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无线多媒体传感器网络路由协议研究.pdf

无线多媒体传感器网络路由协议研究

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2011-08-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《无线多媒体传感器网络路由协议研究pdf》,可适用于工程科技领域

第期年月电子学报ACTAEUCIRNICASNICAVo.No.Jan.加ll无线多媒体传感器网络路由协议研究周灵一王建新(.中南大学信息科学与工程学院湖南长沙.佛山科学技术学院计算机系广东佛山)摘要:传统的无线传感器网络(WirelessSensorNetworksWSNs)路由协议不能很好地适应多媒体数据流的传输.近来提出了一些无线多媒体传感器网络(WirelessMuhimediaSensorNetworksWMSNs)路由协议.本文首先讲述了WMSNs服务质量保障路由问题及其面临的挑战从五个方面归纳了传统的WSNs路由协议在此基础上论述了WMSNs路由协议的QoS需求、设计原则、控制策略及其限制.然后综述了当前典型的WMSNs服务质量保障控制路由协议包括各协议的设计目标、核心思想、基本策略、主要内容及其优缺点在列表比较的基础上研究了存在的问题和缺陷.最后指出了WMSNs路由协议研究的开放性问题及其发展方向.关键词:无线传感器网络多媒体路由协议服务质量控制综述中图分类号:TP.文献标识码:A文章编号:()ResearchonRoutingProtocolinWirelessMultimediaSensorNetworksZHOULing一.WANGJian.xin(.SchoolofInformationScienceand西阳CentralSouthUniversityHunanChina.DepartmentofComputerFoshanUniversityFoshanGnangdongChina)Abstract:ItisnotsuitabletoilseconventionalwirelessSelXSOTnetworks(WSNs)routingprotocolstotransfermultimediacontentsuchasvideoandaudioslreamsonwirelessmultimediasensornetworks(WMSNs).Inordertoaddressthoseproblemsafewnewmutingprotocolswereintroducedrecently.TheQoSguaranteeroutingproblemforWMSNsisdefinedfirstlyandsomefacingchallengesarediscussedinthefield.Secondly.afterclassifyingconventionalWSNsroutingprotocolsintofivegroupsaccordingtotheirfeaturestheQoSmutingprotocolrequirementsforWMSNsareanalyzedalongwiththeirdesignprinciplesstrategiesandlimitations.ThirdlyasthemaincontenttherepresentativeQoSroutingprotocolsforWMSNsaI℃surveyedindetailincludingtheirdesignobjectivecoreideabasicstrategymainpDcedllreadvantagesanddrawbacks.UltimatelyopenresearchissuesforWMSNsroutingprotocolarealsopointedout.Keywords:wirelesssensornetworksmultimediaroutingprotocolQoSsurvey引言由于复杂环境监测的需要无线传感器网络所获取的简单数据并不能完全满足人们对环境监测的全面需求迫切需要将信息量大、内容丰富的图像、音频和视频等多媒体信息引入到物理环境监测活动中来从而实现全方位、细粒度、精确的信息监测.特别是传感器硬件技术的快速发展使得低成本的图像、音视频等传感器件设计已经成图视频传感器为事实如图所示为某视频传感器实物图.在这种环境下无线多媒体传感器网络正成为一个崭新的研究领域⋯可广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、健康监测等众多领域.WMSNs是WSNs内涵的延伸与发展.首先与WSNs一样WMSNs具有四大资源受限(能量受限、带宽受限、计算能力受限、存储能力受限)、自组性、协同性、多跳性、泛在性节点数目量大、随机部署一般没有统一编址网络设计面向特定应用网络拓扑变化较频繁通信链路服务质量较差等特征j.另外相对传统WSNs而言WMSNs还具有如下特性:()很强的服务质量(Qua.ofServerQoS)控制保障要求()较大的多媒体数据传输量节能问题尤为突出()具有多媒体数据流特性的音、视频数据流模型()应用服务种类众多(两大类六种类型).收稿日期:修回期:基金项目:国家自然科学基金(No.)国家前期研究专项(No.CB)广东省自然科学基金(N.Olooool)中南大学博士后基金电子学报钲路由协议的目的是在通信网络中建立并维护数据传输路径.由于其在网络通信中占有重要地位所以一直是通信协议研究的重要内容.如图所示为WMSNs网络及路由体系结构图.相对于传统WSNsWMSNs具有更为丰富的感知能力能够提供更加丰富的服务种类.由于WMSNs传送音频、图像、视频等多媒体业务数据流对带宽、时延、抖动、可靠性等QoS参数较敏感这就更加需要WMSNs为多媒体数据流通信提供有QoS保障控制的路由协议.事实上无线多媒体传感器网络路由协议本质上是有服务质量保障控制的无线多跳传感器路由协议.WMSNs服务质量控制路由问题可描述为:为WMSNs多媒体通信业务流在四大受限条件下提供有服务质量保障的通信传输路径.QoS控制路由协议是WMSNs通信协议的核心内容是WMSNs服务质量保障体系结构的重要组成部分和关键技术之一.多媒体通信业务要求WMSNs路由协议必须提供QoS控制和保障包括提供时延、抖动等实时性约束提供丢包率、连通性等可靠性保障节省能耗延长节点寿命/网络生存时间提供其他QS保障等.因此研究WMSNs基于服务质量保障控制的路由协议具有重要的理论意义和实际应用价值.路由协议分类及W的QoS需求.WSNs路由协议研究分类目前国内外主要是基于传统的WSNs进行了较多的能量受限的路由协议研究j可分为五大类:以数据为中心的路由协议分层结构路由协议基于地理位置信息的路由协议基于网络流的路由协议基于QoS约束的WSNs路由协议.()以数据为中心(Datacentric)的路由协议.这类协议的基本思想为:选择感兴趣数据所在的特定区域进行查询避免监测区域所有节点均进行数据传输带来大量的数据冗余严重消耗节点/网络能量.优点为:以应用为中心目标性强节省能量.缺点是:对感兴趣区域的数据进行属性命名较困难也缺乏统一的标准.典型协议有:SPINEDirectedDiffusionC等.()分层结构(Hierarchical/Cluster)的路由协议.基本思想为:将网络节点分簇一个簇区域内节点只和簇头通信簇头和汇聚节点通信簇内数据聚合有效地节省通信能量.优点是可扩展性强节省能量.缺点为分簇以及簇头的选择、管理路由维护开销大失效、能量平衡等问题.典型协议有LEACIIE及其改进协议等.()基于地理位置信息(Location/Positionbased)的路由协议.这类协议的目的也是降低能耗.基本思想为:利用地理位置信息进行路由下一跳节点的选择具有很强的导向性可以优化路由并达到节省能量的目的.优点是:每个节点不需存储全局路由表降低了节点的存储、处理要求具有良好的网络可扩展性.缺点为:路径不一定是最优路由空洞等问题典型协议有:GEARJ等.()基于网络流(Networkflow)的路由协议.其基本思想为:按照某特定参数对网络进行优化以最大化/最小化这些网络参数.优点为:能量消耗最dx/网络生存时间最大等.缺点是:需要全局网络状态信息.典型协议见文献等.()基于QoS约束(QoSconstrained)的WSNs路由协议.这类协议的目的是:提供QoS保障控制.其基本思想是:大多使用全局状态信息根据图论算法使用时延、跳数或者代价函数为参数计算最短路径树或者最小生成树或者使用智能算法选择优化的路径.优点为:提供了一定的QoS保障.缺点是:协议较复杂需要全局状态很少考虑节能问题.典型协议有:SAR协议l⋯、Younis协议等.由于无线传感器网络是与应用高度相关的因此根据不同的应用要求和路径选择策略WSNs路由协议分类有不同的方式和分类结果.但不管怎么分类WSNs的明显特征是节点能量受限降低通信能耗和能量感知一直是WSNs路由协议设计的首要目标..WMSNs的QoS需求与参数WMSNs服务质量控制路由协议的主要目的是:在无线多跳传感器网络环境中为多媒体数据流传输搜索有QoS保障的传输路径.对有QoS需求的多媒体业务比如实时图像传输等而言QoS保障是路由协议的首要目标.在传统的WSNs中数据传输也有QoS约束问题但WSNs中基于QoS约束的路由协议只是为了满足简单数据传输的例如实时性等要求而提供时延、抖动等QoS约孵坦J.WSNs不是多媒体业务承载网络事实上也不存在图像、音频和视频等多媒体数据流.WMSNs则不一样就网络体系结构而言在物理底层WMSNs使用音频传感器、图像传感器和视频传感器等硬件设备采集多媒体数据在网络通信层WMSNs要求采用有第期周灵:无线多媒体传感器网络路由协议研究QoS保障的MAC协议、路由协议为多媒体数据传输提供QoS保障在应用高层WMSNs也使用了不同于简单数据的多媒体数据编码、压缩技术.就承载的数据流业务而言多媒体数据流在数据量大小、数据传输模式、传输能耗和业务需求等方面和简单数据传输也有着显著的差异.因此WNSNs必须为承载的多媒体业务提供全方位的QoS保障引.WMSNs的QoS保障体系结构可以表示为如图所示包括物理层、数据链路层、路由层、传输层、应用层QoS保障及时钟同步、节点定位等关键技术时l应用层I一I拓扑控制钟i传输层II能量管理I网络层j定J任务调度l数据链路层l位I移动lI安全物理层I数据『I融合I图QoS保障体系结构的QoS保障部分也包括拓扑控制、远程控制、网络安全、能量管理、移动管理、数据管理、任务分配等支撑技术的QoS保障部分.在WMSNs中节点除了数据转发功能外还承担着监测物理环境的任务.QoS保障不仅仅依赖于数据分组的路由传输过程的服务质量还取决于其数据采集、传输编码、多媒体压缩/解压缩等各方面的能力例如在物理层服务质量还包括多媒体传感器件对物理事件的检测能力在数量链路层涉及拓扑组网和覆盖问题、MAC协议能量消耗问题等.路由协议QoS保障只考虑与网络数据传输有关的Qos部件及其参数.在WMSNs网络层服务质量可以用一组可以测量的表示数据传输性能的网络参数来衡量主要包括网络生存时间、时延、抖动、带宽、吞吐量、分组丢失率、可靠性等.()网络生存时间(NetworkLi~time).网络生存时间有多种定义:有人提出从WMSNs初始部署开始到第一个节点能量耗尽失去传感能力为止这段时间为网络生存时问另外网络生存时间还可以定义为WMSNs从一个连通的网络开始到一部分节点能量耗尽导致功能失效出现网络不连通为止还有学者提出网络生存时间定义为WMSNs网络初始运行到一定数量的节点(如半数节点)能量耗尽导致传感功能失效为止这段时间.不管怎么定义网络生存时间是一个和节点/网络能耗紧密相关的概念.设法延长网络生存时问是无线传感器网络提供网络服务的前提条件因此到目前和为止绝大多数WSNs路由协议设计都是围绕节点/网络能耗问题展开的.WMSNs能耗模型和WSNs能耗模型并不一样WMSNs能耗在数据传感、计算、存储、传输、发送/接收等方面呈“均匀”分布而WSNs能耗主要在数据传输、发送/接收方面相对而言传感、计算、存储能耗较小呈“不均匀”分布.()时延(Delay).多媒体传感数据具有时间连续性和实时性WMSNs音频、图像和视频监测数据传输要求较严格的时延性能.其端到端时延主要包括传感时延、处理时延、排队时延、传输时延等.优化的路由协议应该具有良好的时延特性保证多媒体数据的实时传输.具有实时性要求的数据若超时传送到汇聚/网关节点将毫无意义甚至成为干扰信息.()抖动(Jitter).抖动和时延一样也是WMSNs实时业务的主要参数.影响时延抖动的主要因素有:传输链路带宽不稳定节点的存储/缓存能力并发业务的数量等.抖动性能对节点/网络存储能力受限、无线链路带宽稀少的WMSNs多媒体传输而言显得更为严峻.()带宽(Bandwidth).与带宽性能有关的主要因素有:初始传感数据量的大小数据传输压缩/融合策略网络带宽分配策略.合理使用带宽可以大大提高网络的传输效率.当网络使用加权公平队列(WFQ)调度策略时最大时延和抖动都是带宽的函数因此合理的带宽保障也是时延保障的基础.传输速率和带宽关系可表示为:C=WlogaM其中C为信道最大传输速率/容量为信道带宽是信号/电平个数.()吞吐率(Throughput).吞吐率可以定义为单位时间内汇聚/网关节点接收到的数据量的大小.吞吐率是WMSNs网络运行性能的一个重要衡量指标.()分组丢失率(PacketLoss).分组丢失率可以定义为一段时间内信宿收到的数据分组数对信源发出的分组数的比值.分组丢失率也是WMSNs网络运行性能的一个重要指标.()可靠性(Reliability).对有较高可靠要求的业务可靠性也是一个重要的QoS保障参数.WMSNs路由协议设计原则与策略.设计原则WMSNs路由协议设计的原则:()必须提供QoS控制保障这是WMSNs路由协议的首要目标.()在QoS保障基础上必须考虑有效的能量最小化策略优化/最大化网络生存时问.()应该采用无状态路由或者局部路由的下一跳路由选择策略.由于WMSNs一般不统一编址节点部署数目众多因此要尽量避免使用需要全局状态信息的端到端链路状态路由协议.使用无状态路由协议或者局部分布式路由协议也有利于适应网络拓扑变化和节点移动性要求l】..相关策略及其限制进行WMSNs路由协议的设计有一些基本的策略.对相关策略及其限制探索、比较如下:()数据传输方式.数据传输方式有基于查询的数电子学报芷据传输、事件驱动的数据传输和连续型数据传输三种.连续型数据传输方式不管是否有检测事件出现也不管管理节点是否有查询需求各传感器节点均以恒定的速率向汇聚节点发送传感数据因此能耗很大不适合WMSNs进行多媒体数据的传输l.WMSNs多媒体通信应当尽量使用基于查询或者事件驱动的方式进行.()多跳通信策略.文献表明无线传输的能量消耗与传输距离的次方成正比在几何距离为d的两个节点间传输.j}比特数据的能耗公式为:E(d)=其中为发送每比特数据的能耗为路径损耗系数一般取值范围l.J.通信能耗还存在三角不等式:如图所示三角形拓扑中节点A、B通过两条短边b、a进行多跳通信能耗小于直接通过长边e进行通信的能耗.所以通过多跳方式减少长距离的无线电传输可以利用中继节点的转发能力来达到节能的目的.图能耗三角不等式()全局/局部网络状态信息策略.路由协议负责寻找一条路径将数据从信源传输到信宿.一条路径通常由多条链路组成在本质上一条有QoS保障的端到端路径必须知道每一条链路的状态信息再根据可加性、可乘性或者最小性等约束条件来选择优化的路径.在传统的II)网络和ATM网络中我们根据路由探测包的发送或者路由信息的交换来获取全局网络状态在此基础上进行QoS路由比如基于链路状态(Ⅱnk.state)的OSPF协议、基于距离矢量(Distancevector)的RIP协议等.由于WMSNs特定的特性获取和利用全局网络状态不一定可行或者有效基于局部状态信息和无状态信息的分布式或者贪婪式协议具有较大的优势.()节点问局部通信和数据融合策略.在WSNs网络中特别是以数据为中心的路由方式中强调利用节点间局部通信进行数据融合ll.通过这种方式可以进行相关数据的压缩/融合减少数据传输量达到节省能耗的目的.但WMSNs中图像、视频传感器有严格的方向性导致传感数据各向异性的传感模型.而且多媒体传感器有较大的视距网络覆盖模型和传统WSNs有较大区别.不同传感模型和覆盖模型生成的网络拓扑也严重地影响路由协议的设计.如图所示其中(o)表示传统的WSNs(b)表示WMSNs其中短实线代表视频传感器的视觉方向.由于多媒体传感器各向异性相邻节点问传感数据的时空相关性不强与WSNs相比进行数据融合不一定效率高ll.另外由于多媒体传感器具有较长的视距同时分布较稀疏WMSNs的事件传感半径远大于WSNs节点间局部通信进行多媒体数据的传输、融合处理还可能导致大功率的能耗.一、\\、/●\。u一一。·。.、、、··//、、、/()o/、、、.、、/、一\、曼~一/\一()多路径策略.多路径策略指在信源与信宿之间建立多条路径在多路径之间并发数据传输或者根据特定的代价函数选择优化的路径进行数据传输也可以根据不同的优先级选择不同的Qos路径.这样有利于提供QoS保障进行能耗均衡延长网络生存期提供冗余路径提高可靠性等.多路径是一个比较好的策略问题是多路径的搜索通常需要较高的计算复杂度信标交换花销也较大.()地理位置信息策略.由于很多情况下WMSNs需要所感知信息的地理位置比如移动目标检测如果没有目标地理位置信息的确定所有检测到的信息都是没有任何意义的.因此利用地理位置信息来进行路由选择也是可行和有效的j.首先利用地理位置信息进行路径选择具有很强的导向性可以优化多跳短距离路由节省能量并减少时延.其次局部的地理位置信息避免了全局网络状态的存储也不需要为了获取信息而进行大量的局部通信.因此非常适合WMSNs节点计算能力受限、存储能力受限和能量受限的特点.额外的花销是需要进行空洞检测与避免.通过对当前WMSNs路由协议进行研究选择较为重要的几个典型协议对其设计目标、核心思想、主要内容、优缺点进行详细的剖析包括:SPEED协议、MPMPS协议、REAR协议、TPGF协议、ReInForM协议、MMSPEED协议、MLRR协议等.一方面考虑到WMSNs路由协议是Qs约束的WSNs路由协议的继承和发展另一方面考虑到WMSNs服务质量控制路由协议目前还不是很成熟下面也先介绍了两个典型的基于QoS约束的WSNs路由协议:SAR路由协议和Younis协议..典型协议()SAR(SequentialAssigmnentRouting)协议H。。是第一个考虑QoS保障的WSNs路由协议.该协议使用路由路径的能量和数据包的优先级为参数以汇聚节点的一跳邻居节点为树根通过反向建立数据源到汇聚节点的多条路径(类似于多个反向组播路由树).路由时第期周灵:无线多媒体传感器网络路由协议研究根据能量参数和QoS参数选择优化的路径并且在路由路径失效时通过其他路径进行路由恢复.该协议生成多棵路由树缺点是路由表较复杂特别是节点间要维护这种全局路由信息能量和代价消耗都很大可扩展性差在大规模的WSNs网络中可能无法使用.SAR协议是基于多路径冗余备用而提供QoS保障的典型协议.()Yotmis等提出了一个能量感知的QoS路由协议Ll.该协议将WSNs中的Qs路由问题描述为传统的路径受限路径优化问题PcP(Pathconstrainedpathopti.mization)是一个较全面综合考虑各种QoS保障的WSNs路由协议.其核心思想是在保障时延约束和最大化非实时数据吞吐量的条件下尽量使用低代价路径进行路由.Younis协议为每条链路分配如下代价函数:Cost(iJ)=CFk=c×(disto.)cxf(e~rgyi)=c/T~CCCCxf(e)公式中六个参数包括:无线传输能耗部分C。*(dist)正比于节点i、.f间的传输距离dist节点剩余能量部分c*f(energyj)节点能耗相对负荷部分c/节点由不活动状态转变为中继节点活动状态的花销部分C代表节点是否具有传感功能的权重部分C反映节点中继负荷权重部分c最后一个参数c*f(e)代表节点i、问几何距离与缓存大小的比值为链路信道差错率参数.协议的核心部分是使用k一最短路径算法根据以上代价函数生成多条低代价路径的候选集在满足端到端时延约束的条件下选择有最大吞吐率的路径作为路由最优路径.同时使用排队模型对各类数据进行实时乍实时优先级分类使用不同的队列对不同优先级的数据进行调度.Younis协议是一个比较优秀的基于全局状态信息的QoS保障路由协议.其缺点是核心的k一最短路径算法时间复杂度较高基于全局链路状态信息提供端到端Qos保障路径建立和维护代价较大.()SPEED协议是一个基于地理位置信息的无状态实时路由协议引¨.其主要目的是为有实时性要求的数据流提供软实时保障.其无状态地理转发环节SNGF(StatelessNondeterministicGeographicForwarding)是协议的核心部分负责路由下一跳的选择.SNGF定义了三个概念:邻居结点集NS、转发候选集和中继速率Speed.邻居结点集ⅣS表示节点i的邻居节点集合转发候选集(D)={node∈NSfI一Lnext>}中继速率Speed定义为:ed(D)=(Lnext)/Hopdela~其中Hopdday表示从节点i到节点/的时延由时延估计部分给出Speed实质上是一个步进速率(Progressspeed).具体的参数含义和物理意义如图所示该协议核心思想是从(D)中选择中继速率Spee~(D)大于某个给定的速率妇的邻居节点作为路由转发的下一跳从而为路由路径提供软实时保障.其特色是通过点到/图SNGF各参数的物理意义点的中继速率的选择提供了端到端的软实时保障具有较好的端到端时延保证和较低的丢包率利用地理位置信息进行无状态路由选择满足了WSNs内存资源、计算资源有限的特性.SPEED协议是一个优秀的QoS保障路由协议对多媒体数据流提供了软实时保障其缺点是没有考虑无线网络/节点的能量特性.Speed协议是WMSNs提供数据流软实时性保障的典型代表.有些协议是基于SPEED协议提出了改进方式.例如EESPEED(Energy.efficientspeedprotoco)协议【JJJ~AT优化能耗的环节其他部分和SPEED协议一样也是基于地理位置、无状态路由的理念来进行WMSN路由协议QoS的考虑.()Zhang提出了一个基于WMSNs的多优先级多路径选择(MultiPriorityMultiPathSelection)的视频流路由协议MPMPS.由于视频流需要较大的带宽该协议的核心思想是设计多路径来提高带宽并将视频流分解为音频流和图像流两种信息流对重要的数据流(音频流或者图像流)分配较高的优先级然后根据优先级来使用不同路径优先级高的使用较大带宽、较小时延的路径.MPMPS协议多优先级多路径的概念如图所示.MPMPS协议特色是将视频流分解为不同的优先级并利用多路径有效地扩展了带宽一定程度上提供了QoS时延保障.缺点是没有考虑能量消耗而且视频流的分解/合成比较耗时带来一定的时延能量消耗也比较大数据流的同步与抖动是一个新的复杂问题.典型的多优先级多路径协议还包括ShuangL等在时延受限的条件下使用多路径来提高WMSNs吞吐率的协议等.Ⅷ。。~PathIPathstreamP柚Ⅳ图MPMPS多优先级多路径概念图()REAR(RealtimeandEnergyAwareRouting)是一个能量感知的实时WMSNs路由协议引.该协议目的是要解决WMSNs环境中图像与视频流能量受限的实时QoS路由问题.一方面多媒体流数据量大不利于进行电子学报焦实时的路由选择REAR提出了用简单的元数据(Metadata)代表多媒体数据包进行路由路径搜索以便节省能量、减少时延对WMSNs而言元数据(Y)用来描述多媒体数据属性例如位置坐标(纵、横坐标及角度)、时间、节点II)等在路由搜索过程中通过包含元数据的ADV数据包的转发实现多路径发现.另一方面用下面的代价函数Cost()表示链路代价运行Dijkstra算法寻找最优路径:CostO.=Col(dist)C/f(energyj)c厂(queuej)其中第一项表示传输节点间距离参数代表了传输能耗第二项表示节点的剩余能量最后一项是队列中的数据包排队长度代表时延.协议优点是元数据的引入和代价函数的设计比较适合WMSNs的QoS路由问题通过代价函数能够平衡能量、带宽、时延等参数搜索到较优路径但未必满足时延等QoS约束.缺点是使用了和Intemet网络一样的IP地址来表示无线传感器节点即统一编址不切合WMSNs实际是用传统的、全局的网络状态路由观念来解决WMSNs的QoS路由问题.对视频、图像等多媒体数据处理还有一些其他典型协议.例如ManishK从另一个角度研究了视频传输问题提出了VQL(Videoquerylanguage)协议.与REAR基于元数据选择路由不同VQL协议是针对视频传感网络设计的视频查询语言根据这种协议语言能够查询感兴趣的视频数据节省了大量无关视频数据的处理、传输.()TPGF(TwoPhaseGeographicGreedyForwarding)协议是一个基于地理位置信息的WMSNs贪婪路由协议J.该协议路由由两部分组成首先基于地理位置信息的进行多路径发现其次进行路径优化选择最小跳数路径(即最小时延)提供QoS保障.在多路径发现阶段其独特的核心思想是在邻居节点集中选择距离目的节点(Sink)最近的节点作为下一跳下一跳可以比自己距离目的节点更远这样就不存在局部最小化问题(Localminimumproblem)多次运行TPGF协议能发现存在的多条不相交路径.在路径优化阶段主要是搜索具有最小节点数目(最小跳数)的最优路径.TPGF协议是一个纯地理信息路由协议试图通过多路径解决WMSNs多媒体传输数据量大的问题通过特定的下一跳选择策略避免了局部最小化问题:使用最短路径来最小化端到端时延提供WMSNs的Qos保障.TPGF具有地理位置信息路由协议的特性:使用无状态的地理路由策略减少了传统路由协议由于大量信息交互所消耗的能量信息转发节点只需保存邻居节点信息从邻居节点当前状态确定下一跳路由节点完全符合WMSNs节点能量、存储能力、计算能力受限的特性.协议的不足是多路径计算的时间复杂度较高没有考虑WMSNs网络中能量消耗问题及其他的QoS需求.基于地理位置信息使用多路径考虑多媒体数据传输的典型协议还有LauraS提出的图像传感器网络事件驱动的QoS路由协议.()ReInForM(ReliableInformationForwardingusingMultiplepath)协议主要思想是使用概率多路径转发来提高数据传输的可靠性.基于信息感知使用优先级的概念根据一定概率使用多路径进行路由选择类似传统Intemet区分服务的路由协议没有考虑其他的QoS约束和能量节省的问题.MMSPEED(MultipathMulti.speedprotoco)协议J可以看作是是SPEED软实时保障和ReInForM概率多路径转发思想的复合主要是通过使用SPEED协议来保障带宽实现实时性传输通过概率多路径转发保障数据的可靠性.缺点是协议太复杂是两个复杂协议的复合也没有考虑较大的能量消耗问题.提供可靠性保障的典型QoS路由协议还有EAR协议l驯等.()MLRR(MultiLevelRateRouting)协议是一个基于DSC跨层设计的QoS保障路由协议』.其基本思想是:在网络层结合应用层分布式源编码DSC(DistributedSourceCoding)提供的动态链路多速率分配来进行路由优化同时基于DSC速率传输限制使用能量优化调度策略有效地节省能量延长网络生存期也能提供端到端速率保障.由于DSC是一种很适应WMSNs的多源视频编码方式因此MLRR是一个较好的跨层设计oS路由协议.在WMSNs中QoS保障是涉及物理层、数据链路层、网络层、应用层并与电源管理、拓扑控制、数据管理等QoS管理策略高度相关的一个综合体系结构所以跨层设计是WMSNs路由协议QoS保障研究的一个重要方面.这类典型协议还有基于FEC(ForwardelTOrc一tion)编码的DGR协议EJ等..分析比较综述分析比较这些典型协议特征如表所示主要包括协议目的、基本策略/思想、提高的QoS保障及其优缺点等四个方面.确定一个协议是否优秀有效不能单看其中一个方面而是要全面衡量主要看是否解决了相应的问题.例如通过代价函数可以很好地平衡能量、带宽、时延等多QoS参数搜索到较优路径但未必满足某个特定参数(例如时延)的QoS约束.分析可知提供QoS保障的WMSNs路由协议还有很多方面需要研究还不能很好地适应WMSNs多媒体数据传输.WMSNs路由协议研究存在的主要困难是:()无线传感器节点能量受限而多媒体数据流业务耗第期周灵:无线多媒体传感器网络路由协议研究能严重.这对矛盾是WMSNs路由协议设计的一个极大挑战.()无线通信链路带宽有限而多媒体业务数据协议设计是一个的挑战.()无线链路QoS性能差不稳定而多媒体通信有较严格的QoS约束这也是WMSNs量大需要较高的网络带宽.这对矛盾也是WMSNs路由路由协议设计需要克服的一个难点表各典型协议特征比较表总结与发展趋势WMSNs路由协议主要研究音频、视频、图像传感器产生的多媒体数据的无线多跳通信问题QoS保障是其首要目标.初步的几个WMSNs协议考虑了多媒体QoS控制问题但还存在较大的缺陷.根据当前研究成果及其发展趋势以下五个方面是其需要重点研究和突破的关键问题:()研究多媒体数据流聚合/压缩/合并、多路径数据传输、高带宽链路选择等策略设计有带宽保障的无线多跳路由协议为多媒体流数据通信提供端到端的高带宽路径()强化时延约束要求平衡时延抖动、丢包率、可靠性等QoS特性通过代价函数构造、地理位置信息辅助、智能协议控制等研究满足多媒体实时需求的QoS路由协议()研究WMSNs不同于传统WSNs的能耗特性及其多媒体数据模型应用于设计能量敏感、低功耗的QoS路由协议()根据具体应用的不同研究查询、以数据为中心、按需驱动、数据聚合等路由策略()路由协议Qs保障跨层设计研究.参考文献lIanFAeta.AsurveyonwirelessmultimediasensornetworksJ.ComputerNetworks(Elsevier)XI():.崔莉等.无线传感器网络研究进展J.计算机研究与发展():.CuiLeta.OverviewofwirelesssensornetworkslJJ.JournalofComputerResearchandDevelopment():.(inChinese)AkkayaKYounisM.AsurveyonroutingprotocolsforwirelesssensornetworksJ.AdHocNetworks(Elsevier)():.HeinzelmanWeta.AdaptiveprotocolsforinformationdisseminationinwirelesssensornetworkslAj.IEEEProceedingsofMobiCom’C.EBEComputerSociety.ChalermekIeta.DirecteddiffusionforwirelesssensornetworkingJ~IEEETransactionsonNetworking():.HeinzelmanWChandrakasanABalakrishnanH.EnergyefficientcommunicationprotocolforwirelesssensornetworksA.ProceedingoftheHawaiiInternationalConferenceSystemSciencesfCi.Hawaii.YuYEstrinDGovindanR.GeographicalandEnergyAwareRouting:aRecursiveDataDisseminationProtocolforWirelessSensorNetworkslRJ.UCLAComputerScienceDepartmentTechnicalReportUCLACSDTR.LiangWLiuY.OnlinedatagatheringformaximizingnetworklifetimeinsensornetworksJ.IEEETransactionsonMobileComputing():.朱艺华等.无线传感器网络优化生存时间的动态路由算法J.电子学报():.ZhuYHeta.Dynamicroutingalgorithmsoptimi~nglifetimeofwirelesssensornetworkslJJ.ActaEleclronicaSinica():.(inChinese)SohrabiKeta.ProtocolsforselforganizationofawirelesssensornetworkJ.IEEEPersonalCommunicationsOOO():.AkkayaKYounisM.AnenergyawareQoSroutingprotocolforwirelesssensornetworksAj.IEEEProceedingsofWork电子学报l年shopsonDistributedComputingSystemsCj.Washington:IEF.EComputerSociety...JChenDeta.QoSsupportinwirelesssensornetworks:asurveylA.ProceedingsoftheInternationalConferenceonWirelessNetworksCJ.BogartUSA..孙岩马华东.无线多媒体传感器网络QoS保障问题J.电子学报():.SunYMaHD.TheQoSguaranteeproblemforwirelessmultimediasensornetworksJ.ActaEleclronicaSinica():.(inChinese)JAKaraldeta.Routingtechniquesinwirelesssensornetworks:asurveyJ.IEEEWirelessCommunications():.GuresEAkanOB.MultimediacommunicationinwirelesssensornetworksJ.AnnalesDesTelecommunications():.TanHOKorpeogluI.PowerefficientdatagatheringandaggregationinwirelesssensornetworksJj.ACMSIGMODRecord():.HongLuoeta.RoutingcorrelateddatawithfusioncostinwirelesssensornetworksJ.IEEETransactionsOilMobileComputing():.FabianKeta.AnalgorithmicapproachtogeographicroaringilladhocandsensornetworksJ.IEEETransactiononNetworking():.HeTeta.SPEFI:AstatelessprotocolforrealtimeCOlllmunicationinsensornetworkslAJ.ProceedingofIntemafionalConferenceonDistributedComputingSystemslCJ.Washington:珏澄EComputerSociety...MohammadSKeta.EnergyefficientSPEEDroutingproto一forwirelessSensornetworksA.ProceedingofAICr’lC.Venice:IEFF.ComputerSociety..laangLeta.MultiprioritymultipathselectionforvideostreaminginwirelessmultimediasensornetworkslJJ.LectureNotesinComputerScienceonUbiquitousIntelligenceandComputing:.ShuangLeta.Delaycomtminedhi曲throughputprotocolformultipath~ssionoverwirelessmultimediaSensornetworksA.IEEF.ProceedingofWoWMoMlC.NewportBeach:IEEEComputerSociety..』YaoLeta.ArealtimeandenergyawareQoSroutingprotocolformultimediawirelesssensornetworksA.IEEEProceedingsofWCICA’olCJ.Chongqing:IEF.EComputerSociety..ManishKShekharV.QueryingvideoSensornetworksA.IEEEProceedingofWCSN’CJ.Allahabad:IEEECommunicationSociety..【LeiSeta.GeographicroutinginwirelessmultimediasensornetworksA.IEEEProceedingof’C.HainanIs.and:IEEECommunicationSocietyl..JLauraS.QoSbasedgeographicroutingforeven~drivenimagesensornetworksA.ProceedingofBroadNets’c.BostonMA:旺ECommunicationSocietyo.l一(x】.JDebBeta.RelnForm:reliableinformationforwardingusingmultiplepathsinsensornetworksA.Proceedingof’lCJ.Washington:ⅢEEComputerSociety..JEmadFeta.SPlED:multipathmultiSP~protocolforQoSguaranteeofreliabilityandtimelinessinwirelesssensornetworksJ.正EETransactiononMobi

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