一种非均匀分布环境下的WMSNs路由协议

0第2

2 1 7月 0年 0

期

计算机技术与发展COMPUTER碳 ￡(Gy ) AND DEVELOIN ENT’f

Vl . 0 No 7 0 2 1 .

J1 2 1 u. 0 0

一

种非均匀分布环境下的 WMS s由协议 N路张军，小明，王杨涛(西师范大学计算机科学学院，西西安 706 )陕陕 10 2

摘

要：针对无线多媒体传感器网络 ( WMS s节点能鲢受限和随饥分布不均衡的特点，出了一种在节点非均匀分布条 N)提

件下适合 WlS s息传输的路由协议， VN信 l以达到缩短传输时延和延长网络生命周期的目的。该路由协议在选取前向邻居节点时，据自身的邻居节点个数，根选取一定方向角度内的节点怍为前向节点集合。如果该区域内邻居节点为空，动态则地扩大区域范围，在传输数据时，根据前向节点的能量是否低于前向节点的平均能量一定阈值而选择传输与否，利用并 O N T仿真工具软件对该协议和 L A H协议进行仿真和比较，果表明该协议具有良好的性能。 PE EC结 关键词：线多媒体传感器网络；由协汉；无路生命周期； P E ONT中图分类号： P 9 T 33文献标识码： A文章编号：6 3 2 X 2 1 )7 0 4 5 1 7—6 9 ( 0 0 0一o{—0 ;

No nio m srb to nu f r Diti u in Envr n e t u i g Pr t c lf r io m n sRo tn o o o oW i ee s M u tm e i e o t r s r ls li d a S ns r Ne wo kZ HANG u W . J n,￣NG a - n YANG o Xi mig, o Ta( col f . ue S i c,ha x Noma Unvri,’n7 0 6, h a Sh o o: t c n eS an i r l ie t Xi 10 2 C i ) O mp r e sy a nA s a tF rtec aa tr t s f rl smu i daNno e rs(Ⅳ S s b t c: o h rcei i e s l me i P￣rn t k Wl【N )whc a ee e y—c n t ie o e n h a— r h s c o wi e t q wo i h v n r h g o sr n d n d sa d t ern ad r itiu in,

咧 )s an r—u i r di r u ino h Kd suue h o dt n fi omainta s i i o oadsrb t o p 0 ol nf m s i t fte/;e rtrt ec n ii so nfr t o tb o o o rnm s onfrW M S o t g s Nsrui n poo o .no d rt c e erd c rn miso ea n h ul￣eo x e dn h ewok lec ce. emu igp t c leet rtc 1i re ahiv e u e ta s sin d lya d tep r s fe tn igt en t r i y l Th tn r o o lce o d x f o s d p o h eg b rl￣e,h u e fl e c r n o terO, eg b r,ee tacran a gei h i c in o h o e t H rt ten ih o Kd 5 ten mb ro o sa m dig t h;￣n n ih o s slc eti n l n te dr t ft en d 0 V e onxe st efr rS 1 h t i mpy,c o sd n mi x aso frg N c p; h n i ta s t aa,d p n ig n ten d ci,a h ome et fte&e se t id e y a ce p n ino e mn so e W e t rn mi d t a s e e dn o h o e

b fr h n ry i we h n pe—t h vr g n r yo et i h eh l tem dete k 1 ta s sin。a s eoet ee eg sl rt a r o ot ea ea ee eg fac ran t rs od.h h n c 0 s rn mi o ndu e0

s l i o r h mtc l n E[ rtc l i l i 1 n mpr o, e h s l o ta epo o o h s o d p r r i a o t l f eP o d L AC 1 oo mu t la d c a i n t nter ut s w t h rtc l a o e￣— mu t n o s o t o a p o s a o o s h e sh h t g oIA re D t l e.

Ke rs: rls lme i SI o ewo k;ru ig p tc l i y ! ywo d wieesmut d a eI rn t r

s o t r o o:lec ce;oPNET i s n o f

O引言无线传感器网络 ( rl s Sn e ok, Wi e emr N t rs es w WS s是由大量部署在观测环境中的微型廉价低功耗 N)的传感器节点通过多跳通信方式形成的网络系统，传

显著特点，比如： () 1大规模网络；() 2电源能量有限； 、

() 3计算能力和存储能力有限； . () 4自组织结构； () 5多跳通信； () 6动态性网络；

感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力，协作地完成大规模复杂的监测任务，网络中通常只有少量的汇聚(i )点负责发布命令和收集数据， s k节 n

实现与 It c的通信。 ne t a r 无线传感器网络与现有的无线网络相比具有一些

() 7安全可靠；() 8应用相关性； () 9以数据为中心等。

收稿日期：0 9—1 20 0—2;回日期：0 0一【~2 6修 21 )】 8

然而，随着检测环境的日趋复杂多变，由无线传感

基金项目：自然科学基金 (0 7 2 4 6 9 0 5 )教育部科学技国家 6 7 3 2,0 7 (4;}术研究重点项目(0 16; 17 0 )教育部澍学回囝人员科研基金项目 作者简介：张军(9 3,, 18一)男甘肃兰州人， l究生，硕=研研究方向

器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境检测的全面需求。由此，无线多媒体传感器网络应运而生。

为无线传感器网络；王小明，教授，酶士生导师，研究方向为系统安全、普适计算、无线传感器网络。

无线多媒体传感器网络 ( rl s l da e。 Wi e t i Sn e s Mu i mest e ok, o t rs wMS s是在无线传感器网络的基础上 N w N)

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张

军等：一种非均匀分布环境下的 WMS路由协议 Ns

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加入了功能强大的视频、音频等多媒体采集设备，由多

媒体传感器节点组成的一组具有感知、算和通信能计力的分布式网络系统[通过节点上的多媒体传感器 ,采集周边环境的多种媒体信息 (音频、视频、图像等 ),以多跳方式将数据汇集到汇聚节点，现全面、实细粒

端的延迟要求，及待发送数据包的优先级。2 0 以 06年，e m a F l b

n等人提出了 IMS E D.是一种提供包 e M PE r - s】转发机制的多路多速率路由协议，每一跳都以区分优先级作为数据包转发调度策略，方法涉及有效性和该可靠性两方面，以上两种协议设计复杂，但能量和资源消耗大，不适于大型和拓扑频繁变化的网络，这就使得它的应用在 WMS得到了限制。 Ns R lF r 6由协议从数据源节点开始， e oME路 n J:可号虑

度、准信息的环境监测 l。精 - 2】WMS具有 WS Ns Ns的基本特点，使得 WS 这 Ns

的路由应用到 WMS s N上成为可能。但是， WMS s N又具有自身的特点，比如： () 1网络能力增强；

靠性需求、到质量等多种因素，新确定所需的传输路径，实现可靠的数据传输。文献[]出通过选择资源 7提充裕的传输路径以满足动态环境下的延迟需求，多条路径的选择并行进行，以确保找到最适合的一条路径， 该方法同时兼顾了可靠性和实时性需求。Q R8利用 S t】

() 2感知媒体信息丰富；() 3处理任务复杂； () 4数据传输量大；

() 5带宽要求高；() 6更高的 Q要求保证；

蚁群算法寻找最优路径，满足不同业务流的 Q S需 o求。A A 9 S R[针对 WMS中的三类基本服务：常事 1 Ns异件警告服务、信息查询服务以及流媒体查询服务，分析

( )高的优先级传输等特点，就需要对 WS 7更这 Ns

的路由进行改进，以满足 WMS s N的要求。基于对 WMS s N特性的考虑， WMS路由协议的 Ns

了不同服务的 Q S需求，据各类媒体数据包不同的 o依Q S需求， o选择相应的路由，以合理利用全网资源、提高网络性能。 . L A H[J E C如协议主要考虑一簇内节点的能量消

设计应该综合考虑以下条件： 1采用查询模式或事件驱动模式以降低能耗； )2具有能量感知功能； )

耗，目的是为了延长节点的工作时间，并且实现节点的

3必须具有服务质量意识，要满足一定的多 )还 Q S要求； o4尽量减少节点间通信； )

能耗平衡。但是在 L AC E H协议中，头节点进行大簇量的数据转发，能量消耗很大。在数据传输过程中，多

次选择簇头节点进行数据转发，

而导致某些节点过从早死亡的局面，网络出现路由空洞甚至网络瘫痪。 基于以上分析，针对目前 wMS s由协} N路义的不足，文中提出了一种非均匀分布环境下的能量感知的地理位置路由协议 ( n e om i rl ir ui n U dr lnf n s i r gE— N o d tb neg r y— a r n o a in— a wae a d L c t o e Ro ig Alo i m . ut g rt n h

5满足用户需求的实时性要求； )6达到用户提出的可靠性要求等。 )

1研究现状近年来， WMS的研究已经引起了各国科研人 Ns员的密切关注，一些专家学者在该领域开展了探索性

NEL。 A)

的研究， IE在 E E系列会议 ( MAS、C P等 ) A M如 S Il、C多媒体和传感器网络相关会议 ( C Mu ie i A M lm d、 t a A M B C M、 C WS A等 )表了一系列重要 C MO IO A M N发

2 NE A协议描述 L2 1算法思想 . NE A路由协议假设每个节点知道目的节点 (ik L s n

的研究成果。从 2 0 0 3年起， C还专门组织国际视 AM频监控与传感器网络研讨会 ( C lt t nl A M ne i a ma oWok h pOl doS rel n e& S no t r s) r so iVie uv ia c l e srNewok交

节点 )的位置信息，当网络随机布置初始化以后，点节

首先发现自己的邻居节点，根据邻居节点的数量依并据文中的算法在一定角度范围内选择前向邻居区域， 在前向邻居区域中的节点为前向邻居节点，并在前向邻居节点中选择下一跳节点。当探测前向邻居节点为空时，扩大前向邻居区域的角度，以此来扩大前向邻居

流相关研究成果。美国加利福尼亚大学、斯坦福大学、 卡耐基一梅隆大学、马萨诸塞大学、波特兰州立大学等著名学府也都纷纷开始了 WMS方面的研究工作， Ns

并取得了很多值得借鉴的成果。 文献[]明， 3表设计基于 Q S的具有地理位置感 0知和多路径保障的路由协议将大大提升 WMS s N的网络性能，只是提出了思想，无具体实现。文献[]但并 4提出了 wMS s N中的第一个具有 Q S感知的路由协议 o S R

,协议不仅考虑了每条路径的能量，涉及端对 A该还

区域的范围，到找到一个符合要求的节点。当网络直中有数据需要转发或者发送时，节点依据邻居节点的剩余能量将数据转给符合能量要求的前向邻居节点，

并依次传输，若该节点形成路由空洞将放弃数据转发，并告知上一节点重新进行前向节点的选取和转发

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由于 WMS中的节点能量有限，别节点能量 Ns个枯竭后不能被利用，而且 WMS s中的节点也会被添 N加或者被移除，因此在邻居发现过程中，节点会按照一

定的时间间隔周期性地探测邻居节点，找自己的邻寻居节点，以实现简单的网络拓扑变化的网络。22邻居发现 .

定义 1节点 v( Y) ix,i与 ( Y) z,j之间的距离

d可以用式 ( ) 1计算：

d=￣( f+( ) /z— ) Y~ f定义 2如果节点和节点 v满足关系： /R≥

() 1

0

则称节点和互为邻居节点，中 R为节点V其 i 的通信半径。 则节点的邻居节点的集合可表示为：

N( i v)={ I≥ d Ri

∈ V}

() 2

网络初始化以后，每个节点发送广播路由请求分组 R E探测邻居节点， R Q,在式 ( )围内的周边节点 2范收到 R E R Q请求信息后，向发送节点回复请求应答信息 A V, D并把信息发送节点的 I D加入自己的邻居列

表 N( )中，源节点收到 A V应答信息后，该节点 D把的I D加入自己的邻居列表 N( ), 中所有节点完成邻居发现过程。 2 3路由探测 .

当节点定义好邻居列表集合以后，根据邻居节点的个数和目的节点 (i s k节点 ) n的地理位置信息，在一定方向内选取前向邻居节点。首先，节点的邻居列设

表集合的大小为 N(, N=0, )当时邻居节点个数为0重新进行邻居探测，,如果经过邻居发现后 N依然为 0则说明该节点为空节点，,不能进行数据传输和转发， 间隔一段时间片后再次进行邻居发现，是因为这 WMS是可移动网络， Ns过一段时间片之后该节点可能不为空节点，因此，需要周期性地发现和更新邻居节点。

当 1 N≤ 6,≤时全部的节点作为前向节点，在这些节

点中选择距离目的节点最近的节点作为下一跳节点，邻居节点个数较小时，可以通过单个计算来判定哪个节点更优，以节省 WMS s贵的能量， N宝为了防止形图 2垂直扩大前向区域

成路由环路，在这种情况下，需要对上一跳节点和下一

考虑到由于 WMS s随机布设的， N是在某个区域范围内可能聚集着大量的 WMS s点， N节因此对该特殊情况也要考虑，在扇形 C E内的节点为前向邻居节 D点(如图 3所示 )。

跳节点进行标记，在信息传输时，标记的节点不能作为下一跳节点，如果形成了路由环路，在形成环路的节点处向上一跳节点进行回退。当』> 6时，接数据转发节点和 s k节点作为、,连 i n

对于上述的特殊情况，首先计算邻居节点的个数 (记为 N)连接发送节点和 s k, i节点作为 z轴， n通信半径为 r圆和X轴的焦点(的记为 D)以过 D点向圆心，

z坐标轴，向节点的区域大小为：前。: 2×l g o2

() 3

内距离 d的长度做轴的垂直线’在轴’,和圆的范

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围即为前向邻居区域，如果该区域依然为空则继续以 2的长度扩大前向区域，至扩大到整个圆 (图 3 直如所示 )。

始化；

步骤 2根据式 ( ): 1和式 ( ) 2寻找邻居节点，完成邻居发现过程；

。

o o

建三。暑0 O 0 0

步骤 3计算邻居列表里的邻居个数 N,:根据路由 探测方法寻找下一跳节点的范围和 I实现数据转发 D,和传输。 ①如果邻居节点个数 N在 1 N≤ 6内，≤全部的

邻居节点作为前向邻居，据式 ( )找适合能量要根 8寻求的节点作为下一跳节点； ②如果邻居节点个数 N> 6根据式 ( ), 3计算前向邻居节点区域，并根据式 ( )算能量条件， 8计寻找下图 3垂直扩大邻居区域一

跳节点；

2 4信息传输 .定义 3传感器节点的能量消耗主要分为两大部

③如果出现图( ) 3所示的特殊情况，根据式( ) 4计算前向节点区域，并根据式 ( ) 8计算能量条件，找下寻一

分，信息发送模块和信息接收模块的能量消耗，中，其 信息发送模块能量消耗计算公式为：

E丁( d工 )=。

跳节点；

④当找到满足条件的下一跳节点后，进行数据传() 5

k× Edc k× Et× d e十一”

输或转发。

信息接收模块的能量计算公式为：( )= k× Ed k钌 () 6

3实验仿真及比较文中采用 O N T ( pi zdN t ok n i ei P E O t e ew r E g er g mi n n

其中， k为数据的字节大小， ( )接收数据 E五为能量消耗， h( d为传输数据能量消耗， E ), d为传输距离，参数，满足关系 2< 7< 4 z 2。定义 4更新邻居列表以后，个节点求出其所 每有邻居节点的平均剩余能量， E一表示节点的半用径内所有邻居节点的平均剩余能量，j1 i v(≤≤, i≠ )代表节点半径 r内的邻居节点， d E表示节

T o仿真软件进行仿真。( M汀公司起源于麻省理 o1 ) ) P工学院，成立于 18 9 6年。1 8年 O N T公司发布了 97 PE它的第一个商业化的网络性能仿真软件，供了具有提重要意义的网络性能优化工具，得具有预测性的网使络性能管理和仿真成为可能。至今 oP E已经发行 N T到了 1 . 0 0以上版本。它的产品线除了 Mo e r, dl外还 e包括 I u、 P G m、 P E ee p n t和 T G m S u O N T D vl metKi o

点的剩余能量，z表示所有邻居节点的数量，力则E 为：~

WD Guu等。O N T被 N T WO K WO L M r PE E R R D评

选为“世界级网络仿真软件”OP T仿真工具现已成， NE

∑ EdE一= L—— () 7

为主流的网络仿真软件。 O N T Mo e r P E d l提供了三层建模机制， e分别在进程层、节点层和网络层进行，由下到上的建模。同时在仿真的过程中它采用了离散事件驱动的模拟机理。

当 WMS s N采集到数据或者需要数据转发时，进

人数据转发阶段，进行数据传输。先，节点 (为首源记 A)算前向邻居集合节点的平均能量 E~,计接着，在前向邻居集合中选择距离目的节点最近的节点作为首选下一跳节点(E R)节点 R的剩余能量为 E, i为， R如果：

本实验仿真参数如下： 场景范围

:0×2 0平方米； 20 0节点个数：0 2 0个；源节点个数：个； 4目的节点个数：个； 1发包间隔：恒定分布 ( .5;大传输半径 1 0 0)最 0米；大小：定分布包恒

≥ E~×0 8 .

() 8

(6 0; 9 0 )比特率：Mb s节点的初始化能量为 lJ在 2/; O,仿真实验中，根据能量公式 ( ) 5和公式 ( )算节点的 6计

则 R节点作为下一跳节点，行数据转发和传输，进否

则，在前向邻居集合中重新选择距离目的节点次近的节点作为下一跳节点，继续比较，至成功。直 2 5算法执行步骤 .本算法执行步骤具体如下：

能量消耗， 1%的节点能量耗尽时，当 0结束仿真。图 4是 I C EA H路由协议和 N L E A路由协议的节

点剩余能量消耗的比较，中下面一条线是 L A H其 EC路由协议的能量消耗，面一条线是 N L上 E A路由协议

步骤 1将 2 0个传感器节点随机放置在 2 0×: 0 02 0平方米的网络中， 0形成网络拓扑图，完成网络的初

的节点剩余能量的消耗，从仿真结果很清晰地看出，N L E A路由协议的剩余能量比 L A t路由协议在同 E C{

8 8

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时间高很多、而且生命周期延长 3分钟左右，比

o t e 2 0 P d i f h 0 5 a f c— R m C f n M ut da e l i n o .o l me i.B rn: i iS rn r— VeJg。 0 5- 7 p ige ra 2 0 5 2—58 3.

L A H协议更能节省无线多媒体传感器网络宝贵的 E C

能量，使得无线多媒体传感器网络在网络的传感器数量、平均能量消耗、生命周期方面表现出良好的性能，

[] l Me d C o d uyK R. S re nWi l s 2 n a F A, l i T, hw h r A uv yO r e oa es

Mu ieiSno e ok[] C m u rN t ok:T e lm da esrN t rsJ . o p t e rs h t w e wItrai a o ra o o ue n l o nen t n lJ un l fC mptr a d Te cmmt ct m o e mi i ao

为更好地提高无线多媒体传感器网络的性能提供了可能。NL E A协议与 LA H

协议能量消耗比 EC较l. J 0 o 0

Ne okn,0 7,1 4:2—9 0 w t rig 2 0 5 ( )9 1 6 .

[] E e A a . l i ei C m nct ni 3 rn G, k n O B Mu m dao mu i i t ao n

ls e s

e sr tok J . na s e T eo mui t n,05 Sno ew r[]A n eD s d om n aos20, N s l ci6 ()82 0 . 0 7:7—90[ j H Sa k v A, u e a S’E A S tl s r. 4 e T,t o iJ L Y,t 1 l D: t e s Po n e C . E a et 0 I fr R a— Ti o 0 o o e l me C mmu i t n i e r Ne r s nc i n S呦 t k a o wo

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rN t ok[/Poed g ft e r C]/rcei so e w s n h

I EE W o k h p o bl d W i l s Newo k . i t E r s o Mo i a r e t r P s . n en es s a c

a a, S:sn]20:1— 1 . w y U A[..,037 0 75[3 I l aw, hn N t,ta A dpi c ue 6 (1 Je o Z g Y Y, a B e 1 aateR￣ r ag n s h . v oo t h me t l it g si n S l. t o k C n r l c e O Al vae C n e t n i e￣ rNew r o S e o o Ko s

O i mn

5i a rn

1ri 0 n a

网络运行时间

图 4 L AC E H协议和 NEL A协议的能量消耗比较

【/P oed g ft i t r hp o r d a dA

. C]/ r ei s eFr k o n B o b n d c n o h s Wos a

vne no e ok ( A E日 ) SnJ6, A: s acdS srN t r B S N e w s . a 0e C[ .

4结束语作为无线缚感器网络的高级形式，无线多媒体传感器网络在军事、民用、商业等领域具有广阔的应用前景。虽然目前研究取得了一定成果，但是距离实际应用相差有一定距离[J 1。 2

n j2 0 . .,0 4

[ J D b B a g r, e o R l b f r ai o - 7 e h maa R i ma N. ea l h om t F r B, S M B i e n o

w ri i l ie a snSlo N t ok[]/re ad u n g n s gMu p Pt i e.r e rsC/Po. tl h 1 s w2 t n a E o fr c n L c lC mp tr Newo k 8 h An u lI EE C n ee e o o a o n ue t rs

( C 03 .onG r n:Sn]2 0 . L N2 0 )B n, e y[..,03 ma[] N s n O, b ehmi M . D 8 er e A d la d Q S i m i R ui o Wi l s 1 o t gf c n r re es

文中针对无线多媒体传感器网络的节点分布不均

S l r e ok[]/rc d g f h n C It .￣s N t rsC/ oe i s te dA M e o w p en o 2 n mat nl okh po i a W r o nQulyo S ri o s at f evc i e& S cr yfr i l s eui o W r e t es

匀性和节点剩余能量的不均衡性，出了一种在节点提非均匀分布的条件下适合 WMS s N信息传输的能量感知地理位置路由协议 N L NE A路由协议在选取 E A, L

adMoi e ok. e omon s pi:sn]20:5 n be t rsTr n l o, a[..,06 4 lN w r i S n—

5 0.

前向邻居节点和传送数据阶段对节点的选取进行了改进和优化，通过节点的邻居节点的数量，动态地选择前

[】 S a,MaHud n,Lu La g S R: t ae 9 uY n a g o i i .A A A a—b s n n n ds/ c—a r o tn loihm o ut e i e ln t ev e— wae r u i ag rt _i

g fr m l i da s￣" e . m

向区域，适应了非均匀分布的环境，并选取距离目的节点最近和尽量选择剩余能量大的节点作为转发节点的改进和优化算法。实验仿真结果表明， E A路由协 N L

w r[]Fot ro Eetc d lt n E g er gi ok J .rnis f l ra a Ee r i ni en n s e c i ln co c n iChn,0 8 3 ( )2 ia 2 0,9 1:5—3 . 3

【0 1]H i e a R。 hn rksn A E e y—E f i t m e zl n W C ada a . nr n m a g fc n C . ie O

议与 L A H路由协议相比较， EC明显地延长了网络的生命周期，均衡了网络中节点的能量消耗，具有良好的性能。参考文献：[] T oD, mdn, iY nh .nr -Efi t opr 1 a Ma H og Lu ogeE eg y fc n oe— ie Car g r sn i oSmo e ok[]/r . i I fe mae o s i Vd e r t rsC/Po Pc i n e g e N w c

mui tn rtclo Wils c sno N tok[]/ n ao P oo f ci o r∞e Mi esr e r C/ es m w sI: rc e n so h 3 d Ha i l tr a i a C i el e n P o e dg f t e 3 r wai n en t l of l i n o ' ￣c

o yt c neH w iU A:sn】20 . nS s m Si c. a a, S[..,00 e e i[1 1]刘明，建农，曹程桂海 . A E G:量感知的无线传感 ED E能器网络数据收集协议[] J .软件学报，0 7 1 ( )19 20,8 5:02—11 09.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/av24.html