无线多媒体传感器网络路由协议研究现状及发展趋势

杨巧梅

(重庆师范大学涉外商贸学院，重庆401520)

无线多媒体传感器网络路由协议研究现状及发展趋势

杨巧梅

(重庆师范大学涉外商贸学院，重庆401520)

无线多媒体传感器网络路由设计的研究重点是节点低能耗、可靠性约束、传输服务质量等要求。主要对近年来基于Qos和能量感知的无线多媒体传感器网络路由协议的研究进行了分析，对每种协议的特点及优势进行了归纳和比较，并展望了未来的研究趋势。

无线多媒体传感器网络；Qos；能量感知；路由协议

1 概述

随着智能监测控制技术的发展，视频、音频、图像等多媒体信息的采集和传输的需求越来越多，无线多媒体传感器网络开始出现并受到人们的关注。无线多媒体传感器网络[1-2](Wire⁃less Multimedia Sensor Networks，简称WMSNs)是由大量多媒体传感器节点组成的通过无线通信方式实现数据传输的网络系统。路由协议是WMSNs研究的重点之一，其功能是在从源节点到目标节点寻找一条最优路径将数据分组正确高效地传输到用户终端。

目前无线传感器网络路由协议的研究已相对成熟，主要有基于洪泛机制的路由协议主要有Flooding[3]和Gossiping路由协议、定向扩散路由协议(Directed Diffusion，DD)[4]、低功耗自适应分簇路由协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierar⁃chy)[5]和一种典型的基于地理信息的路由协议GRID路由协议[6]等，这几种协议从广播、兴趣消息选择、能耗或地理位置单方面设计，都有一些不足之处。但由于WMSNs有其自身的特点，目前主要从QoS、能量感知和地理位置三个方向[7]对传统的路由协议进行改进研究。本文主要对基于Qos和能量感知的路由研究及其优缺点进行分析并加以比较，总结无线多媒体传感器网络路由选择协议的现状及需要进一步解决的问题。

2 基于QoS的可靠路由协议

针对无线多媒体传感器网络节点资源严重受限，网络拓扑结构变化频繁和以多媒体数据为中心等特性，数据传输需要保证一定的服务质量(Qos)如带宽、时延和时延抖动等。因此考虑Qos的可靠路由协议在无线多媒体传感器网络的路由研究中越来越重视。

对于Qos参数的选取与实际应用相关联，如安防监控重点控制传输时延和时延抖动，环境自动监测中能耗和及时性比较重要，智能交通中监控的清晰和鲁棒性尤为重要。因此Qos主要参数可归纳为实时传输(时延)、容错能力和能量控制[8]。

最早具有Qos(Quality of Service)意识的路由协议是SAR(Se⁃ curity Aware Routing)[9]，该协议以汇聚节点的邻节点为根建立树状结构如图1所示，每个树都会尽可能向具有满足Qos的邻节点延伸，形成以汇聚节点为中心的不相交的多条路径，根据所要传输的数据优先级确定传输路径。该算法综合考虑了能量资源、Qos与数据的优先级，多条路径可保证网络的容错性，但树状路由结构构造复杂，不适用于大型的拓扑频繁变化的网络。

图1 SAR路由树状结构

孙建光[10]把网络时延和链路状态分析作为Qos参数，提出多路径协议Qos-MPOLSR，该协议重点实现视频信息在无线传感器网络中的实时传输。基于OLSR协议的多点转播思想从源节点s到汇聚节点d形成N条路径，使用链路时延、带宽及分组投递率为Qos评价参数，依据路径优先函M-Dijkstra(s,d,G,N)计算出路径质量参数，存储在源节点中用作路由选择依据。作者使用OLSR算法减少了数据转发节点，适用于节点密集大型传感器网络，但未考虑多径间差分时延的影响。

李方敏、方艺霖等[11]提出了一种基于角度的区分服务路由算法(ADSR)，该算法根据不同的数据服务质量需求不同，把无线多媒体传感器网络数据划分为低端和高端数据。网络中的视频音频等高端数据依据要求区分时间敏感分组和一般数据分组，依据各节点的地理位置和能量信息，将各自的邻节点按其偏转角度进行分类，实时数据优先发送，非实时数据不占用该信道资源，为不同需求的数据流选择不同的转发区域。该算法在应用在多媒体传感器网络中减少实时数据的时延和抖动，并将各相邻节点能量相对均衡，延长网络寿命，但该算法没有端到端的带宽预留，不适用于网络节点数据拥挤的链路。

柯宗武[8]针对无线多媒体传感器网络研究了直接扩散博弈路由协议(DDRG)，该协议在定向扩散路由(DD)基础上使用博弈理论模型来选择数据传输路径，既保证Qos的可靠传输，又节省能耗。DDRG模型由兴趣，数据信息，路由博弈和路径加强四部分组成。汇聚节点产生兴趣信息，通过地理位置信息广播到指定区域的节点并记录路径信息，生成多个从源节点到达汇聚节点带路径的兴趣信息，再使用博弈模型确定数据转发路径。在连续媒体上传感器节点能量均衡情况下，设给定网络用G＝(V，E)表示，其中V表示传感器节点集，E表示节点间的链路集，计算满足Qos的收益f，寻找一条路径其收益f不为0，即满足该网络的所有Qos。建立博弈模型，多条路径中若某条路径ti以一定概率为Pi参与数据传输，则获得网络的整体收益fi并付出一定的代价ci，同时不参与数据传输的其他路径获得的收益为整体收益，通过纳氏均衡求解选择最优路径。DDRG路由协议能够有效地均衡无线多媒体传感器网络节点的能量消耗并在数据传输中添加了路由信息从而减少节点数据存储量，延长网络寿命，通过多选路径能够提高网络的可靠性。

此外，邓达，徐鹏[12]提出了基于优先级的WMSN区分服务路由算法；金仁成，秦纪云[13]等研究了不相交多路径路由协议；于继明[14]提出了一种能量优先分级变化的多路径路由算法EPREA，其重点都是提高服务质量。

3 具有能量感知的节能路由协议

无线多媒体传感器网络数据传输中，不仅要保证传输质量，更要减小传感器节点的能量消耗，延长网络寿命。LEACH算法靠节点自适应分簇并轮流担任簇头来均衡节点的能量消耗，延长网络的寿命的。以此为基础的研究有许多，重点分析分簇算法，数据融合算法和蚁群算法。

邓达[15]提出基于蚁群算法的路由协议。该算法首先依据DD算法记录下从源节点到目标节点的多条路径，然后利用蚁群算法的思想计算每个节点的发送数据代价和其邻节点的能量，以此为基础算出相邻节点发送数据的平均等待时间和可能以此路径发送的概率，选择概率高的路径作为当前数据包发送路径，且源节点周期性向目标节点发送数据更新路径以排除能量耗尽的节点，鲁棒性强，实现可靠传输。

吴春婧[16]提出了两种节能路由算法。其一是基于数据融合树的低功耗路由算法(DATEE)，利用多源节点向一个sink节点发送数据来建立数据融合树。该算法是将sink节点作为树的根节点，以Flooding机制向其他节点以洪泛法方式广播发送其位置和兴趣分组，当源节点探测到sink感兴趣的数据时就加入到树中，而非源节点可以进行数据融合。源节点最后选择一条与其他源节点的共享路径最长的最短路径，节点的能量消耗与通讯距离有关，距离越长，能量消耗越大，因此选择最短路径可以充分节约能量；另一种是一种基于簇的多跳高效节能路由算法(MHEEC)，该算法中根据发送节点功率衰减和距离的关系选择最佳半径为R(R的值在0.75d0与0.85d0之间，d0为采用自由空间模型发射功率呈距离的平方衰减)的区域内组成一簇，能量大的节点竞争到簇头，簇头之间建立一颗路由树以多跳方式将收集到的数据发送到指定的簇头节点，所有簇头收集的数据通过根节点发送到sink节点，同时为了减小节点的能量开销，组成簇和簇头竞选后，其他簇成员如果没有感知任务就处于休眠状态。这两种算法都达到了节点节能的目的，延长了网络寿命，但没有充分考虑Qos参数，网络中的数据传输质量不能得到保障。

4 各种路由协议的比较

通过对多种路由协议的分析，每种协议都有优势和不足之处，如表1所示。

表1 无线多媒体传感器网络路由协议比较

5 无线多媒体传感器网络路由协议研究趋势

综合分析来看，目前无线多媒体传感器网络路由协议主要侧重于节点能耗节省和服务质量的提升。随着物联网技术的不断发展，智能控制、智能监控和智能交通等应用将越来越广泛，多媒体数据的路由技术可以从以下几个方面进行研究：

(1)动态传感器网络路由。许多监控网络的传感器节点是动态的，没有固定的位置信息，随着移动动态自组网络，路由算法需要适应移动节点和不断更新的网络拓扑结构变化。

(2)节点能量反馈。传感器节点的能量均衡具有相对性，某些能量耗尽的传感器节点需要及时反馈给用户并设计能量补充方案，使节点持续工作，延长网络寿命。

(3)传输质量的提高和安全保障。根据传感器网络的不同应用，多媒体数据发送的特点、实时性要求和安全性需求，将各种算法的优势相融合，便海量的多媒体数据能够实时可靠的传输，提高网络的安全性。

[1]李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展,2008,45(1)：1-15.

[2]李建中,李金宝.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展明[J].软件学报,2003,14(10)：1717-1726.

[3]赵强利,蒋艳凰.无线传感器网络路由协议的分析与比较[J].计算机科学,2009,36(2)：37.

[4]杨立林,刘涛.定向扩散路由协议研究[J].南京晓庄学院学报,2010(6)：88-91.

[5]Heinzelma A.Chandrakasan and H.Balakrishnan.Energy-Effi⁃cient Communication Protocol for Wireless Microsensor Net⁃works,Proc.33rd Hawaii Int'l.Conf.Sys.Sci.,2000.

[6]Liao W H，Tseng Y C，Sheu A P.GRID：A fully loca-tionaware routing Protocol for mobile ad hoc networks[J].Journal of Telecommunication Systems,2001,18(l)：37-60.

[7]杨冰.无线多媒体传感器网络路由算法研究[D].长沙：湖南大学,2014.

[8]柯宗武.无线多媒体传感器网络Qos路由算法研究[D].武汉：武汉理工大学,2009.

[9]Sohrabi K，Gao J，Ailawadhi V，et al.Protocols for self-organi⁃ zation of a wireless sensor network[J].IEEE Personal Communi⁃cations，2000，7(5)：16-27.

[10]孙建光.无线Mesh网络Qo S保障多径路由协议研究[D].徐州：中国矿业大学,2014.

[11]李方敏.无线多媒体传感器网络QoS区分服务路由机制[J].电子学报,2010,38(10)：2222-2229.

[12]邓达,徐鹏.基于优先级的WMSN区分服务路由算法[J].电子科技大学学报,2016,45(3)：423-429.

[13]金仁成,秦纪云.一种适用于无线多媒体传感器网络的节点不相交多路径路由协议[J].传感技术学报，2010,23(7).

[14]于继明.无线传感器网络基于分簇的多路径路由算法研究[D].南京：南京理工大学,2008.

[15]邓达,周激流.基于蚁群算法的无线多媒体传感器网络路由研究[J].北京理工大学学报,2011,31(4)：456-460.

[16]吴春婧.传感器网络中节能路由算法研究[D].山东：山东师范大学,2007.

TP393

A

1009-3044(2017)21-0183-02

2017-06-23

校级青年教师基金项目，KY2016004，基于无线多媒体传感网络的校园视频监控信息传输

杨巧梅(1982—)，女，山西朔州人，硕士，重庆师范大学涉外商贸学院数计学院教师，主要从事计算机、物联网专业教学工作。