基于跨層的無線移動多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究.pdf

1、無線移動多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mobile Media Sensor Networks WMMSNs)是以音視頻捕捉設(shè)備為傳感器，節(jié)點(diǎn)附在移動對象上進(jìn)行信息采集的新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks WSNs)。WMMSNs信息采集的內(nèi)容主要包括視頻、音頻、圖像等多媒體信息，其節(jié)點(diǎn)在特定的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動，節(jié)點(diǎn)的移動能夠拓寬信息采集區(qū)域，豐富信息采集對象（如:移動目標(biāo)）。但節(jié)點(diǎn)的移動會引起

2、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)改變、無線信道質(zhì)量不夠穩(wěn)定等問題，此外，WMMSNs具有網(wǎng)絡(luò)通信量大、傳輸能耗高、端到端時延和包丟失率要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)增加了WMMSNs路由協(xié)議研究難度，影響了WMMSNs的進(jìn)一步推廣。
　　國內(nèi)外學(xué)者針對WMMSNs路由協(xié)議進(jìn)行了大量的研究，他們發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的分層協(xié)議結(jié)構(gòu)進(jìn)行路由協(xié)議設(shè)計將很難從整體上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。首先，傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)是面向有線固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，有線固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜止、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬潭?、?/p>

3、路質(zhì)量比較穩(wěn)定，而WMMSNs信道不可靠、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常變化、節(jié)點(diǎn)在特定區(qū)域內(nèi)移動的同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，采用分層結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重影響WMMSNs的性能;其次，在WMMSNs中，為了優(yōu)化性能、提高網(wǎng)絡(luò)效率，節(jié)點(diǎn)常常需要利用多個層的相關(guān)參數(shù)，這就要求不同層之間存在參數(shù)交流的通道。為解決這個問題，研究者們在設(shè)計WMMSNs路由協(xié)議時采用跨層的方法，加強(qiáng)不同層之間的信息交互，進(jìn)而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能。但當(dāng)前基于跨層的路由協(xié)議仍然存在一些不足:在數(shù)據(jù)

4、傳輸時采用單路徑傳輸，單路徑傳輸會增加網(wǎng)絡(luò)的端到端時延、降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、加重路徑節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載;在選擇路由判據(jù)時較少使用鏈路質(zhì)量和剩余能量作為路由判據(jù)，這將會降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，增加?shù)據(jù)包重傳次數(shù);多媒體網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)流較大，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中存在大量的編碼機(jī)會，而現(xiàn)有的協(xié)議很少對網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會進(jìn)行檢測。本文針對WMMSNs路由協(xié)議研究中存在的問題，所做的研究工作主要如下:
　　(1)介紹了WMMSNs的網(wǎng)絡(luò)概念及特點(diǎn)，指出在研究W

5、MMSNs路由協(xié)議時面臨的挑戰(zhàn)，如:拓?fù)鋭討B(tài)變化、鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定、時延敏感等;總結(jié)了WMMSNs在進(jìn)行路由協(xié)議設(shè)計時應(yīng)遵循可靠性、實(shí)時性、能量高效性的原則;綜述了當(dāng)前針對于WMMSNs提出的幾種路由協(xié)議，分析并指出這些協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，說明了WMMSNs跨層設(shè)計的必要性。
　　(2)對跨層設(shè)計的概念和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，分析了跨層設(shè)計的模型及其原理，著重介紹了幾種基于跨層的路由協(xié)議，并對這幾種跨層協(xié)議的工作原理、工作流程進(jìn)行了分析，指出了

6、協(xié)議中存在的不足。
　　(3)設(shè)計了RCLF跨層模型。RCLF跨層模型分為路由構(gòu)建RC組件和鏈路層反饋LF組件。RC組件一方面為節(jié)點(diǎn)接入控制提供參數(shù)，另一方面在路徑構(gòu)建時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的時延、鏈路層的鏈路質(zhì)量、物理層的節(jié)點(diǎn)剩余能量計算鏈路權(quán)值并反饋給網(wǎng)絡(luò)層。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中當(dāng)路徑出現(xiàn)鏈路中斷或者鏈路遷移時，LF組件提高物理層發(fā)送功率或者通知網(wǎng)絡(luò)層路由失效，減少路由重構(gòu)次數(shù)。
　　(4)提出基于跨層的編碼感知多路徑路由協(xié)議(MRC

7、C)。MRCC協(xié)議采用了RCLF跨層模型來優(yōu)化路由構(gòu)建。MRCC協(xié)議的工作流程大致為:在節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行路徑構(gòu)建時，源節(jié)點(diǎn)廣播RREQ報文，收到RREQ報文的節(jié)點(diǎn)依據(jù)RC組件中的節(jié)點(diǎn)剩余能量決定是否加入到路徑構(gòu)建（即接入控制），如果滿足接入條件，RC組件依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的相關(guān)參數(shù)計算鏈路權(quán)值，并反饋給網(wǎng)絡(luò)層作為路由構(gòu)建的判據(jù)，否則直接丟棄RREQ報文;目的節(jié)點(diǎn)接收到RREQ后通過單播回復(fù)RREP報文，進(jìn)而在源、目節(jié)點(diǎn)之間建立多

8、條鏈路不相交路徑，節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)流分割到多條路徑上傳輸;在數(shù)據(jù)傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼機(jī)會的檢測，一旦檢測到編碼機(jī)會，則將數(shù)據(jù)通過編碼進(jìn)行傳輸。
　　為了驗(yàn)證本文提出的路由協(xié)議，本文在OMNeT++網(wǎng)絡(luò)模擬平臺對MRCC協(xié)議進(jìn)行模擬仿真，在仿真過程中通過設(shè)置不同的參數(shù)觀察網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)，同時選取兩個現(xiàn)有的路由算法與本文提出的路由協(xié)議進(jìn)行比較，驗(yàn)證本文路由協(xié)議的有效性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，MRCC協(xié)議能夠降低網(wǎng)絡(luò)路由開銷、保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸、