基于集群論的視頻傳輸多徑路由算法

王斌

摘 要視頻流無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要提供各種各樣的QoS保證。提出了基于改進的聚類 MPCA（多徑聚類算法），發(fā)現(xiàn)優(yōu)先路徑和相應(yīng)的重要性不同的視頻數(shù)據(jù)多徑路由算法。通過優(yōu)化人工網(wǎng)絡(luò)鏈接信息的初始分布，改進后的算法能更快地找到可行路徑和收斂速度。實驗結(jié)果表明，MPCA算法在網(wǎng)絡(luò)性能、視頻性能和網(wǎng)絡(luò)生命周期方面，都具有明顯的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】無線多媒體 集群論 多徑路由 視頻 優(yōu)質(zhì)的服務(wù)路由

1 前言

視頻流傳輸是無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用，視頻傳感器節(jié)點的視頻數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸中，應(yīng)考慮以下兩個點因素：

（1）視頻流媒體數(shù)據(jù)上的 QoS，如帶寬、 時延延遲抖動、丟的包率。

（2）平衡的完整網(wǎng)絡(luò)能源、擴展的網(wǎng)絡(luò)生活 無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議用于視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量感應(yīng)路由協(xié)議的基礎(chǔ)。

早期的感應(yīng)QoS 路由算法只有單一的 QoS 參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)或傳輸，通過深化研究無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，專為多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓹C制，而實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸可靠性。視頻失真機理的 QoS 路由算法的預測模型為 PEMuR，但缺點是需要計算額外的成本，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)資源有限，這種方法是不切實際的。路由算法的質(zhì)量服務(wù)通過異步視頻圖像，基于相關(guān)性圖像編碼策略，通過負載均衡方法的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到不同的路徑，不僅影響視頻解碼的質(zhì)量和還造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。因此，沒有優(yōu)先多徑的方法是不可取的。

2 基于改進的MPCA集群論的多徑路由算法

2.1 優(yōu)化分布鏈接信息

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，每個節(jié)點不知道上下文中其他通訊節(jié)點信息，網(wǎng)絡(luò) 的每個節(jié)點的鄰居表。設(shè)置如圖 1 中所示，n 節(jié)點設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)上，由會議節(jié)點和建立鄰居請求節(jié)點，必需包含節(jié)點數(shù)為1。當收到鄰居節(jié)點信息后，必需在記錄的節(jié)點編號和生產(chǎn)時，必需包含節(jié)點數(shù)。

2.2 MPCA 算法

（1）接收者發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點請求建立鄰居節(jié)點，建立鄰居節(jié)點與鏈路帶寬之間的關(guān)系鏈接從鄰居表中刪除，并提供大量的可行路徑，尋找鄰居節(jié)點，產(chǎn)生排序順序和每個節(jié)點的鄰居表，根據(jù)信息素在鏈接時，初始值為零，則當前路徑匯聚節(jié)點的路由表設(shè)置為null，初始化計時器節(jié)點集內(nèi)，發(fā)送每個節(jié)點值；

（2）添加P，如果只發(fā)送更新路徑P節(jié)點路由表，并考慮優(yōu)先級，則進入步驟3；將計算的路徑設(shè)置為目標函數(shù)，最優(yōu)目標函數(shù)的最大值為所選路徑設(shè)置值，更新的節(jié)點生成一個反向路徑，它代表如果相交節(jié)點信息素重置，則其余的全局信息素更新，進入步驟3；

（3）通知節(jié)點，開始傳輸視頻流數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性不同，選擇適當?shù)膬?yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)路徑，等待下一個循環(huán)周期的記錄。

3 模擬與分析

3.1 仿真和實驗方法

NS2模擬仿真軟件，首先進行工具設(shè)置視頻，視頻測試用例文件為 foreman_qcif，Mpeg-4視頻編碼，編碼共有400幀，幀格式為IBBPBBPBBP...，幀長度12，videodata到UDP片段大小是1024字節(jié)。每個節(jié)點的初始能量為二維網(wǎng)絡(luò)測試場景的大小。鏈接丟失率范圍被設(shè)置為0到0.6。鏈道帶寬，數(shù)據(jù)發(fā)送速率，隨機值范圍為500 KB/S～1.5 Mb/s的視頻流，允許路徑最大時長為5秒，最小的路徑帶寬設(shè)置為800 KB/s，默認信息色素初值為0。仿真實驗分為兩個部分：

（1）比較算法MPCA及經(jīng)典群集上的算法收斂性，利用重復隨機試驗的方法在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模模擬場景下進行實驗，直到算法的評價指標達到收斂；

（2）利用NS2的視頻工具集，真實的視頻流文件數(shù)據(jù)中的視頻傳輸，網(wǎng)絡(luò)和性能比較兩種不同情況，包括幀下降率、延遲、峰值信噪比，以及能源消耗。

3.2 網(wǎng)絡(luò)和視頻性能比較

網(wǎng)絡(luò)大小為200個節(jié)點，隨機的統(tǒng)一部署，鄰居節(jié)點集的網(wǎng)絡(luò)密度是5。由于使用mpeg-4代碼，所以需要3個不同優(yōu)先級的請求路徑，對應(yīng)3種不同的視頻幀，BP幀，幀提供不同的傳輸路徑。路徑匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)量設(shè)置R=3，路徑的優(yōu)先級最高，P幀第二，最低的B幀，幀傳輸。我們使用兩種類型的視頻模擬場景：

（1）以確保實時；

（2）確保圖像質(zhì)量在每一輪網(wǎng)絡(luò)維護中減少0.04；在應(yīng)用程序場景中權(quán)重因子QoS物按缺省設(shè)置。

在兩個應(yīng)用程序場景，MPCA 算法和定向擴散算法，與服務(wù)質(zhì)量感知的多徑路由算法 MMSPEED相比，固定 MMSPEED 路由路徑數(shù)是3，優(yōu)化的實時數(shù)據(jù)，其最大路徑延遲是 3 秒，下限概率達0.2；第二場景中，最佳的數(shù)據(jù)可靠性，路徑延遲線為 10 秒，可以達到下限的概率為 0.8，如表1。

4 結(jié)束語

基于集群論的視頻傳輸多路徑路由算法基于改進MPCA聚類算法?；诩旱慕?jīng)典理論，根據(jù)鄰居節(jié)點構(gòu)建一個無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的優(yōu)化分布，信息素初始化，以加快收斂速度。多徑路由方案依據(jù)不同的視頻編碼數(shù)據(jù)，選擇適當?shù)膬?yōu)先級，盡可能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效傳輸。基于集群的路由協(xié)議更加靈活，因為算法是基于視頻大小和QoS參數(shù)集的權(quán)重因素來應(yīng)對不同多媒體應(yīng)用需求。

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作者單位

湖北職業(yè)技術(shù)學院 湖北省孝感市 432100