想被提出 在 L A R协议的基础上 利用媒体访问控制层 m e d i a a c c e s s c o n t r o l MA C 的拥塞信息 提 出基于拥塞控制的 L A R路由协议 I L A R i mp r o v e d L A R 仿真结果表明 I L A R具有路由开销少 吞吐量大和包时延小的特点 适合作为 WMS N的路由协议 关键词 无线多媒体传感网络 请求区域 拥塞信息 地理位置路由 I L A R 中图分类号 T P 3 9 3 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 7 2 8 6 1 2 0 1 2 0 3 0 2 2 7 4 3 4 Lo c a t i o n Ai de d Ro ut i ng Pr o t o c o l Ba s e d o n Co n g e s t i o n Co n t r o l i n W i r e l e s s Mu l t i me d i a S e n s o r Ne t wo r k J I N Y a n l i a n g Z HANG Yo n g XU E Yo n g Z HAN G Z h e n K e y L a b o r a t o r y o f S p e c i a l t y F i b e r O p t i c s a n d O p t i c al A c c e s s N e t w o r k s S h a n g h a i U n i v e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 C h i n a Ab s t r a c t Wi r e l e s s m u l t i me d i a s e n s o r n e t w o r k WMS N i s a n e n e r g y c o n s t r a i n e d n e t w o r k E n e r g y i s s u e o f WMS N d i r e c t l y a f f e c t s t h e n e t w o r k l i f e t i me I f t h e l o c a t i o n o f a d e s t i n a t i o n n o d e i s k n o w n r o u t i n g r e q u e s t s R R E Q s c a n r e d u c e f o r w a r d i n g r a n g e o f t h e p a c k e t a n d t h e r e f o r e u n n e c e s s a r y e n e r g y c o n s u m p t i o n L o c a t i o n a i d e d r o u t i n g L A R t h u s a p p e a r s T h i s p a p e r p r o p o s e s a n i m p r o v e d L A R I L A R p r o t o c o l t o c o n d u c t c r o s s l a y e r r o u t i n g d e s i g n b y u s i n g c o n g e s t i o n i n f o r m a t i o n o f t h e m e d i a a c c e s s c o n t r o l MA C l a y e r S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t I L A R p o s s e s s e s s e v e r a l f e a t u r e s s u c h a s l o w o v e r a l l l a t e n c y s ma l l r o u t i n g o v e r h e a d a n d h i g h t h r o ug h p ut wh i c h a r e s u i t a b l e f o r W MS N r o u t i n g p r o t o c o 1 Ke y w o r d s w i r e l e s s mu l t i me d i a s e n s o r n e t w o r k WM S N r e q u e s t a r e a c o n g e s t i o n i n f o r ma t i o n l o c a t i o n a i d e d r o u t i n g L A R i m p r o v e d L A R I L A R 无 线 多 媒 体 传感 器 网络 w i r e l e s s mu l t i m e d i a s e n s o r n e t w o r k WM S N 是一种能在任何地方获得环 境中视频和音频流 静止图像和标量传感数据 的无 线互联设备 网络 大信息量 的多媒体数据 的采集与 处理 在军事 民用和商业领域中具有广阔的应用前 景 由于无线自组织网络和多媒体数据传输的特性 网络协议 的设计成 了决定 WMS N性 能至关 重要 的 一 部分 大吞 吐量 时延 小 节 能和 具有 服务 质量 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 8 基金项 目 上海市重点学科建设资助项 目 3 0 1 0 8 上海市科 委重 点实验 室资助项 目 0 8 D Z 2 2 3 1 t O 0 上海市 教委科研创新 基金 资助项 目 0 9 Y Z 3 3 上海市科委重点资助项目 1 0 5 1 1 5 0 1 3 0 3 上海市经信委重点资助项 目 1 1 C H 1 1 通信作者 金彦亮 1 9 7 3 男 副教授 博士 研究方 向为无线传感 网等 E m a i l j i n y a n l i a n g s t a ff s h u e d u c n 2 2 8 上窿戈彳 报 自然 科 学 版 第 1 8 卷 q u a l i t y o f s e r v i e e Q o S 特性 的 WMS N协议 研究具 有着十分重要 的意义 无线 自组 网按需平面距离矢量 路 由 a d h o c o n d e ma n d d i s t a n c e v e c t o r r o u t i n g A O D V 动态矢量 路由 d y n a m i c s o u r c e r o u t i n g D S R 等经典的路由 协议 在路由建立 的过程中会通过洪泛的方式发送 R R E Q请求分组 用洪泛 R R E Q请求包发送的缺点 就是包的转发范 围过大 其 中包 括一些不必要 的节 点 WMS N是一个能量受限的网络 能量问题直接影 响到网络的生命期 洪泛方式导致其控制开销过大 增加了节点能量的消耗 如果知道 目的节点 的地理 位置信息 路由请求就可以减小 R R E Q包 的转 发范 围 减少不必要 的能量损耗 地理位置路 由 1 o c a t i o n a i d e d r o u ti n g L A R 就是基于该思想提 出的 本研 究在 L A R协议的基础上 利用媒体访问控制 m e d i a a c c e s s c o n t r o l M A C 层的拥塞信息 提出了基于拥塞 控制 的 L A R路 由协 议 I L A R 仿 真结 果 表 明 I L A R具有路 由开销少 吞 吐量大和包 时延小 的特 点 适合作为 WM S N的路由协议 1 L AR路 由 1 1 L AR 路 由概 述 在 L A R路由算法中 每个节点 的路 由表 中包含 有网络中其他任何节点的位置信息 节点的地理位置 信息可以由全球定位 系统 g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m G P S 得到 L A R采用一种全新 的方式传播和更新位 置信息 当A节点需要发送数据给 B时 它会使用 B 的位置信息来确定 的洪泛区域 并且把信息传给 的洪泛区域中的下一跳 每个邻居节点重复这样的过 程 最终把路由请求包发送到 目的节点 然后节点根 据按需路由的方式来建立路 由 确定 的洪泛区域 取决于位置信息在网络中的传播方式 在 L A R中 每 个节点将 自己现在的位置信息发送给其他节点 1 2 L A R 位置 问题 L A R路由协议使用位置信息来降低路由的开 销 L A R协议的位置信息由G P S 5 引提供 利用 G P S 节点可以知道移动节点现在的物理地址 事实上 由 G P S 提供的位置信息是有误差的 在 L A R协议中 假设每个节点知道 自身现在精确 的物理地址 并且 假设节点是在平面上运动的 2 基于拥塞控制的 L AR I L AR 2 1 测量拥塞 本研究利用 MA C层利用率和 网络接 口队列长 度两个方面的拥塞信息来改进 L A R协议 节点 M A C 层平均利用率可以表明节点周围无线信道的繁忙程 度 MA C层平均利用率 的定义为 一段时 间内节 点网络接 口队列有包或者正在发送包 的时间比例 由于 M A C层的瞬时利用率为0或者1 因此 算法在 一 段时间内 比如 l 0 s 对其进行加权平均 来得到 节点 M A C层平均利用率 根据 M A C层利用率 的定义 当节点正 在发送 1 个包 而接 口队列 为空时 其 MA C层瞬时利用率 为 0 测量这个值 需要节点监测 自己的 M A C层状 态 本 研 究 利 用 I E E E 8 0 2 1 1 分 布式 协 调 功 能 d i s tr ib u t e d c o o r d i n a ti o n f u n c t io n D C F 来仿真测量 MA C层利用率 当处于虚拟载波侦听延迟 帧间间 隔或者退避状 态时 节点 的 M A C层 瞬时利用 率为 1 当发送队列至少有 1 个包时 M A C层利用率也为 I 瞬时发送队列长度对 系统性能有重要的影响 通 常 M A C层拥塞影响不大 但是包的积压则对系统 影响更大 它不仅会增加包的时延 甚至会 因为队列 的长度限制而丢掉一些包 本研究方案结合 了 MA C 层利用率和瞬 时队列 长度来判断 每个 节点的拥塞 程度 2 2 路由发现的改变 在 L A R 的路 由发 现 中 节 点 进 行 有 控 制 的 R e q u e s t 洪泛 当一个 R e q u e s t 到达 目的节点或者 到 达一个有路 径到 目的地 的节 点时 该 节点会 回发 R e p l y到源节点 这些 R e q u e s t 经过特别繁忙 的节点 会带来一定的弊端 这些 R e q u e s t 包会增加这 些区域的繁忙程度 路 由发现 产生 的路 径是 由 R e q u e s t 包经过 的节点组成的 而 R e q u e s t 经过的繁 忙节点就有可能被选为路 由节点 但这条路 由的质 量不高 如果路由经过这些区域 数据包流会导致这 些区域的节点更加繁忙 从而导致所有用户 的性能 下降 本研究利用 M A C层的拥塞信息来改变 L A R路 由发现机制 如果一个 中继节点 收到一个 R e q u e s t 它首先查看拥塞情况 如果拥塞度 已经超过 了设定 的门限 说明该节 点已经很繁忙 此 时 该节 点就不 会处理和转发路 由请求 而是直接把 R e q u e s t 丢弃 这样路 由发现就忽略 了这些繁忙节点 流程如 图 1 所示 采用这种处理后 路由更容易选择 比较空 闲的 路径而不是最短的路径 增加 了整个 WMS N网络的 公平性 这对能量受限的传感器网络特别重要 第 3期 金彦亮 等 基于拥塞控制的无线多媒体传感网地理位置路由协议 2 2 9 图 1 节点处理一个路 由请 求包的流程图 Fi g 1 Fl owc har t o f a no de pr o c e s s i ng Re que s t 这些改进是很容易执行的 但还是存在 两个缺 点 它可能引起源节点找不到可到达目的节点的 路 由 例如确实有路径存在 但是这条路径经过信道 拥塞节点 协议在路径搜 索 中避开繁忙 区域 会 导致找出的路径更长 造成网络总的开销增大 本研 究进一步改进了这种方法 在 R e q u e s t 中增加了一个 标志位 用来表示是否运用这种优化 J 节点在发送 R e q u e s t 之前首先检查其缓存 如果没有一条到 目的 节点 的路径 则 把这个标志位置 0 进行路 由 所有 节点转发 R e q u e s t 这种方法扩大 了搜 索区域 而不 是简单地搜索更大跳数 的路 由 如果还是没有找 到 路 由 则 L A R 根 据 规则 把 请 求 区域 扩 大 到整 个 网络 2 3 路由修复策略的改进 L A R路由是在 D S R路 由的基础上改进 而来 其 路 由修复过程如下 当一个节点转发一个包但是没 有收 到 下 一 跳 的 A C K 该 节 点 会 向源 节 点 发 送 E r r o r 并且选择另外一条路 由到达 目的节点 节点首 先查看路 由缓冲器 如果找到一条路径 就用新路径 代替原路径 因此 路 由修复是 中继节点发现下一跳 损坏但避免把包丢弃 的一种机制 本研究所作 出 的改进即是针对此种情况 的考虑 假 如这些 中继节 点周 围的无线信道都很繁忙 那 么在 发生链 路损坏 的情况下 节点直接把包丢弃 而不进行路 由修 复 因为在这种情况下进行路 由修复弊大于利 其 中有 两个很重要的原 因 特别拥塞 的节 点 由于碰撞 或者噪声的问题 会导致接收包有很大的丢失率 而 节点在这种情况下进行路 由修复没有意义 因为高 的包丢失率 导致接收到的路由信息包越来越少 路 由表中存储了一些低质量的路径 还不如直接丢弃 如果节点在进行路 由修复 时把包传 给一个 已经 移走的邻居 会重复几次发送请求发送包 r e q u e s t t o s e n d R T S 导致这个 节点的邻居侦听到这些 R T S 后需要等待一段规定 的时间 这会进一步加剧周 围 节点的拥塞状况 3 协议仿真与分析 本研究采用网络仿真器版本 2 n e t w o r k s i m u l a t o r v e r s i o n 2 N S 2 来仿真本协议 设 置节点运动速度为 1 0 m s 每个包的大小为 5 1 2 B 网络由 4 0个固定码 率 c o n s t a n t s b i t r a t e C B R 流的节点组成 在6 0 0 m 6 0 0 m 的 区域 里 面 采 用 用 户 数 据 包 协 议 u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l U D P 传输 源节点和 目的节点对 随 机选择 C B R包 的速率 在 1 0 6 0 p a c k e t s s之 间变 化 改变网络的负载强度 由图 2可见 在轻载 的情 况下 I L A R和 D S R L A R的吞 吐量差别不大 但当包 的速率达到 3 0 p a c k e t s s 时 I L A R的吞 吐量 明显 高 于 D S R和 L A R 这是 因为在重载的情况下 D S R和 L A R出现了某些节点 的拥塞 进而导致 了系统整体 性能的下降 随着负载的增加 I I AR在吞 吐量方 面 的优势更加 明显 而且起到了负载均衡 的作用 防止 了拥塞 避免 了某些节点能量过早耗尽而死亡 由图 3可见 I I J A R每成功发送一个数据包所用 的路 由包 数和 L A R相似 但是 明显低 于 D S R 这是 因为 I L A R 和 L A R都是基于位置信息的路由 它们限定了路由 请求 的洪泛范围 极大地节省了路由开销 进而节约 了节点 的能量 I L A R采用 了防拥塞的路 由 减少了 繁忙节点 的碰 撞重 发和路 径损 坏 其 开销 稍优 于 L A R 由图4可见 I I AR D S R和 L A R在轻载的情况 下其包的端到端 的时延几乎相 同 当包的速率达到 3 0 p a c k e t s s 时 三者 的时延出现了差别 I L A R的时 延 明显低 于 D S R和 L A R 这是 因为节 点负 载增加 后 某些节点出现拥塞 造成端到端 的时延增大 而 I L A R避免 了路 由经过拥塞节点 因此 其端 到端 的 时延 比较小 4 结 束 语 L A R路由节省 了开销和能量 本研究在 L A R基 础上提 出了基于拥塞控制 的 I L A R 并利用 MA C层 拥塞信息对L A R 进行 了改进 仿真结果表明 在吞吐 2 3 0 上落 戈 报 自然 科 学 版 第 1 8 卷 P a c k e t r a t e p a c k e t s S 一 1 图 2 吞吐量与负载 ri g 2 Thr o ug hput V S 1 o a d P a c k e t r a t e p a c k e t s s 1 图3每成功发送一个数据包用的路 由包数与负载 F i g 3 Ro u t i n g p a c k e t s u s e d i n s e n d i n g a p a c k e t s uc c e s s f u l l y V S 1 o ad 0 P a c k e t r a t e p a c k e t s S 图 4 端到端的时延与负载 Fi g 4 E n d t o e n d d e l a y V S 1 o ad 量 每包所用路 由包数以及端到端的时延方面 基于 拥塞 的 I L A R的性能都要优于 D S R和 L A R I L A R可 以作为一种有效的 WMS N路 由协议 参考文献 1 C H A R L E S E P E L I Z A B E T H M R A d h o c o n d e m a n d d i s t anc e v e c t o r mu t i n g C S e c o n d J E E E Wo r k s h o p o n Mo b i l e C o mp u t i n g S y s t e ms a n d Ap p l i c a t i o n s 1 9 9 9 9 0 1 0 0 2 D A V I D B J D A V I D A M J O S H B T h e d y n a m i c s o u r c e r o u t i n g p r o t o c o l f o r mu h i h o p w i r e l e s s a d h o e n e t wo r k s J A d H o e N e t w o r k i n g 2 0 0 1 5 1 3 9 1 7 2 3 K O Y B V A I D Y A N H L o c a t i o n a i d e d m u t i n g L A R i n m o b i l e a d h o c n e t w o r k s J Wi r e l e s s N e t w o r k s 2 0 0 0 6 4 3 0 7 3 2 1 4 张锦 传感器网络中基于位置信息的路 由算法研究 D 长沙 湖南大学 2 0 0 4 1 4 2 0 5 D O M M E T Y G J A I N R P o t e n t i a l n e t w o r k i n g a p p l i c a t i o n s o f g l o b al p o s i t i o n i n g s y s t e m s G P S R O h i o U S A Oh i o S t a t e Un i v e r s i t y 1 9 9 6 6 R A J A G O P A L I B I P L A B S S c al a b l e and d i s t r i b u t e d G P S f r e e p o s i t i o n i n g fo r s e n s o r n e t w o r k s C 2 0 0 3 I n