无线多媒体传感器网络QoS 路由协议的研究

文/李玲香

针对无线多媒体传感网络的QoS 要求，本文引入了定向扩散协的思想，在DD 基础上进行了改进和扩展，提出了一种适合多媒体传感器网络的QoS 路由协议，该协议的基本思想是在扩展原DD 协议兴趣包格式的基础上建立梯度，在数据传输阶段，转发节点的确定是基于跳数、负载、能量三维QoS 参数不同优先级排序来构建决策概率进行选择。仿真实验结果表明：该路由算法能够提供不同业务的QoS 保障，能很好地均衡网络负载和优化网络能量消耗。

摘 要

一种按需路由协议，它不用周期的维护路由表，只需在需要的时候才进行路由的建立，从而大幅的减少控制流量开销，协议简单，可以自动趋向于最短路径和最小时延等优点，倍受研究者关注，并做了相关的研究。定向扩散路由机制分为兴趣扩散、梯度建立和路径加强3个阶段，首先，汇聚节点(sink) 根据不同应用需求定义不同的“兴趣”消息，采用洪泛的方式将兴趣注入网络。同时，完成从数据源节点(source) 到汇聚节点的梯度建立。数据源节点最初沿梯度方向发送低速率的探测数据。当汇聚节点收到来自于不同路径的探测数据时，算法按一定的标准从若干返回路劲，选出一条它认为“高效”的路径加强( 高效的标准由汇聚节点决定，例如基于时间上的考虑，选择收到数据包较快的路径作为传输的路径。然后，数据将以高速率沿着加强路径传输到汇聚节点。

3 基于DD无线多媒体传感器网络QoS路由协议的实现

3.1 路由协议原理

多媒体业务对时延和时延抖动非常敏感，虽然DD 算法自动趋向于最短路径和最小时延等优点，然而DD 协议需要数据开始传输后逐渐增强出一条最短路径，易耗尽节点能量，形成网络孤岛，而且路径可能频繁改变，导致时延抖动，因而不适用多媒体业务。本文引用DD协议中“梯度”的思想，并对其进行了扩展，提出了一种适用于多媒体业务传输的无线传感网络QoS 路由协议。协议扩展体现在三个方面：一是基于能量瓶颈(Max Min Path Node-Energy ，MaxMPE)，数据链路瓶颈(Total DataLoad，TDL) 和到观测节点的最小跳数(MinHop Count，MHC) 扩展了泛洪阶段的兴趣包字段。二是在数据传输阶段根据业务更新标识对QoS 度量参数进行优先级排序来构建决策概率确定转发节点。三是根据DD 算法梯度建立形成梯度场强的特点，在路由维护阶段，为了应对节点失效等拓扑变化，在不增加节点信息和路径长度的情况下，本算法引入后备路由策略，建立主路径和后备路劲，解决网络的可靠性问题，如图1 所示。

3.2 路由算法描述

由于M/M/1 排队模型可以很好解决的不同业务进行数据分发调度策略，排队模型根据不同等级业务分配不同的数据传输路径，使得无线传感器网络能够提供多种业务的区分服务。

3.2.1 兴趣梯度建立

在梯度建立的兴趣数据分组洪泛过程中，兴趣分组增加如下字段：节点负载（HL）是否实时业务RT，业务优先级（BP）。在梯度建立阶段： 算法首先按改进的兴趣分组以经典的泛洪方式向邻居节点广播兴趣消息， 传感节点保存邻居节点列表NeighborList， 并记录邻居节点的最小跳数MHC（Minimum Hop CountMHC）、最小负载MHL （Minimum Hop Load）和最大剩余能量MaxMPE （Maximum Hop Energy）信息，然后根据兴趣包中的梯度更新标志建立MHC和MaxMPE 两类梯度，再由Sink 发起兴趣包，以MHL 建立第二次梯度，形成HCL 和MPEL两类双重梯度。

3.2.2 路由节点选择算法

在上述梯度建立的基础上，路径选择算法是在前述的梯度建立为前提的，对多约束度量__采用优先级调度策略对匹配的数据分组转发：将入选 QoS 度量依照需求按优先级排序，路径选择按优先级以不同的概率进行选择：实时业务：首先考虑时延，再兼顾节点负载和能耗均衡。

①首先建立优先级最高的可用集ANs。对检查邻居节点的HC，确定满足约束条件的节点加入ANs。

② 在ANS 的基础，将满足节点约束条件的检点加入BNs

③ 假设 表示BNSs 的节点个数，节点的选择概率与节点的剩余能成正比，计算选择节点的概率。

（1）

上述①②根据QoS 约束条件建立两级梯度场，再利用（1）计算转发节点，为每一跳都保证了多媒体实时业务对时延的QoS，同时又能很好地均衡网络负载和优化网络能量消耗。若有相同最大的概率，则以最后一次计算的那个节点为下一跳节点。数据业务：着重考虑优化网络能量消耗和均衡网络负载。

① 首先建立优先级最高的可用集ANs。检查邻居节点MPE 行，将大于MaxMPE 的节点按给定的百分比被加入ANs。

② 由于分组丢包率是尽力而为业务首要考虑的因素，将满足约束条件的节点加入BNs节点集。

③ 考虑到时延是数据业务的重要QoS 参数之一，因此尽量选跳数最小的节点作作为下一跳节点。假设n 表示BNSs 的节点个数计算选择节点的概率。

(2)

对于数据业务来说，上述节点选择过程，在保证最大化网络生存时间的条件下，构建了一条轻负载时延较短最优路径，优化了网络性能。在（2）计算中，若有相同最大的概率，则以最近一次计算的那个节点作为下一跳节点。

3.3 路由维护

虽然新算法能较好地均衡网络负荷和优化网络能量消耗，但是多媒体流量业务耗能严重，节点失效快，对于时间敏感的实时业务传输显然是不合适的，所以快速路径修复，克服节点失效对网络拓扑的影响是关键。因此，针对当前路径失效和节点失效定义了如下规则完成路由维护：(1) 在节点剩余能量低于设定阈值后，该节点从FT 查找邻居备份节点，并主动向邻居备份节点发出失效通知。备份节点把此失效节点从FT 转发表中删除, 并计算下一跳路由选择。(2) 当失效节点达到一定比例时，则主动发出链路状态更新请求，由Sink 节点重新发起梯度建立过程。

4 仿真实验与结果分析

为了验证基于DD 的QoS 路由协议的运行情况，本文使用Ns2 模拟器构建无线传感器网络的仿真测试环境，流量模型主要采用：数据业务( email+http+ftp+telnet)+ 多媒体业务(video)。本文通过改变流量模型中不同业务的比例TMR(TMR= 多媒体业务流量/ 分组数据业务流量) 对无线传感器网络进行模拟，得到不同的TMR 下的端到端平均时延和网络生命周期的仿真图，如图2，图3 所示。图2 结果分析：①多媒体业务和分组数据业务的数据分组的时延明显分离，多媒体业务的端到端的平均时延几乎始终低于数据业务；②多媒体业务端到端的平均时延随着TMR 的减小，也相应地减小，并且端到端的平均时延明显低于分组数据业务，先下降后趋稳定，而分组数据业务的时延比较稳定。图1 结果表明，数据在传输过程中，由于不同业务采用不同的分发调度策略，保障了不同业务的QoS 需求。图3 表明，随着TMR 的减小，即分组数据业务量的增大，网络的生命周期明显得到延长，这就说明在兴趣包优先级标识的设置可以在生命周期和延迟之间有不同的侧重点，实现了在无线传感器网络中节能和服务质量平衡的目标。

5 结束语

本文针对无线多媒体网络的QoS 要求，对多约束度量采用优先级调度策略对匹配的数据分组转发：将入选 QoS 度量依照需求按优先级排序，路径节点选择按优先级以不同的概率进行选择，从而建立区分服务的最优路由。仿真结果表明新协议能够为不同的业务提供不同的QoS 保障，并能很好地均衡网络负载和优化网络能量消耗。

参考文献

[1] 杨国良. 无线多媒体传感网络中的QoS 问题研究[D]. 西安电子科技大学,2010.

[2] 方凯，王培康，柳卫平. 一种基于代价梯度的无线传感器网络路由协议的研究[J]. 无线通信技术,2009,15(08).

[3] 梁小芝，李玲香. 无线传感器网络路由协议研究新动向[J]. 湖南科技学院学报,2012.

作者简介

李玲香（1976 -），女，湖南省郴州市人，现为湖南科技学院讲师。硕士，毕业于重庆邮电大学。

作者单位

湖南科技学院 湖南省永州市 425199__