何建新 ?k賈麗媛

摘要：無線多媒體傳感器網(wǎng)絡視頻流傳輸需要提供多樣性QoS保障，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議不能很好地保證多媒體視頻流數(shù)據(jù)傳輸，改進多徑路由算法TPGF下一跳節(jié)點選擇方法，提出一種適合視頻流傳輸?shù)膮^(qū)分服務多路徑Qos路由算法DSMQRA。綜合考慮各路徑跳數(shù)與節(jié)點剩余能量情況，在源節(jié)點與匯聚節(jié)點間找到多條優(yōu)化的節(jié)點不相交路徑；采用區(qū)分服務機制，重點保護視頻流關(guān)鍵幀，提高視頻流傳輸質(zhì)量。在NS2環(huán)境下與AODV、GPSR、TPGF等算法進行仿真對比分析，實驗結(jié)果表明DSMQRA算法能夠有效延長網(wǎng)絡生存時間、降低丟包率、減小幀延時、圖像峰值信噪比較高，更加適合無線多媒體傳感器網(wǎng)絡視頻流數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：無線多媒體傳感器網(wǎng)絡；區(qū)分服務；多徑路由；算法

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A

1引言

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡（WMSNs）通過集成于節(jié)點上的CMOS攝像頭、微型麥克風等多媒體傳感器協(xié)作地感知外部環(huán)境，從物理環(huán)境中采集圖像、視頻、音頻等多媒體信息，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域更細粒度的精確監(jiān)測。視頻流傳輸是WMSNs的典型應用，視頻傳感器節(jié)點將采集的視頻數(shù)據(jù)多跳傳輸至sink匯聚節(jié)點。為了保障視頻流傳輸質(zhì)量，延長網(wǎng)絡生存時間，必須考慮流媒體數(shù)據(jù)對帶寬、時延、抖動、丟包率、能耗等QoS指標的嚴格要求，必須考慮全網(wǎng)能量的均衡消耗。

經(jīng)典的AODV[1]路由協(xié)議，具有按需路由、操作簡單、可擴展性好等優(yōu)點，但卻沒有考慮路由負載，存在冗余消息多、協(xié)議開銷大的缺點。近年來提供QoS保障的多徑路由算法日益成為WMSNs的研究熱點[2-3]。TPGF[4]（Two-phasegeographicGreedyForwardingroutingalgorithm）基于地理位置信息采用貪婪策略在鄰居節(jié)點集中選擇距離目的節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳，直到找到一條可能路徑，然后基于最小跳數(shù)進行路徑優(yōu)化，但是其下一跳節(jié)點選擇僅考慮了距離因素，沒有考慮節(jié)點能量因素，一旦路徑上任意節(jié)點能量耗盡，該路徑將癱瘓，這時最短路徑便成為了最不安全的路徑。

隨著研究的不斷深入，出現(xiàn)了專門針對多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓹C制。利用視頻失真預測模型，Kandris等人設計了QoS路由算法PEMuR[5]，其缺點在于失真預測需要額外計算開銷，并不適用資源受限的傳感器網(wǎng)絡。為了增強網(wǎng)絡整體吞吐量，YahyaB等提出了基于服務區(qū)分的多路徑QoS路由協(xié)議EQSR[6]，通過區(qū)分不同服務數(shù)據(jù)將較為重要的數(shù)據(jù)通過分片編碼方式分散到多條路徑中傳輸，但對數(shù)據(jù)重新編碼同樣增加了網(wǎng)絡的額外開銷。對視頻數(shù)據(jù)進行有效編碼能夠壓縮原始視頻的數(shù)據(jù)量，且經(jīng)過編碼后的視頻數(shù)據(jù)具有不同重要性，如MPEG-4編碼方式[7]，其GOP（groupofpicture）格式為IPBBPBBPIP……，其中I幀是關(guān)鍵幀，P幀與B幀是非關(guān)鍵幀，P幀與B幀的解碼依賴于I幀，如果I幀出錯，將導致接收端P幀、B幀無法解碼而成為無用數(shù)據(jù)，這樣不僅影響視頻解碼質(zhì)量，而且造成網(wǎng)絡資源浪費。本文改進TPGF下一跳節(jié)點選擇方法，依據(jù)編碼后不同數(shù)據(jù)幀的重要程度采用區(qū)分服務方法，提出一種適合視頻流傳輸?shù)膮^(qū)分服務多路徑Qos路由算法DSMQRA（DifferentiatedServicesMultipathQoSRoutingAlgorithm），綜合考慮距離與能量因素，使每條路由成為能量感知路由，同時采用區(qū)分服務機制重點保護視頻流I關(guān)鍵幀，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

2網(wǎng)絡模型

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡拓撲可抽象成帶權(quán)有向圖G=（V，E），其中V={v1，v2，…，vn}為有限傳感器節(jié)點集合，節(jié)點個數(shù)n=|V|；E={e1，e2，…，em}為單跳通信鏈路集合。對于任意鏈路e∈E，有e=（vi，vj），vi∈V，vj∈V，i≠j。網(wǎng)絡模型其它特征如下：

1）每條鏈路具有帶寬、時延、丟包率等QoS特征值。帶寬即鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率；時延主要由中繼節(jié)點排隊時延與鏈路傳輸時延組成；丟包率包括節(jié)點緩沖區(qū)溢出丟包與信道間干擾丟包。

2）基站隨機部署，每個傳感器節(jié)點和基站位置相對固定，采用GPS獲得節(jié)點位置信息。假設一跳以內(nèi)每個節(jié)點都有鄰居節(jié)點，并且每個節(jié)點都知道自己位置信息。

3）每個傳感器節(jié)點分為活節(jié)點可用、活節(jié)點不可用、死節(jié)點三種不同狀態(tài)?；罟?jié)點可用表示節(jié)點能量充足，可用于正常數(shù)據(jù)采集和傳輸，狀態(tài)設置為1；死節(jié)點表示節(jié)點因能量耗盡而死亡，狀態(tài)設置為-1；活節(jié)點但不可用表示節(jié)點被設置成阻塞節(jié)點，狀態(tài)設置為0。當出現(xiàn)以下情況，節(jié)點將被設置成阻塞節(jié)點：①除上一跳節(jié)點外，再無其他節(jié)點可以選擇作為其一跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點；②除上一跳節(jié)點外，其他一跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點已經(jīng)被其他路徑占用；③出現(xiàn)路由環(huán)路時，路由環(huán)路起點處的傳感器節(jié)點將其下一跳節(jié)點置為阻塞節(jié)點。

3視頻流區(qū)分服務多徑QoS路由算法

3.1鄰居節(jié)點表建立

每個節(jié)點定期通過洪泛方式向其一跳范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點廣播節(jié)點ID、坐標、剩余能量等自身信息，節(jié)點根據(jù)收到的信息建立或更新如圖1所示的鄰居節(jié)點表，其中剩余能量初值為系統(tǒng)初始化時預設的節(jié)點能量，節(jié)點狀態(tài)初始值為1，表示活節(jié)點可用；節(jié)點被路徑所占用時，所在路徑號為從0開始的自然數(shù)，路徑號初始值為-1。

節(jié)點ID坐標剩余能量節(jié)點狀態(tài)所在路徑號圖1鄰居節(jié)點表

當節(jié)點收到鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)包時將按以下步驟建立和更新鄰居節(jié)點表信息，首先提取節(jié)點ID，然后查找其自身鄰居節(jié)點表，并按以下三種情況處理：①若已經(jīng)存在該節(jié)點，則更新該鄰居節(jié)點表信息后丟棄該數(shù)據(jù)包；②若不存在該節(jié)點，則將其加入鄰居節(jié)點表；③若大于預先設定時間間隔仍未收到節(jié)點更新數(shù)據(jù)包信息，則從鄰居節(jié)點表項中刪除該節(jié)點信息。

3.2多徑路由的建立

源節(jié)點至匯聚節(jié)點間維護多條路徑，可減少節(jié)點之間由于帶寬資源有限而導致的沖突，有效緩解網(wǎng)絡擁塞，延長網(wǎng)絡生存周期，提高網(wǎng)絡吞吐量。多徑路由建立包括貪心轉(zhuǎn)發(fā)和路徑優(yōu)化兩個階段。endprint

3.2.1貪心轉(zhuǎn)發(fā)階段

源節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送Hello探索數(shù)據(jù)包，采用貪心轉(zhuǎn)發(fā)和回溯方法，建立從源節(jié)點至匯聚節(jié)點的多條路徑。

1）貪心轉(zhuǎn)發(fā)

TPGF采取貪心轉(zhuǎn)發(fā)策略，從源節(jié)點發(fā)送探索數(shù)據(jù)包開始，總是從鄰居節(jié)點集中選擇距sink節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳，直到匯聚節(jié)點為止，但最優(yōu)節(jié)點選擇并沒有考慮節(jié)點的剩余能量情況。DSMQRA改進了TPGF下一跳節(jié)點選擇方法，綜合考慮節(jié)點距離因素和能量因素，使整條路由成為能量感知路由。DSMQRA選擇最優(yōu)節(jié)點的標準是按公式（1）計算估計代價值C（n，d），其值最小的節(jié)點被選擇為下一跳節(jié)點?？紤]距離、能量變化敏感度，引入指數(shù)加權(quán)移動平均EWMA，平滑估計代價值大小，減少瞬時突發(fā)采樣對估計代價值影響。

C（n，d）=（1-λ）*d（n，d）+λ*e（n），（0<λ<1）（1）

其中d（n，d）表示本節(jié)點到目標節(jié)點的距離，計算如公式（2）所示。

d（n，d）=d2（i，d）-d2mind2max-d2min（2）

公式（2）中d（i，d）為鄰居節(jié)點i距離匯聚節(jié)點sink的距離，dmin為所有鄰居節(jié)點距離匯聚節(jié)點距離最小值，dmax為所有鄰居節(jié)點距離匯聚節(jié)點距離最大值。

公式（1）中e（n）表示鄰居節(jié)點剩余能量大小，e（n）計算如公式（3）所示，其中Einit為節(jié)點初始能量，Eres為節(jié)點當前剩余能量。

e（n）=Einit-EresEinit（3）

公式（1）中權(quán)值λ隨網(wǎng)絡動態(tài)變化，網(wǎng)絡初始化時，所有節(jié)點剩余能量均相同，估計代價值僅與距離d（n，d）有關(guān)，此時λ值等于零；隨著網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，各節(jié)點因負載不同導致能量消耗不同，鄰居節(jié)點間剩余能量水平差異變大，此時剩余能量部分在估計代價中權(quán)重應該逐漸加大，而距離部分權(quán)重將相應減少。權(quán)值λ采用歸一化處理后如公式（4）所示，其中Eres_max表示所有鄰居節(jié)點剩余能量最大值，Eres_min表示所有鄰居節(jié)點剩余能量最小值。

λ=Eres_max-Eres_minEres_max（4）

2）回溯

當傳感器節(jié)點因能量耗盡成為死節(jié)點時將產(chǎn)生路由空洞。DSMQRA算法采用“回溯”方法避免當前節(jié)點遇到路由空洞而造成路由探測失敗?！盎厮荨奔串斍肮?jié)點除上一跳節(jié)點外，其一跳鄰居節(jié)點表中沒有可用的下一跳節(jié)點時，在鄰居節(jié)點表中將該節(jié)點設置成阻塞節(jié)點，且節(jié)點狀態(tài)置0，表示該節(jié)點為“活節(jié)點不可用”，然后回退至上一跳節(jié)點，從而繞開路由空洞，并按（1）式重新計算選擇下一跳鄰居節(jié)點。

3.2.2路徑優(yōu)化階段

源節(jié)點至匯聚節(jié)點間新路由發(fā)現(xiàn)后，根據(jù)鄰居節(jié)點表信息，路徑中每個節(jié)點分別被標上路徑號和節(jié)點序號標簽，但路徑中可能存在“路徑環(huán)”，即路徑中出現(xiàn)兩個或兩個以上節(jié)點是另一個節(jié)點的鄰居，如圖2中的路徑環(huán)ABC。DSMQRA算法采用“標簽優(yōu)化”方法消除路徑環(huán)，即單徑路由形成后，匯聚節(jié)點會有一確認信息通過反向路由回送給源節(jié)點，為了消除路徑環(huán)，規(guī)定路徑中節(jié)點只給具有相同路徑號、序號較小的一跳鄰居節(jié)點發(fā)送確認信息，如圖2所示，C節(jié)點標簽1：2表示路徑1上序號為2的節(jié)點，當節(jié)點C回送確認信息時，將選擇序號較小的節(jié)點A，而不再選擇節(jié)點B，將B節(jié)點設為活節(jié)點且可用，狀態(tài)置1，這樣B節(jié)點被釋放作為下一次建立新路徑時的備用節(jié)點，從而形成A-C-D-E-F-S的優(yōu)化路徑。重復上述貪心轉(zhuǎn)發(fā)和路徑優(yōu)化過程，直到找到所有從源節(jié)點到目標節(jié)點的優(yōu)化不相交路徑，并在源節(jié)點中存儲每條路徑的跳數(shù)，作為路由選擇的依據(jù)。最先建立的路徑，跳數(shù)較少，能量最充足，便成為最優(yōu)路徑，后續(xù)建立的路徑優(yōu)先級將依次遞減。

3.3視頻流編碼與傳輸

為了提高視頻數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，應用層視頻編碼器采用MPEG-4編碼方式將視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，為數(shù)據(jù)包分別打上I、P、B幀標識，幀標識作為層間交互信息傳遞給網(wǎng)絡層，如圖3所示。

為了提高視頻數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，使解碼端能夠較好的恢復視頻，網(wǎng)絡層將編碼后的視頻數(shù)據(jù)采用多路徑方式傳輸，根據(jù)數(shù)據(jù)包所屬幀的重要程度不同，運用區(qū)分服務方法，選擇跳數(shù)少、能量消耗小、有QoS保障的最優(yōu)路徑傳輸I關(guān)鍵幀，選擇次優(yōu)路徑傳遞P幀、B幀等非關(guān)鍵幀，從而實現(xiàn)對I關(guān)鍵幀的重點保護。

3.4區(qū)分服務機制

一般情況下路徑長度越短、能量越充足，其QoS保障水平越高。綜合考慮距離與能量因素，DSMQRA算法根據(jù)公式（5）計算估計代價值cost（H，E）大小實現(xiàn)區(qū)分服務。估計代價是路徑長度和整條路徑能耗的加權(quán)和，其中H為路徑跳數(shù)歸一化值，E為能量消耗歸一化值，μ為權(quán)值（0<μ<1）。當μ一定時，跳數(shù)少、能量消耗小，估計代價值越小，該路徑Qos保障級別越高，將被選擇用來傳輸I關(guān)鍵幀，然后選擇次優(yōu)路徑傳遞P幀、B幀等非關(guān)鍵幀。

cost（H，E）=（1-μ）*H+μ*E（5）

路徑跳數(shù)H的歸一化值由（6）式?jīng)Q定，其中hop（i）表示路徑i自身包含的跳數(shù)，∑hop表示源節(jié)點至匯聚節(jié)點所有路徑的跳數(shù)之和。

H=hop（i）∑hop（6）

一般情況下路徑傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量越小，能量消耗越少，剩余能量值越大，該路徑被選中的可能性越大。由于路徑中節(jié)點剩余能量難以精確估計，能量消耗E將用該條路徑所傳輸數(shù)據(jù)包個數(shù)來估計，公式（5）中E的值由（7）式?jīng)Q定，其中num（i）表示路徑i所傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量，∑num表示所有路徑傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量之和。

E=num（i）∑num（7）

在視頻傳輸初期能量充足，估計代價值計算主要考慮路徑長度，隨著視頻流傳輸，節(jié)點剩余能量將逐漸減少，此時跳數(shù)少的路徑不一定是最佳路徑，能耗因素的權(quán)值應該逐漸增大。因此綜合考慮路徑跳數(shù)和能耗因素，公式（5）中權(quán)值μ的選取可以采用（8）式所示的雙曲正切函數(shù)。endprint

μ=1-exp（（-2）*∑num）1+exp（（-2）*∑num）（8）

雙曲正切函數(shù)圖像如圖4所示，μ在區(qū)間[0，1]之間變化，隨著所傳輸數(shù)據(jù)包個數(shù)num的增大，μ值趨近于1，此時估計代價值計算將重點考慮能耗因素。

4仿真與結(jié)果分析

4.1仿真環(huán)境設置

將DSMQRA算法加入NS2[8]模擬器核心組件，添加Evalvid[9]視頻質(zhì)量評價工具集，并與TPGF、GPSR[10]（GreedyPerimeterStatelessRouting）、AODV（AdhocOndemandDistanceVectorRouting）等算法性能進行仿真比較。highway.yuv視頻測試用例包含2000幀，其中I幀223，P幀445，B幀1332，采用MPEG-4編碼格式，每幀圖像176*144像素，發(fā)送速率25幀/秒；根據(jù)不同節(jié)點數(shù)分為60、80、……200等八種不同網(wǎng)絡場景，針對每種場景分別測試不同算法作用下的網(wǎng)絡生存時間、丟包率、I幀丟幀率、圖像峰值信噪比PSNR等性能指標。其它仿真實驗參數(shù)設置如表1所示。

網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域（600*400）m2節(jié)點傳輸半徑100m源節(jié)點坐標（500，300）sink節(jié)點坐標（100，100）普通節(jié)點能量J源節(jié)點匯聚節(jié)點能量30J接收功率0.4W數(shù)據(jù)包最大值1000B發(fā)送功率0.4W節(jié)點分布模式隨機4.2結(jié)果及分析

1）網(wǎng)絡生存時間比較

網(wǎng)絡生存時間為從WMSNs初始部署到第一個節(jié)點能量耗盡失去傳感能力的時間段。如圖5所示為不同場景網(wǎng)絡生存時間比較。

節(jié)點數(shù)量（個）圖5網(wǎng)絡生存時間比較

DSMQRA算法將網(wǎng)絡負載選擇多路徑傳輸，更多節(jié)點進行分攤，具有更好的負載均衡性，比采用單路徑傳輸?shù)腉PSR和AODV的網(wǎng)絡生存周期更長，這對于數(shù)據(jù)量較大的WMSNs來說非常關(guān)鍵；綜合考慮距離與能量因素，同時采用區(qū)分服務機制的DSMQRA比TPGF具有更長的網(wǎng)絡生存期，表明采用區(qū)分服務機制可進一步在多路徑間均衡網(wǎng)絡負載，延長網(wǎng)絡生存時間。隨著網(wǎng)絡場景節(jié)點數(shù)增加，節(jié)點鄰居數(shù)目增多，因為節(jié)點周期性維護其鄰居節(jié)點表信息所消耗能量也將隨之升高，所以網(wǎng)絡生存時間曲線略有下降。

2）丟包率比較

不同網(wǎng)絡場景丟包率比較如圖6所示。當網(wǎng)絡規(guī)模較小時（小于120節(jié)點），由于節(jié)點密度較小，不能提供足夠多冗余節(jié)點來實現(xiàn)多路徑傳輸，當發(fā)生節(jié)點死亡時，導致網(wǎng)絡性能驟減，此時DSMQRA算法丟包率比GPSR和AODV略大。但當節(jié)點數(shù)達到一定規(guī)模（大于120節(jié)點）時，DSMQRA算法保證路徑有一定冗余度，當某條路徑失效時，將通過冗余路由均衡網(wǎng)絡負載、保障傳輸可靠性，大大減少由網(wǎng)絡擁塞帶來的數(shù)據(jù)包丟失情況。

節(jié)點數(shù)量（個）圖6丟包率比較

3）I幀丟幀率比較

在解碼端I關(guān)鍵幀對于視頻能否正確解碼最為重要。如圖7所示為不同場景I幀丟幀率比較。當網(wǎng)絡規(guī)模較小時，還不能實現(xiàn)多路徑傳輸，DSMQRA算法I幀丟幀率較高；隨著網(wǎng)絡規(guī)模增大，一方面由于改進的多路徑傳輸均衡了網(wǎng)絡負載，另一方面采用區(qū)分服務機制對I關(guān)鍵幀實現(xiàn)了重點保護，I幀丟幀率明顯低于TPGF、GPSR和AODV。4）圖像峰值信噪比PSNR比較

解碼后的圖像質(zhì)量可通過如圖8所示的平均峰值信噪比PSNR來反映，PSNR值越大代表圖像失真越少。當網(wǎng)絡規(guī)模小、節(jié)點密度較低時，因沒有足夠的冗余節(jié)點，當路徑上有節(jié)點死亡時，路徑很難完成自愈，此時DSMQRA的PSNR值較小。隨著節(jié)點密度變大，TPGF因采用多路徑傳輸方式，PSNR值變大，說明圖像質(zhì)量有所改善。DSMQRA綜合考慮了節(jié)點剩余能量和多路徑聚集程度，均衡了負載和能耗避免了網(wǎng)絡擁塞，同時采用區(qū)分服務機制對視頻流I關(guān)鍵幀傳輸進行了最高優(yōu)先級保障，此時的PSNR值變得最大，表明解碼后的圖像質(zhì)量最佳。

5結(jié)論

本文提出的DSMQRA算法，在網(wǎng)絡規(guī)模與節(jié)點密度較大的WMSNs中經(jīng)過與GPSR、AODV、TPGF進行仿真對比，表現(xiàn)出了更好的網(wǎng)絡性能。該算法主要是在能量約束條件下提出的，視頻的QoS保障只局限于網(wǎng)絡層和應用層協(xié)作，實際的WMSNs路由是在能量、時延、可靠性和安全性等多約束條件下進行的。因此，設計滿足多約束條件，實現(xiàn)其他各層和網(wǎng)絡層跨層協(xié)作的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡路由算法，達到整個網(wǎng)絡節(jié)能效果最優(yōu)化，是我們在此基礎上應該進一步深入研究的問題。

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第35卷第1期2016年3月計算技術(shù)與自動化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016第35卷第1期2016年3月計算技術(shù)與自動化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016

收稿日期：2015-08-04

基金項目：國家級“電子信息工程”專業(yè)綜合改革試點專業(yè)項目（高教司函[2013]5號）；湖南省教育廳開放基金項目（15K051）endprint