無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻流區(qū)分服務(wù)多徑Qos路由算法

何建新 ?k賈麗媛

摘要：無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸需要提供多樣性QoS保障，傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)多徑路由算法TPGF下一跳節(jié)點(diǎn)選擇方法，提出一種適合視頻流傳輸?shù)膮^(qū)分服務(wù)多路徑Qos路由算法DSMQRA。綜合考慮各路徑跳數(shù)與節(jié)點(diǎn)剩余能量情況，在源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間找到多條優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)不相交路徑；采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制，重點(diǎn)保護(hù)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(jìn)行仿真對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明DSMQRA算法能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、降低丟包率、減小幀延時(shí)、圖像峰值信噪比較高，更加適合無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻流數(shù)據(jù)傳輸。

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

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（WMSNs）通過(guò)集成于節(jié)點(diǎn)上的CMOS攝像頭、微型麥克風(fēng)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(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域更細(xì)粒度的精確監(jiān)測(cè)。視頻流傳輸是WMSNs的典型應(yīng)用，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的視頻數(shù)據(jù)多跳傳輸至sink匯聚節(jié)點(diǎn)。為了保障視頻流傳輸質(zhì)量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，必須考慮流媒體數(shù)據(jù)對(duì)帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率、能耗等QoS指標(biāo)的嚴(yán)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(jiǎn)單、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但卻沒(méi)有考慮路由負(fù)載，存在冗余消息多、協(xié)議開(kāi)銷大的缺點(diǎn)。近年來(lái)提供QoS保障的多徑路由算法日益成為WMSNs的研究熱點(diǎn)[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(diǎn)集中選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)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(jìn)行路徑優(yōu)化，但是其下一跳節(jié)點(diǎn)選擇僅考慮了距離因素，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量因素，一旦路徑上任意節(jié)點(diǎn)能量耗盡，該路徑將癱瘓，這時(shí)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(duì)多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓹C(jī)制。利用視頻失真預(yù)測(cè)模型，Kandris等人設(shè)計(jì)了QoS路由算法PEMuR[5]，其缺點(diǎn)在于失真預(yù)測(cè)需要額外計(jì)算開(kāi)銷，并不適用資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)。為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量，YahyaB等提出了基于服務(wù)區(qū)分的多路徑QoS路由協(xié)議EQSR[6]，通過(guò)區(qū)分不同服務(wù)數(shù)據(jù)將較為重要的數(shù)據(jù)通過(guò)分片編碼方式分散到多條路徑中傳輸，但對(duì)數(shù)據(jù)重新編碼同樣增加了網(wǎng)絡(luò)的額外開(kāi)銷。對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行有效編碼能夠壓縮原始視頻的數(shù)據(jù)量，且經(jīng)過(guò)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(cuò)，將導(dǎo)致接收端P幀、B幀無(wú)法解碼而成為無(wú)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(luò)資源浪費(fèi)。本文改進(jìn)TPGF下一跳節(jié)點(diǎn)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(wù)方法，提出一種適合視頻流傳輸?shù)膮^(qū)分服務(wù)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(shí)采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制重點(diǎn)保護(hù)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(luò)模型

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇沙橄蟪蓭?quán)有向圖G=（V，E），其中V={v1，v2，…，vn}為有限傳感器節(jié)點(diǎn)集合，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)n=|V|；E={e1，e2，…，em}為單跳通信鏈路集合。對(duì)于任意鏈路e∈E，有e=（vi，vj），vi∈V，vj∈V，i≠j。網(wǎng)絡(luò)模型其它特征如下：

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

2）基站隨機(jī)部署，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和基站位置相對(duì)固定，采用GPS獲得節(jié)點(diǎn)位置信息。假設(shè)一跳以內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有鄰居節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己位置信息。

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

3視頻流區(qū)分服務(wù)多徑QoS路由算法

3.1鄰居節(jié)點(diǎn)表建立

每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期通過(guò)洪泛方式向其一跳范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播節(jié)點(diǎn)ID、坐標(biāo)、剩余能量等自身信息，節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信息建立或更新如圖1所示的鄰居節(jié)點(diǎn)表，其中剩余能量初值為系統(tǒng)初始化時(shí)預(yù)設(shè)的節(jié)點(diǎn)能量，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)初始值為1，表示活節(jié)點(diǎn)可用；節(jié)點(diǎn)被路徑所占用時(shí)，所在路徑號(hào)為從0開(kāi)始的自然數(shù)，路徑號(hào)初始值為-1。

節(jié)點(diǎn)ID坐標(biāo)剩余能量節(jié)點(diǎn)狀態(tài)所在路徑號(hào)圖1鄰居節(jié)點(diǎn)表

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

3.2多徑路由的建立

源節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)間維護(hù)多條路徑，可減少節(jié)點(diǎn)之間由于帶寬資源有限而導(dǎo)致的沖突，有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，提高網(wǎng)絡(luò)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(gè)階段。endprint

3.2.1貪心轉(zhuǎn)發(fā)階段

源節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送探索數(shù)據(jù)包開(kāi)始，總是從鄰居節(jié)點(diǎn)集中選擇距sink節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，直到匯聚節(jié)點(diǎn)為止，但最優(yōu)節(jié)點(diǎn)選擇并沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量情況。DSMQRA改進(jìn)了TPGF下一跳節(jié)點(diǎn)選擇方法，綜合考慮節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)是按公式（1）計(jì)算估計(jì)代價(jià)值C（n，d），其值最小的節(jié)點(diǎn)被選擇為下一跳節(jié)點(diǎn)?？紤]距離、能量變化敏感度，引入指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均EWMA，平滑估計(jì)代價(jià)值大小，減少瞬時(shí)突發(fā)采樣對(duì)估計(jì)代價(jià)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(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，計(jì)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(diǎn)i距離匯聚節(jié)點(diǎn)sink的距離，dmin為所有鄰居節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)距離最小值，dmax為所有鄰居節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)距離最大值。

公式（1）中e（n）表示鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量大小，e（n）計(jì)算如公式（3）所示，其中Einit為節(jié)點(diǎn)初始能量，Eres為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量。

e（n）=Einit-EresEinit（3）

公式（1）中權(quán)值λ隨網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)剩余能量均相同，估計(jì)代價(jià)值僅與距離d（n，d）有關(guān)，此時(shí)λ值等于零；隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，各節(jié)點(diǎn)因負(fù)載不同導(dǎo)致能量消耗不同，鄰居節(jié)點(diǎn)間剩余能量水平差異變大，此時(shí)剩余能量部分在估計(jì)代價(jià)中權(quán)重應(yīng)該逐漸加大，而距離部分權(quán)重將相應(yīng)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(diǎn)剩余能量最大值，Eres_min表示所有鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量最小值。

λ=Eres_max-Eres_minEres_max（4）

2）回溯

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)因能量耗盡成為死節(jié)點(diǎn)時(shí)將產(chǎn)生路由空洞。DSMQRA算法采用“回溯”方法避免當(dāng)前節(jié)點(diǎn)遇到路由空洞而造成路由探測(cè)失敗。“回溯”即當(dāng)前節(jié)點(diǎn)除上一跳節(jié)點(diǎn)外，其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)表中沒(méi)有可用的下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，在鄰居節(jié)點(diǎn)表中將該節(jié)點(diǎn)設(shè)置成阻塞節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)狀態(tài)置0，表示該節(jié)點(diǎn)為“活節(jié)點(diǎn)不可用”，然后回退至上一跳節(jié)點(diǎn)，從而繞開(kāi)路由空洞，并按（1）式重新計(jì)算選擇下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)。

3.2.2路徑優(yōu)化階段

源節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)間新路由發(fā)現(xiàn)后，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)表信息，路徑中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別被標(biāo)上路徑號(hào)和節(jié)點(diǎn)序號(hào)標(biāo)簽，但路徑中可能存在“路徑環(huán)”，即路徑中出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)是另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居，如圖2中的路徑環(huán)ABC。DSMQRA算法采用“標(biāo)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(diǎn)會(huì)有一確認(rèn)信息通過(guò)反向路由回送給源節(jié)點(diǎn)，為了消除路徑環(huán)，規(guī)定路徑中節(jié)點(diǎn)只給具有相同路徑號(hào)、序號(hào)較小的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息，如圖2所示，C節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽1：2表示路徑1上序號(hào)為2的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C回送確認(rèn)信息時(shí)，將選擇序號(hào)較小的節(jié)點(diǎn)A，而不再選擇節(jié)點(diǎn)B，將B節(jié)點(diǎn)設(shè)為活節(jié)點(diǎn)且可用，狀態(tài)置1，這樣B節(jié)點(diǎn)被釋放作為下一次建立新路徑時(shí)的備用節(jié)點(diǎn)，從而形成A-C-D-E-F-S的優(yōu)化路徑。重復(fù)上述貪心轉(zhuǎn)發(fā)和路徑優(yōu)化過(guò)程，直到找到所有從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化不相交路徑，并在源節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)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(jí)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(yīng)用層視頻編碼器采用MPEG-4編碼方式將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，為數(shù)據(jù)包分別打上I、P、B幀標(biāo)識(shí)，幀標(biāo)識(shí)作為層間交互信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)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(fù)視頻，網(wǎng)絡(luò)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(yùn)用區(qū)分服務(wù)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(shí)現(xiàn)對(duì)I關(guān)鍵幀的重點(diǎn)保護(hù)。

3.4區(qū)分服務(wù)機(jī)制

一般情況下路徑長(zhǎng)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(jì)算估計(jì)代價(jià)值cost（H，E）大小實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)。估計(jì)代價(jià)是路徑長(zhǎng)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(dāng)μ一定時(shí)，跳數(shù)少、能量消耗小，估計(jì)代價(jià)值越小，該路徑Qos保障級(jí)別越高，將被選擇用來(lái)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(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)剩余能量難以精確估計(jì)，能量消耗E將用該條路徑所傳輸數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)來(lái)估計(jì)，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(jì)代價(jià)值計(jì)算主要考慮路徑長(zhǎng)度，隨著視頻流傳輸，節(jié)點(diǎn)剩余能量將逐漸減少，此時(shí)跳數(shù)少的路徑不一定是最佳路徑，能耗因素的權(quán)值應(yīng)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(gè)數(shù)num的增大，μ值趨近于1，此時(shí)估計(jì)代價(jià)值計(jì)算將重點(diǎn)考慮能耗因素。

4仿真與結(jié)果分析

4.1仿真環(huán)境設(shè)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(píng)價(jià)工具集，并與TPGF、GPSR[10]（GreedyPerimeterStatelessRouting）、AODV（AdhocOndemandDistanceVectorRouting）等算法性能進(jìn)行仿真比較。highway.yuv視頻測(cè)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(diǎn)數(shù)分為60、80、……200等八種不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，針對(duì)每種場(chǎng)景分別測(cè)試不同算法作用下的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、丟包率、I幀丟幀率、圖像峰值信噪比PSNR等性能指標(biāo)。其它仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域（600*400）m2節(jié)點(diǎn)傳輸半徑100m源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（500，300）sink節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（100，100）普通節(jié)點(diǎn)能量J源節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分布模式隨機(jī)4.2結(jié)果及分析

1）網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較

網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為從WMSNs初始部署到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡失去傳感能力的時(shí)間段。如圖5所示為不同場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較。

節(jié)點(diǎn)數(shù)量（個(gè)）圖5網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較

DSMQRA算法將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載選擇多路徑傳輸，更多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分?jǐn)?，具有更好的?fù)載均衡性，比采用單路徑傳輸?shù)腉PSR和AODV的網(wǎng)絡(luò)生存周期更長(zhǎng)，這對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的WMSNs來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵；綜合考慮距離與能量因素，同時(shí)采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制的DSMQRA比TPGF具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存期，表明采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制可進(jìn)一步在多路徑間均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。隨著網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)目增多，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)周期性維護(hù)其鄰居節(jié)點(diǎn)表信息所消耗能量也將隨之升高，所以網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間曲線略有下降。

2）丟包率比較

不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景丟包率比較如圖6所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)（小于120節(jié)點(diǎn)），由于節(jié)點(diǎn)密度較小，不能提供足夠多冗余節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路徑傳輸，當(dāng)發(fā)生節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能驟減，此時(shí)DSMQRA算法丟包率比GPSR和AODV略大。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定規(guī)模（大于120節(jié)點(diǎn)）時(shí)，DSMQRA算法保證路徑有一定冗余度，當(dāng)某條路徑失效時(shí)，將通過(guò)冗余路由均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、保障傳輸可靠性，大大減少由網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來(lái)的數(shù)據(jù)包丟失情況。

節(jié)點(diǎn)數(shù)量（個(gè)）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(duì)于視頻能否正確解碼最為重要。如圖7所示為不同場(chǎng)景I幀丟幀率比較。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，還不能實(shí)現(xiàn)多路徑傳輸，DSMQRA算法I幀丟幀率較高；隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大，一方面由于改進(jìn)的多路徑傳輸均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，另一方面采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制對(duì)I關(guān)鍵幀實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)保護(hù)，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(guò)如圖8所示的平均峰值信噪比PSNR來(lái)反映，PSNR值越大代表圖像失真越少。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、節(jié)點(diǎn)密度較低時(shí)，因沒(méi)有足夠的冗余節(jié)點(diǎn)，當(dāng)路徑上有節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，路徑很難完成自愈，此時(shí)DSMQRA的PSNR值較小。隨著節(jié)點(diǎn)密度變大，TPGF因采用多路徑傳輸方式，PSNR值變大，說(shuō)明圖像質(zhì)量有所改善。DSMQRA綜合考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量和多路徑聚集程度，均衡了負(fù)載和能耗避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞，同時(shí)采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制對(duì)視頻流I關(guān)鍵幀傳輸進(jìn)行了最高優(yōu)先級(jí)保障，此時(shí)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(luò)規(guī)模與節(jié)點(diǎn)密度較大的WMSNs中經(jīng)過(guò)與GPSR、AODV、TPGF進(jìn)行仿真對(duì)比，表現(xiàn)出了更好的網(wǎng)絡(luò)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(luò)層和應(yīng)用層協(xié)作，實(shí)際的WMSNs路由是在能量、時(shí)延、可靠性和安全性等多約束條件下進(jìn)行的。因此，設(shè)計(jì)滿足多約束條件，實(shí)現(xiàn)其他各層和網(wǎng)絡(luò)層跨層協(xié)作的無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果最優(yōu)化，是我們?cè)诖嘶A(chǔ)上應(yīng)該進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。

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收稿日期：2015-08-04

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