基于多角度優(yōu)化的無線視頻網(wǎng)絡(luò)路由通信協(xié)議分析

黃夫家

摘? ?要：無線視頻網(wǎng)絡(luò)主要指不利用任何線纜，僅通過無線電波的方式來對數(shù)據(jù)、聲音、信號以及視頻等進行傳播的一種監(jiān)控系統(tǒng)。但因其傳感器能量具有一定的限制性以及所消耗能源較多，對無線視頻網(wǎng)絡(luò)的使用壽命造成了一定的影響。文章以此為中心，從無線視頻網(wǎng)絡(luò)路由現(xiàn)狀、路由通信協(xié)議的調(diào)整和改進等多個角度進行探討和分析，并進行相應的仿真對比測試。

關(guān)鍵詞：多角度優(yōu)化;無線視頻網(wǎng)絡(luò);傳感器;路由通信協(xié)議

無線視頻網(wǎng)絡(luò)具有非常強大的功能，涉及范圍廣闊，包括感知、通信和計算等多個視頻傳感器節(jié)點。這些節(jié)點之間具有一定的協(xié)同能力，相互影響、相互作用，形成一套信息采集、信息處理與信息傳輸?shù)南到y(tǒng)。該技術(shù)有著良好的發(fā)展前景，目前被廣泛應用于交通、醫(yī)學等領(lǐng)域。其中，節(jié)點的分布方式和處理方法是網(wǎng)絡(luò)路由通信協(xié)議中的重要組成部分，本文特對此展開研究和分析。

1? ? 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無線視頻網(wǎng)絡(luò)被更廣泛、普遍地應用，其性能也在一步步優(yōu)化。為推動無線視頻網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，文章以原有通信協(xié)議為基礎(chǔ)對進一步優(yōu)化方案進行探討，并從多個角度進行分析，優(yōu)化后的多角度無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)路由（Multi Angle Optimited Wireless Video Sensor Networks，MAOWVSN）協(xié)議的組成結(jié)構(gòu)主要分為節(jié)點分布、能耗模型和感知模型3部分。（1）節(jié)點分布：在整個無線視頻傳感器里，節(jié)點的分布具有一定的隨機性，呈不規(guī)則狀。因為網(wǎng)絡(luò)的實際性能深受節(jié)點分布的影響，所以要利用有效的方式以確保簇首的擇取，并為后續(xù)的組網(wǎng)工作奠定良好的基礎(chǔ)。每一個節(jié)點都有獨一無二的ID，該ID所處位置固定，每個ID之間能量相等且有限，全部分布并作用于同一個平面上。簇首通過選取算法的方式形成，其級別往往高于一般的節(jié)點。簇首與Sink節(jié)點具有一定的聯(lián)系，可以交換一定的數(shù)據(jù)信息，因此，可以通過隨機函數(shù)的方式來對簇首的方向進行確定和控制。（2）能耗模型：MAOWVSN具有固定的算法，可以通過該算法求解能耗，通過對KBIT信息進行專業(yè)的處理取得實際所需能量，通過對LBIT數(shù)據(jù)進行專業(yè)的處理取得實際耗能量。（3）感知模型：調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點感知的實際范圍呈扇形狀展開，以節(jié)點為圓心，以半徑為感知距離，構(gòu)建相應的感知模型[1]。

2? ? MAOWVSN的設(shè)計優(yōu)化策略

2.1? 簇首的算法與選取

從組網(wǎng)的誕生到后來的發(fā)展過程中，眾多專家就已經(jīng)對簇首的選取制訂了一系列明確的算法，以分簇算法來確認所要選擇的簇首，比方說鏈路分簇算法、最高節(jié)點度啟發(fā)式分簇算法等。本次研究以傳統(tǒng)算法為基礎(chǔ)，吸收其優(yōu)點和精華，將整個無線視頻能夠監(jiān)測到的范圍劃分成若干個扇形，對這若干個扇形做好相應的標記工作以后，需要將其和所屬的節(jié)點ID有效對應起來，通過對簇內(nèi)節(jié)點信息的處理，進而轉(zhuǎn)發(fā)成具有明確性的簇數(shù)據(jù)。MAOWVSN協(xié)議在優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要對節(jié)點剩余的能量以及與Sink節(jié)點之間的距離進行重點關(guān)注和分析。首先，是對節(jié)點剩余能量的求解，當求解出來的數(shù)值小于全部節(jié)點平均值時，則不滿足成為簇首的條件;當求解出來的數(shù)值大于全部節(jié)點平均值時，則不能成為簇首。如此一來，能夠有效提升能量偏高者成為簇首的可能性，增加網(wǎng)絡(luò)的實際運行年限。

2.2? 簇的集合與形成

每個簇之間都蘊含著一組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，簇與簇之間、節(jié)點與節(jié)點的距離需要小于提前設(shè)置好的間距參數(shù)。為了包含所有節(jié)點，為了實現(xiàn)資源管理與路由協(xié)議之間形成緊密的簇的集合，故而引入了分簇算法。在無線視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行的過程中，節(jié)點很容易會受到外圍條件的影響，從而極有可能對其正常功能的發(fā)揮產(chǎn)生一定的影響。當其對數(shù)據(jù)采集造成影響，使其出現(xiàn)比較大的誤差時，倘若沒有及時進行有效的篩選工作就將誤差較大的數(shù)據(jù)直接傳輸給了簇頭，那么必然會對無線視頻網(wǎng)絡(luò)的整體效果造成波動。以能耗模型作為突破口，發(fā)現(xiàn)信息傳遞的能耗與距離有關(guān)，且距離越大，能耗也就越大。本次實驗將充分考慮并運用這一點，從每一個節(jié)點出發(fā)，認真分析其與簇首之間的距離，將距離較短的簇首視作簇內(nèi)分子，并以此促進簇的形成，推動MAOWVSN協(xié)議設(shè)計、優(yōu)化工作的展開[2]。

2.3? 節(jié)點的感知與方向

無線視頻網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通常情況下是隨機分布的，這就直接導致了在監(jiān)測范圍之內(nèi)傳感器節(jié)點分布的差異性，甚至部分區(qū)域內(nèi)的節(jié)點無法被檢測和涉及。在MAOWVSN協(xié)議的設(shè)計和優(yōu)化工作中考慮到網(wǎng)絡(luò)部署所需要的成本，有些傳感器節(jié)點是固定不動的，有些是存在移動的能力的。而位置的改變會導致傳感器節(jié)點無法發(fā)揮其實際作用，間接導致了整個網(wǎng)絡(luò)工程的拓撲受到不同程度的改變，網(wǎng)絡(luò)維護所需要的人力、物力、財力均會有所增加[3]。本次實驗采取這樣的假設(shè)：傳感器各個節(jié)點之間的位置不發(fā)生變化，各個節(jié)點的傳感方向可以調(diào)節(jié)。以虛擬勢場原理為基礎(chǔ)，以擴大無線視頻網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋范圍為任務，通俗來說，本次實驗的原理機制就是通過改變所有節(jié)點的感知方向，獲得更大的覆蓋方位。

2.4? 簇內(nèi)通信與簇間通信

首先，研究分析簇內(nèi)通信：對簇內(nèi)通信進行觀察和研究時，了解簇首和基站之間的距離，并進一步計算其與最大距離之間的比值，所用公式為F（x）=（dig-dmin）÷dmax。其中，F(xiàn)（x）代表簇首和基站之間的距離和最大距離的比值，dig代表簇首和網(wǎng)關(guān)之間的距離，dmin代表最小距離，dmax代表最大距離。當結(jié)果呈現(xiàn)出F（x）<0.6這一情形，則證明簇首和基站之間的距離過小，通信主要采用單跳模式;當結(jié)果呈現(xiàn)出F（x）<0.6這一情形，則證明簇首和基站之間的距離過大，就需要進一步對其分散系數(shù)進行求解。其次，進一步研究分析簇間通信：該算法基本上同低功耗自適應集簇分層型協(xié)議（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）算法一致，簇首主要通過鏈路傳輸對數(shù)據(jù)進行采集和融合，最終將整合好的數(shù)據(jù)傳輸給基站[4]?；驹谶M行數(shù)據(jù)處理時，通常會與上一級節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)進行融合，并以此作為基礎(chǔ)，與后續(xù)節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)形成一個密不可分的鏈路，以此來實現(xiàn)簇間通信實際功能的穩(wěn)步運行。

3? ? 通過仿真實驗測試總體性能

3.1? 環(huán)境和場景的設(shè)置

以測試MAOWVSN協(xié)議的整體性能為目的，以MATLAB 2012為基礎(chǔ)，以LEACH協(xié)議實驗和DEEV協(xié)議實驗為參照，開展本次研究的仿真實驗，從網(wǎng)絡(luò)生存時限等多個角度對整體性能進行探討和分析。本次實驗規(guī)定好的范圍條件為在100 m2之內(nèi)，節(jié)點隨機分布數(shù)量為150個，對仿真實驗的各項參數(shù)進行設(shè)置

3.2? 仿真實驗結(jié)果分析

首先，對生存時間進行分析。實驗結(jié)果表明，相對于LEACH協(xié)議實驗和DEEV協(xié)議實驗來說，MAOWVSN實驗的生存時間得到了大幅提升。提升的根本原因在于對簇首的確定投入了更多的關(guān)注度，并選取、制定了最優(yōu)化原則，極大程度上降低了能量剩余偏小者當選事件的發(fā)生率，同時，為偏高者當選打下了良好的基礎(chǔ)。與此同時，選取模式為內(nèi)通信模式、對簇間進行優(yōu)化等工作也對節(jié)點能耗產(chǎn)生了積極影響，使得網(wǎng)絡(luò)能耗均勻化發(fā)展，以此增加網(wǎng)絡(luò)生存時間。其次，對覆蓋率進行分析，實驗結(jié)果表明，相對于LEACH協(xié)議實驗和DEEV協(xié)議實驗來說，MAOWVSN實驗的覆蓋率得到了明顯的改善。改善的根本原因在于充分利用虛擬勢場原理來對感知方向進行科學、合理的轉(zhuǎn)變，擴大MAOWVSN實驗的覆蓋范圍。最后，對網(wǎng)絡(luò)能耗進行分析，實驗結(jié)果表明，相對于LEACH協(xié)議實驗和DEEV協(xié)議實驗來說，MAOWVSN實驗的剩余能量分布比較均衡。均衡的根本原因在于，作為參照的兩組實驗并沒有對簇首進行確定，也沒有重視各個節(jié)點之間的能量分布是否均衡，在實驗進行過程中，節(jié)點分化異常明顯，直接導致了各節(jié)點之間能耗存在巨大的差異性，如此一來，在偏小者當選的情況下，節(jié)點的死亡速率會加快，網(wǎng)絡(luò)使用年限也因此而降低。而MAOWVSN實驗則對各個節(jié)點能量之間的差異性進行了充分的考慮并有效地保證了各個節(jié)點之間能量的均衡性，以此來實現(xiàn)無線視頻網(wǎng)絡(luò)利用率的提升[5]。

4? ? 結(jié)語

本次研究以優(yōu)化無線視頻網(wǎng)絡(luò)為原則，以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間為核心，以提升節(jié)點能量最大程度的利用效率為目的，從多個角度設(shè)計、優(yōu)化此次MAOWVSN協(xié)議。本次試驗從無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)、MAOWVSN的設(shè)計優(yōu)化策略和仿真實驗測試3個部分對無線視頻網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，旨在促進路由通信協(xié)議的完善，推動無線視頻網(wǎng)絡(luò)更好、更快發(fā)展。

[參考文獻]

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[2]周永福，曾志.基于多角度改進優(yōu)化的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].電子技術(shù)應用，2015（6）：107-109.

[3]肖利平，全臘珍，余波.基于相關(guān)性感知的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015（2）：129-132.

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[5]李瑞瑤，白光偉，沈航，等.無線多媒體傳感網(wǎng)多時間片多重覆蓋路由算法研究[J].計算機科學，2015（9）：97-101.