談 寅， 宋英雄， 周書佳， 張 劍， 郭曉川

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海200072)

隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，眾多有通信、計算能力的傳感器通過無線方式連接，相互協(xié)作，與物理世界進(jìn)行交互，共同完成特定的應(yīng)用任務(wù).這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，使其能夠相互協(xié)作，實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種對象信息，并通過計算和處理，傳送給用戶系統(tǒng).然而，隨著監(jiān)測環(huán)境的日趨復(fù)雜多變，由這些傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲取的簡單數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足人們對環(huán)境監(jiān)測的全面需求.因此，一種在傳統(tǒng)WSNs基礎(chǔ)上引入了音頻、視頻、圖像等多媒體信息感知功能的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)——無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)應(yīng)運(yùn)而生.

視頻、圖像等多媒體信息的引入對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時性、吞吐量以及服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)提出了更高的要求.路由協(xié)議作為建立和維護(hù)通信兩點(diǎn)間的傳輸路徑，直接對網(wǎng)絡(luò)性能有著重要的影響.一種優(yōu)良的路由協(xié)議，可以產(chǎn)生降低網(wǎng)絡(luò)開銷、縮短時延的效果，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和正確性，因此，對路由技術(shù)的研究有著重要的意義.

目前，對WMSNs路由協(xié)議的研究主要是將應(yīng)用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行修改，使其符合WMSNs的要求.在中小型ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，動態(tài)源路(dynamic source routing，DSR)路由協(xié)議最為常用.DSR采用源路由機(jī)制，由于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由已經(jīng)封裝在數(shù)據(jù)包頭中，因此，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，中間節(jié)點(diǎn)不需要尋找下一跳路徑的信息.此外，DSR路由協(xié)議不使用周期性的路由通告，節(jié)約了帶寬，并減少了功率的消耗.但是DSR協(xié)議只支持盡力而為業(yè)務(wù)，不具有QoS保證.為了滿足WMSNs對帶寬的需求，本研究基于DSR協(xié)議設(shè)計了一個支持QoS的路由協(xié)議——Q-DSR.

1 DSR路由協(xié)議

DSR使用了源路由機(jī)制，每一個要發(fā)送的分組的分組頭中都包含有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的整條路由信息，中間節(jié)點(diǎn)只需按照分組頭中的路由信息轉(zhuǎn)發(fā)分組即可，不需要維持當(dāng)前的路由信息.DSR路由協(xié)議主要由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩部分組成，其中路由發(fā)現(xiàn)過程主要用于幫助源節(jié)點(diǎn)獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，路由維護(hù)主要用來檢測當(dāng)前路由的可用狀況［1-2］.

1.1 路由發(fā)現(xiàn)

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送分組時，首先在自己的路由緩存中查找是否存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由.如果發(fā)現(xiàn)存在多條路徑，則選擇其中跳數(shù)最少的那條路徑;如果沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)路由，就啟動路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請求(route request，RREQ)分組，每個RREQ都有唯一標(biāo)識.當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ之后，首先檢查是否已收到過此RREQ.如果是，則丟棄該RREQ;反之，則查看該RREQ中是否已經(jīng)攜帶了該節(jié)點(diǎn)的信息;如果有，則丟棄該RREQ;如果沒有，則查看自己的路由緩存中是否存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由;如果有，則向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由回復(fù)(route reply，RREP)分組，RREP中攜帶著到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的全部路徑;如果沒有，則將自己節(jié)點(diǎn)的信息加入到RREQ中，并將該 RREQ轉(zhuǎn)發(fā)出去，直到目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組為止［3-4］.

1.2 路由維護(hù)

當(dāng)DSR節(jié)點(diǎn)在發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時，都先把分組存儲到重傳緩沖區(qū)中，然后按照分組頭所攜帶的源路由信息將分組發(fā)送到對應(yīng)的下一跳節(jié)點(diǎn).當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)收到該分組后，會向其上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個ACK(即acknowledge，確認(rèn))回復(fù)分組.上一跳節(jié)點(diǎn)收到該ACK分組后，會將對應(yīng)的數(shù)據(jù)分組從重傳緩沖區(qū)中刪除.如果在指定時間內(nèi)，上游節(jié)點(diǎn)沒有收到下游節(jié)點(diǎn)發(fā)回的ACK回復(fù)分組，則重傳緩沖區(qū)中的對應(yīng)數(shù)據(jù)分組會被重傳.若超過一定次數(shù)的重傳后，還是沒有收到ACK回復(fù)分組，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)與下一跳節(jié)點(diǎn)之間的鏈路斷裂，上游節(jié)點(diǎn)會刪除其路由緩存中所包含的該失效鏈路的路由信息，并向數(shù)據(jù)分組的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯誤(route error，RRER)分組.所有轉(zhuǎn)發(fā)該RRER分組的中間節(jié)點(diǎn)都會檢查自己的路由緩存中是否包含有該失效鏈路的路由，如果有，則刪除該路由信息.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到該RRER并刪除所有包含該失效鏈路的路由后，它會從其路由緩存中選擇別的路徑繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，如果在路由緩存中已經(jīng)沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，則源節(jié)點(diǎn)會重新啟動路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制［5］.

2 具有QoS的DSR路由協(xié)議

WMSNs是一種實(shí)時性要求很高的網(wǎng)絡(luò)，由于加入了對視頻、音頻的采集傳輸功能，因此對帶寬有一定的要求.但是現(xiàn)有的DSR協(xié)議并沒有考慮到這一需求，極有可能選擇一條帶寬不能滿足要求的路由傳輸路徑，造成傳輸?shù)氖?為此，本研究提出了在DSR協(xié)議選路的基礎(chǔ)上增加帶寬參數(shù)的QoS路由方法，通過這種方式找到的路徑就能夠滿足節(jié)點(diǎn)的QoS要求.如果同時存在多條路徑滿足QoS要求，則根據(jù)路徑的跳數(shù)，選擇跳數(shù)最少的一條作為最優(yōu)路徑，這樣也能夠在一定程度上達(dá)到縮短時延的目的.此外，本研究在估算節(jié)點(diǎn)可用帶寬時，通過跨層設(shè)計，利用了介質(zhì)訪問控制(media access control，MAC)層提供的虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制，獲得了信道的忙閑狀態(tài)［6-8］.

2.1 可用帶寬的估計

在共享信道中，只有當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)沒有傳輸和接收數(shù)據(jù)時，本節(jié)點(diǎn)才能成功地利用信道.在Q-DSR協(xié)議中，要使節(jié)點(diǎn)能夠保證數(shù)據(jù)流的帶寬要求，協(xié)議必須要能夠有效地測量無線信道中節(jié)點(diǎn)的可用帶寬［9］.在可用帶寬的測量中，本研究利用節(jié)點(diǎn)檢測共享信道的忙閑狀態(tài)來估計可用帶寬，信道的空閑度與節(jié)點(diǎn)的可用帶寬成正比.在這種方式下，節(jié)點(diǎn)之間不需要額外發(fā)送Hello消息.節(jié)點(diǎn)可用帶寬的計算公式為

式中，Bavailable(i)為節(jié)點(diǎn)i的可用帶寬，B(i)為節(jié)點(diǎn)i的最大傳輸帶寬，Tinterval為節(jié)點(diǎn)觀察信道的時間間隔，Tidle為在Tinterval時間內(nèi)信道空閑的時間.

從式(1)可以看出，計算Bavailable(i)的困難在于如何獲得Tidle值.IEEE 802.11協(xié)議具有載波監(jiān)聽機(jī)制，能夠判斷信道是否空閑，可以利用這一功能來判斷信道忙閑狀態(tài)的變化.載波監(jiān)聽分為物理和虛擬兩種方式，物理層提供了物理載波監(jiān)聽機(jī)制，而MAC層則提供了虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制(該機(jī)制利用了網(wǎng)絡(luò)分配矢量).無論何種方式判定信道忙，則該信道就被認(rèn)為處于忙的狀態(tài).在單位時間內(nèi)，從信道處于忙的狀態(tài)開始計時，一直到信道空閑為止，這段時間就是Tbusy.據(jù)此，Tidle可表示為

將式(2)代入式(1)，就可求出節(jié)點(diǎn)的可用帶寬Bavailable(i).

2.2 Q-DSR協(xié)議的基本思想

Q-DSR協(xié)議主要針對DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)部分進(jìn)行了改進(jìn).當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S要向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)流J時，J的帶寬需求為bandwidth_requirement.節(jié)點(diǎn)S首先在自己的路由緩存中查找是否存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，并且該路徑符合J的帶寬需求.如果有多條路徑同時滿足要求，則選擇跳數(shù)最少的一條;如果沒有找到符合要求的路徑，則節(jié)點(diǎn)S發(fā)起路由請求 RREQ分組，在 RREQ中加入帶寬需求(bandwidth_requirement)和可用帶寬(available_ bandwidth)兩個字段，并初始化這兩個字段值：將J的帶寬需求值填入bandwidth_requirement字段;將源節(jié)點(diǎn)的最大傳輸帶寬值填入available_bandwidth字段［10］.

中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)以下順序處理RREQ包：① 該RREQ是否已經(jīng)被接收過，如果是，則丟棄該分組，如果不是，則跳到②;②判斷該RREQ的TTL(time to live)值是否大于0，若否，則丟棄，反之，跳到③;③計算本節(jié)點(diǎn)的可用帶寬值，如果大于RREQ中bandwidth_ requirement的值，則跳到④，反之，則丟棄該分組;④判斷本節(jié)點(diǎn)的可用帶寬值是否小于 RREQ中available_bandwidth的值，若是，則更新 available_ bandwidth字段值，若否，則保持不變;⑤將本節(jié)點(diǎn)的ID信息加入到RREQ中，并轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ包.

從上述處理流程可以看出，中間節(jié)點(diǎn)在處理RREQ時，并沒有從自己的路由緩存中查找是否存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，這是因?yàn)榧词拐业搅讼嚓P(guān)路徑，也不能夠保證該路徑滿足數(shù)據(jù)流J的帶寬需求.因此，只有目的節(jié)點(diǎn)才能發(fā)起RREP包.

當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)D收到RREQ包時，將RREQ包中所攜帶的路徑信息以及帶寬信息移植到RREP包中，并沿著反向路徑發(fā)送該RREP包.

3 協(xié)議仿真與性能評價

3.1 仿真參數(shù)

Q-DSR設(shè)計的目的是改進(jìn)DSR協(xié)議，使之支持QoS，并能夠適應(yīng)多媒體實(shí)時業(yè)務(wù).在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，分別運(yùn)行DSR和Q-DSR協(xié)議，通過不同的性能指標(biāo)來衡量Q-DSR的性能.仿真所使用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為NS2模擬器，模擬參數(shù)如表1所示，其中CBR (constant bit rate)為固定比特率.

表1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters

3.2 性能指標(biāo)

3.2.1 平均分組投遞率

平均分組投遞率(packet delivery fraction，PDF)是指目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)的比值.該指標(biāo)表明了路由協(xié)議的有效性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的能力，反映了協(xié)議的完整性和正確性.

首先，考察網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜DF的影響.令節(jié)點(diǎn)個數(shù)與數(shù)據(jù)流數(shù)目不變，設(shè)定節(jié)點(diǎn)個數(shù)為30，數(shù)據(jù)流數(shù)目為10條.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓晒?jié)點(diǎn)移動情況衡量，移動越頻繁，說明拓?fù)渥兓瘎×?設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均停留時間分別為0，40，80，150，200 s.PDF隨停留時間的變化曲線如圖1所示.可以看出，Q-DSR協(xié)議在節(jié)點(diǎn)移動較頻繁時，投遞率明顯高于DSR協(xié)議;而當(dāng)節(jié)點(diǎn)停留時間較長時，由于節(jié)點(diǎn)趨于靜止，DSR協(xié)議的性能已經(jīng)很好，所以改進(jìn)空間不大.

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜ν哆f率的影響Fig.1 Different topology vs.PDF

其次，考察網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對投遞率的影響.令節(jié)點(diǎn)個數(shù)與節(jié)點(diǎn)的停留時間不變，設(shè)定節(jié)點(diǎn)個數(shù)為30，停留時間為10 s.網(wǎng)絡(luò)負(fù)載由CBR的連接數(shù)量衡量，連接條數(shù)越多，則說明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越重.本研究使用CBRgen工具分別生成4，10，15，20條CBR數(shù)據(jù)流.PDF隨數(shù)據(jù)流的變化曲線如圖2所示.可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時，DSR的投遞率非常高，性能很好，Q-DSR與DSR表現(xiàn)相當(dāng);當(dāng)負(fù)載越來越重時，網(wǎng)絡(luò)中能夠滿足帶寬要求的路徑越來越少，而DSR協(xié)議的選路是以跳數(shù)為原則，并沒有考慮到帶寬因素，因此，大部分所選路徑都為失效路徑，導(dǎo)致投遞率低于Q-DSR協(xié)議;而Q-DSR協(xié)議采用的是以帶寬為前提的選路機(jī)制，因此，能夠獲得滿足要求的路徑.

3.2.2 歸一化的路由開銷

歸一化的路由開銷是指所有的控制報文與接收到的所有數(shù)據(jù)報文的比值.路由開銷是比較不同協(xié)議性能差別的重要指標(biāo)，可用于衡量協(xié)議的效率、可擴(kuò)展性以及在低帶寬或擁塞情況下的性能和能耗效率.

圖2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對投遞率的影響Fig.2 Different network load vs.PDF

首先，考察網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵w一化路由開銷的影響.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，需要更多的控制分組來尋路.本實(shí)驗(yàn)選取30個無線節(jié)點(diǎn)，設(shè)定20條數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓晒?jié)點(diǎn)移動情況衡量.設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)平均停留時間分別為0，40，80，150，200 s.路由開銷隨停留時間的變化曲線如圖3所示.其次，考察網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對路由開銷的影響.設(shè)定節(jié)點(diǎn)個數(shù)為30，停留時間為0 s，CBR數(shù)據(jù)流數(shù)目分別為4，10，15，20條，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜β酚砷_銷的影響Fig.3 Different topology vs.routing load

從圖3和圖4可以看出，拓?fù)渥兓筋l繁，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越大，兩種路由協(xié)議的開銷也越大.從兩種協(xié)議的變化曲線可以看出，Q-DSR協(xié)議的變化比較平緩，因此具有較好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性.

3.2.3 平均分組時延

圖4 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對路由開銷的影響Fig.4 Different network load vs.routing load

平均分組時延是指數(shù)據(jù)分組遞交的平均端到端時延，包括路由發(fā)現(xiàn)階段由于緩存而造成的時延、在接口隊列中排隊等待的時延、電磁波傳播的時間等在內(nèi)的所有時延.

首先，考察網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵r延的影響.在實(shí)驗(yàn)選取了30個無線節(jié)點(diǎn)，設(shè)定20條數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓晒?jié)點(diǎn)移動情況衡量.設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)平均停留時間分別為0，40，80，150，200 s.分組時延隨停留時間的變化曲線如圖5所示.其次，考察網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對時延的影響.設(shè)定節(jié)點(diǎn)個數(shù)為30，停留時間為0 s，CBR數(shù)據(jù)流數(shù)目分別為4，10，15，20條，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜r延的影響Fig.5 Different topology vs.delay

從圖5可以看出，當(dāng)拓?fù)渥兓l繁時，Q-DSR的時延要小于DSR，這是因?yàn)镈SR所選的跳數(shù)路徑不一定能夠滿足業(yè)務(wù)的要求，從而導(dǎo)致傳輸失敗，進(jìn)而需要重新選擇新的路徑，最終導(dǎo)致時延的增加.圖6中，不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的Q-DSR的時延均小于DSR，這主要是因?yàn)镈SR在路由發(fā)現(xiàn)的過程中沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的局部信息，所選路徑可能會經(jīng)過一些業(yè)務(wù)量較重的節(jié)點(diǎn)，從而帶來較大的排隊時延和多次重傳，產(chǎn)生較大時延.

圖6 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對時延的影響Fig.6 Different network load vs.delay

4 結(jié)束語

針對DSR協(xié)議不支持QoS的情況，本研究設(shè)計了一種在DSR協(xié)議基礎(chǔ)上添加QoS因素的Q-DSR路由協(xié)議.改進(jìn)之處主要體現(xiàn)在3個方面：① 改進(jìn)了路由發(fā)現(xiàn)過程，在路由請求分組中添加了QoS參數(shù);②路由選擇不是以最少跳數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，而是首先考慮此路徑是否符合帶寬要求，在帶寬符合要求的前提下，進(jìn)而選擇跳數(shù)，這樣既能夠滿足QoS的要求，又能夠達(dá)到縮短時延的目的;③在估算節(jié)點(diǎn)的可用帶寬時，通過跨層設(shè)計，利用MAC層的虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制獲得了信道的忙閑狀態(tài)，進(jìn)而估算出節(jié)點(diǎn)的可用帶寬值.

通過對Q-DSR協(xié)議和DSR協(xié)議的仿真比較可以得出，Q-DSR在平均分組時延和分組投遞率方面都優(yōu)于DSR協(xié)議，因而有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率，能夠更好地滿足多媒體業(yè)務(wù)對QoS的需求，路由開銷的變化也比較穩(wěn)定，具有很好的可擴(kuò)展性.

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