無線多媒體傳感器網(wǎng)絡多路徑路由協(xié)議綜述*

吳 笛， 董淑福， 康巧燕， 趙亞金

(1.空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710077；2.北京軍區(qū)空軍司令部 網(wǎng)管中心，北京 100038)

0 引 言

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(wireless multimedia sensor networks,WMSNs)是在無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)的基礎上引入了圖像、聲音、視頻等多媒體信息感知和處理功能，可廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等領域[1]。WMSNs對所傳輸多媒體信息的服務質(zhì)量(QoS)性能指標十分敏感，因此，有效保障多媒體信息的QoS傳輸并盡量節(jié)省網(wǎng)絡能量是WMSNs實用化的關鍵[2]。

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸過程使用路徑的多少，可分為單路徑路由和多路徑路由。傳統(tǒng)的單路徑路由協(xié)議如DSR[3]，AODV[4]，EAQR[5]，REAR[6]等，會造成某單一路徑因為頻繁進入工作狀態(tài)而能量消耗過大，導致該路徑上部分節(jié)點因電池耗盡而使該路徑失效；而重新發(fā)現(xiàn)路由會對網(wǎng)絡的傳輸時延和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詭碛绊懀瑹o法確保多媒體信息的傳輸質(zhì)量。而多路徑路由策略通過在源節(jié)點和目的節(jié)點間建立并維護多條傳輸路徑以提高通信的可靠性，在多路徑之間根據(jù)特定的代價函數(shù)選擇優(yōu)化的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，或根據(jù)數(shù)據(jù)不同的優(yōu)先級選擇不同的QoS路徑以提供QoS保障和實現(xiàn)網(wǎng)絡負載平衡，非常符合WMSNs路由協(xié)議設計的需求。

1 多路徑路由協(xié)議的分類

多路徑路由協(xié)議(multipath routing protocol，MRP)可根據(jù)路徑的相交性可分為相交路徑與不相交路徑，相比相交路徑，不相交路徑各條路徑間更為獨立，彼此干擾較小，現(xiàn)有的很多方法可以很容易地找到多條不相交路徑[7，8]。根據(jù)多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇煞譃橹鲝穆窂脚c非主從路徑。

主從路徑是指在同一時刻僅使用一條最優(yōu)路徑傳輸數(shù)據(jù)，其余為備用路徑；非主從路徑是指同一時刻使用多條路徑同時傳輸數(shù)據(jù)。相比主從路徑，非主從路徑改變了只有主路徑失效才啟用從路徑傳輸數(shù)據(jù)的狀況，在提高可靠性的同時提高網(wǎng)絡吞吐量[9，10]。

根據(jù)多路徑建立時機和數(shù)據(jù)傳輸技術，本文將MRP分為三類：主動式MRP、響應式MRP和編碼式MRP。1)主動式MRP：在數(shù)據(jù)傳輸之前就根據(jù)節(jié)點能量和鏈路質(zhì)量，通過廣播路由信息建立和維護多條從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，所有數(shù)據(jù)都通過這些已發(fā)現(xiàn)的多路徑進行傳輸。優(yōu)點：提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，減少路徑失效后路由重新建立的時間;缺點：建立、維護多徑路由開銷大，資源要求高。2)響應式MRP：只有當數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)臅r候，源節(jié)點才在網(wǎng)絡中發(fā)起路由查找過程。數(shù)據(jù)傳輸過程中，每一個中間節(jié)點根據(jù)本地信息動態(tài)選擇需要轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點，直到數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點。優(yōu)點：無需維護路由信息，節(jié)省能量，下一跳節(jié)點選擇的隨機性有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡負載平衡;缺點：數(shù)據(jù)傳輸前需計算路由，導致時延較大。3)編碼式MRP：將待傳輸數(shù)據(jù)通過編碼技術分散到多條路徑進行傳輸，在目的節(jié)點通過譯碼和數(shù)據(jù)融合恢復原數(shù)據(jù)。優(yōu)點：無需拷貝多份數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省能量，可靠性、安全性好;缺點：數(shù)據(jù)接收端存在報文亂序現(xiàn)象。

2 主動式MRP

主動式MRP預先維護網(wǎng)絡中從一個節(jié)點到其他節(jié)點的所有路由信息，從而實現(xiàn)快速路由，適用于規(guī)模較小且動態(tài)性不強的WMSNs。典型的主動式MRP包括：HREEMR，REEM，SAR，SCMR等。

2.1 HREEMR協(xié)議

HREEMR(highly-resilient,energy-efficient multipath routing)協(xié)議[11]是在DD(directed diffusion)協(xié)議的基礎上提出的，其最大的特點就是不需要周期性泛洪就能恢復從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑。其核心思想是：建立從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的多條路徑，數(shù)據(jù)通過主路徑傳輸，一旦主路徑失效，就從多條備用路徑中選擇最優(yōu)的路徑作為新的主路徑繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。該協(xié)議減少了路徑重新建立的開銷，降低了延遲，并且針對多路徑建立提出了2種不同的算法：不相交多路徑和纏繞多路徑。在不相交多路徑中，強制選擇互不相交的路徑可能導致備選路徑和主路徑相去甚遠，增加能量的消耗;而纏繞多路徑并不要求所有路徑?jīng)]有相交的節(jié)點，而是附屬于主路徑，作為主路徑上某些節(jié)點或一段節(jié)點的冗余支路和備份。

在HREEMR協(xié)議基礎上，Wang Xinhua等人提出一種可靠高效的能量感知多路徑[12](reliable and energy effcient multipath ,REEM)路由協(xié)議?；緩V播信息使得每個節(jié)點都能維護一個鄰居節(jié)點表，表內(nèi)包括節(jié)點剩余能量、通信半徑、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)概率等，依靠鄰居節(jié)點表信息建立多條傳輸路徑。能量感知的路徑選擇策略有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸路徑的低能耗，有效延長網(wǎng)絡生存時間。此外，曹嘯等人針對視頻流傳輸，提出一種基于改進蟻群多路徑路由[13]算法(ant colony-based multipath routing algorithm,ACMRA)，以尋找具有多種優(yōu)先級的路徑集，對重要性不同的視頻數(shù)據(jù)進行相應路徑的選擇，在網(wǎng)絡和視頻傳輸性能上得到很大的提升。

2.2 SAR協(xié)議

SAR (sequential assignment routing)協(xié)議[14]以基于路由表驅(qū)動的多路徑方式滿足網(wǎng)絡低能耗和魯棒性要求。為了在每個源節(jié)點和匯聚節(jié)點之間生成多條路徑，需要維護多個樹的結(jié)構，匯聚節(jié)點的有效傳輸半徑內(nèi)所有一跳節(jié)點都以自己為根向外生長，樹干(即多路徑)的選擇需要滿足一定QoS要求(如時延、丟包率等)，接著每條路徑選擇某棵樹將信息返回給匯聚節(jié)點建立多條路徑。SAR協(xié)議確保了容錯和故障恢復的便捷以及提供了QoS保證，但維護每個傳感器節(jié)點的路由表和狀態(tài)的開銷較大。類似的還有N-to-1協(xié)議[15]，該協(xié)議采用基于樹形的結(jié)構，將目的節(jié)點作為樹根，實現(xiàn)N-to-1的多路徑傳輸模型。SCMR(secure cluster-based multipath routing)協(xié)議[16]在N-to-1協(xié)議的基礎上采用分層結(jié)構，保證數(shù)據(jù)的有效聚合并利用簇頭節(jié)點的高能量特性，在簇頭間使用多路徑傳輸多媒體數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 響應式MRP

響應式MRP在數(shù)據(jù)分組要發(fā)送時選擇路由，節(jié)點無需維護路由信息表，適用于動態(tài)性較強的WMSNs。典型的響應式MRP包括:TPGF,MMSPEED,CDMS,AMCMR等。

3.1 TPGF協(xié)議

協(xié)議[17]是一種兩質(zhì)相基于地理信息的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)(two-phase geographic greedy forwarding,TPGF)路由算法，針對多媒體信息量大的特點，可以找到多條路徑來傳輸數(shù)據(jù)，并且繞開空洞區(qū)域，較好地解決了網(wǎng)絡能量負載平衡問題。該協(xié)議執(zhí)行時分為路徑查找和路徑優(yōu)化2個階段。在路徑查找過程中，TPGF協(xié)議選出的鄰居節(jié)點可以比當前節(jié)點距離匯聚節(jié)點更遠，這樣就能夠避免局部最小化問題。在路徑優(yōu)化過程中，采用基于標簽的優(yōu)化來消除路徑上的環(huán)路。將協(xié)議算法執(zhí)行多次，即可以找到多條路徑，并且每條新路徑都會繞開已用過的節(jié)點。由于該協(xié)議是純地理信息路由，在選擇下一跳節(jié)點時不用消耗太多信息交換所產(chǎn)生的能量，滿足傳感器節(jié)點能量受限的特性；缺點是沒有考慮網(wǎng)絡能耗問題,且提供的QoS保障單一。

此外，Wang Zijian提出的多路徑間無碰撞路由協(xié)議EECA[18](energy efficient collision aware)，該協(xié)議根據(jù)節(jié)點通信半徑限制多路徑間各節(jié)點的距離，保證多路徑間通信干擾最小化，提高鏈路數(shù)據(jù)傳輸性能；GEAMS(geographic energy-aware multipath stream-based)路由協(xié)議[19]采用智能貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法和后退標記思想通過建立多路徑承載數(shù)據(jù)流，確保了能量均衡和低時延傳輸。

3.2 MMSPEED協(xié)議

SPEED協(xié)議[20]通過非確定地理轉(zhuǎn)發(fā)(nondeterministic geographic forwarding,NGF)算法，負責選出滿足傳輸速率要求的下一跳節(jié)點，但全網(wǎng)只維持一個服務速率，不適用于WMSNs中多種數(shù)據(jù)流的傳輸，而MMSPEED(multi-path and multi-SPEED)協(xié)議[21]能夠提供多種全網(wǎng)速度和差異化的QoS，并且在傳輸數(shù)據(jù)時采用多條路徑來滿足業(yè)務的可靠性。協(xié)議采用基于本地估計的多徑轉(zhuǎn)發(fā)，即每個節(jié)點根據(jù)本地的差錯估計和到鄰居節(jié)點的距離，獨立選出多個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，具體過程為：每一個節(jié)點i估算出數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕蔖，再結(jié)合業(yè)務端到端到達率要求R估算出需要的轉(zhuǎn)發(fā)路徑數(shù)量N，節(jié)點i從鄰居節(jié)點中不斷選出到達概率較大的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，直到滿足數(shù)據(jù)總到達率TRP>R。Darabi Saeed在MMSPEED協(xié)議基礎上提出multimedia-aware MMSPEED協(xié)議[22]，該協(xié)議針對視頻數(shù)據(jù)通過編碼后具有重要性的不同采用區(qū)分優(yōu)先級的多徑傳輸，提高了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量,并延長了網(wǎng)絡生存時間。

3.3 CMDS協(xié)議

CMDS(cluster-based multipath delivery scheme)協(xié)議[23]繼承了層次路由協(xié)議的特點，在分簇時采用基于節(jié)點ID和能量的分簇算法，在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，簇頭節(jié)點將簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù)據(jù)聚集融合之后，根據(jù)一定概率在簇頭間使用多路徑將數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點。與傳統(tǒng)LEACH協(xié)議相比，簇頭節(jié)點通過多跳的多路徑方式傳送數(shù)據(jù)，避免簇頭和匯聚節(jié)點間采用大功率的一跳通信，有效降低和均衡了節(jié)點能耗，延長了網(wǎng)絡生存時間。此外，Agrakhed Jayashree提出一種基于簇的自適應多路徑路由 (cluster-based adaptive multi-constraint multipath routing,AMCMR)協(xié)議[24]，根據(jù)區(qū)域的節(jié)點、鏈路質(zhì)量動態(tài)成簇，數(shù)據(jù)傳輸時匯聚節(jié)點通過泛洪路由請求消息，簇頭節(jié)點收到請求消息后選擇合適的路徑反向轉(zhuǎn)發(fā)路由應答消息，匯聚節(jié)點收到應答消息后，多路徑得以建立。

4 編碼式MRP

針對WMSNs中節(jié)點資源受限、通信易失效的弱點，編碼式MRP將編碼技術與多路徑數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合，適用于較高可靠性要求的WMSNs。典型的編碼式MRP包括:EQSR,NCE-ReInform協(xié)議等。

4.1 EQSR協(xié)議

EQSR協(xié)議[25]是一種基于區(qū)分服務的多路徑QoS路由協(xié)議，該協(xié)議的核心思想是通過多路徑來提高帶寬，通過將數(shù)據(jù)流分為實時性和非實時性兩類。在傳輸過程中，將實時性數(shù)據(jù)通過分片編碼的方式分散到時延低、鏈路質(zhì)量高的多條路徑中進行傳輸，而將非實時性數(shù)據(jù)以同樣的方式分散到性能較次的多條路徑中進行傳輸，具體模型如圖1所示。

圖1 EQSR區(qū)分服務多路徑模型圖

該協(xié)議根據(jù)鏈路代價函數(shù)建立質(zhì)量不同傳輸多路徑，之后源節(jié)點采用FEC前向糾錯編技術，將k個原始數(shù)據(jù)包經(jīng)過冗余編碼后生成n個數(shù)據(jù)包(n>k)，再根據(jù)編碼包中的數(shù)據(jù)類型將n個包分散到不同鏈路質(zhì)量的多路徑中傳輸，在接收端只要至少收到任意k個線性無關的編碼數(shù)據(jù)包就可以通過譯碼算法還原出原始數(shù)據(jù)。典型的多優(yōu)先級多路徑協(xié)議還包括Zhang Lin提出的視頻流路由協(xié)議MPMPS[26](multi-priority multi-path selection)；Wang Xiao-ming等人[27]采用高效的隊列管理算法，通過編碼方式利用多路徑合理調(diào)度視頻流、音頻流、實時數(shù)據(jù)以及非實時數(shù)據(jù)。此類路由提供了QoS時延保障并有效擴展了帶寬，安全性好；缺點是數(shù)據(jù)的編碼/解碼比較耗能，數(shù)據(jù)流的同步和抖動又成為一個新的復雜的問題。

4.2 NCE-ReInform協(xié)議

ReInform(reliable information forwarding using multiple paths)協(xié)議[28]采用多路由和隨機轉(zhuǎn)發(fā)機制來保證信息傳輸?shù)目煽亢吐酚韶撦d平衡，但是沒有關注如何減少節(jié)點能量損耗，冗余數(shù)據(jù)容易造成網(wǎng)絡擁塞并且沒有考慮其它QoS約束。Cherian M等人[29]改進了ReInform協(xié)議，在每個節(jié)點加入一個隊列模型，節(jié)點相當于調(diào)度器，根據(jù)數(shù)據(jù)包的類別區(qū)分服務，將數(shù)據(jù)分散到不同的路徑中，有利于緩解擁塞。

ReInform協(xié)議數(shù)據(jù)的冗余增大了網(wǎng)絡的負擔，故在WMSNs中采用將隨機網(wǎng)絡編碼(random network coding,RNC)與多路徑數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的NCE-ReInform協(xié)議[30]，以增加計算開銷為代價減小數(shù)據(jù)報文的傳輸量，減少為保證期望可靠性所需的多路徑數(shù)量。假設每份報文為達到期望可靠性需要的路徑數(shù)為N，ReInform協(xié)議中，傳送h份不同報文需要h×N條路徑，而NCE-ReInform協(xié)議通過網(wǎng)絡編碼將多份數(shù)據(jù)編碼生成相互無關的m份數(shù)據(jù)沿多路徑傳輸，接收端收到一部分線性無關的編碼數(shù)據(jù)就能恢復原始數(shù)據(jù)。根據(jù)概率統(tǒng)計，m小于h×N，這樣減少了對單份數(shù)據(jù)的依賴性和所需的總路徑數(shù)，降低了通信能耗。網(wǎng)絡編碼與FEC思想上相似，但網(wǎng)絡編碼允許中間節(jié)點對數(shù)據(jù)進行再次編碼，以降低編碼數(shù)據(jù)包之間的線性相關性，提高接收端的解碼成功率。

5 WMSNs的MRP分析

WMSNs多路徑路由協(xié)議根據(jù)不同的QoS需求來設計，使用的機制不同，具體面向的應用也各有特點。本文從9個方面進行了總結(jié)，如表1所示。

表1 WMSNs的MRP特點比較

6 結(jié)束語

WMSNs多路徑路由研究已成為當前研究熱點，隨著研究的進一步深入，設計者應著重考慮以下幾個方面：1)設計服務感知的多路徑路由以支持多QoS保障；2)采用高效的編碼技術、數(shù)據(jù)融合機制等優(yōu)化多路徑；3)完善的多路徑路由安全機制；4)考慮無線信道的廣播特性造成多路徑間的通信干擾。

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