无线传感器网络中多媒体流量的无关联多路径路由

### 无线传感器网络中多媒体流量的无关联多路径路由 #### 1. 背景与挑战 在无线传感器网络（WSN）中传输多媒体数据并确保服务质量（QoS）是一项艰巨的任务。这是因为WSN环境资源受限，包括能量、带宽和内存容量。多媒体应用通常资源需求大，多媒体流会产生大量数据，这要求中间节点有大的缓冲区和高带宽。此外，传输大量数据需要更长的传输时间，消耗更多能量，导致能量快速耗尽。在占空比网络中，节点在活动和非活动状态之间切换以降低能耗，但节点的间歇性可用性会导致数据传输额外延迟并降低吞吐量，使得在满足各种要求的同时传输多媒体流量更具挑战性。因此，提供足够的带宽来传输数据是多媒体路由中最重要的问题，需要设计一种合适的路由协议，考虑大尺寸多媒体流量的特性并确保QoS要求。 #### 2. 多路径路由的优势及相关工作 多路径路由是WSN中一种有前途的方法，它可以弥补单路径路由的不足。单路径路由由于传感器节点的资源限制（如有限的功率、存储和处理能力，以及无线链路的不可靠性和有限带宽），无法满足各种应用的性能需求。而多路径路由可以从源节点到汇聚节点建立多条路由，带来以下好处： - 可靠性 - 容错性 - 负载均衡 - 提高QoS 负载均衡通过将流量负载分散到多条路由上实现带宽聚合，适用于高生成率和大数据量的多媒体流量，可减少拥塞并使能量消耗在多个节点间均匀分布。为了实现多路径同时传输数据，这些路径应无关联，以避免路径间干扰。以下是一些相关的多路径路由协议： | 协议名称 | 特点 | 不足 | | ---- | ---- | ---- | | EECA | 利用节点位置信息构建两条无碰撞路径，路径间距离超过干扰范围R。源节点将邻居分类，使用退避定时器选择广播节点，根据能量情况调整流量负载，调整传输功率以节能。 | 依赖位置信息，需要特殊硬件支持和额外控制开销，对资源受限的WSN成本高。 | | I2MR | 发现区域不相交的路径以提高吞吐量，先发现最短路径，标记其干扰区域，选择次要和备份目的地并构建路径，源节点同时使用主要和次要路径，保留备份路径。 | 依赖位置信息，需要特殊硬件支持和额外控制开销，对资源受限的WSN成本高。 | | IAMDV | 分两轮寻找两条节点不相交且干扰最小的路径，第一轮发现最短路径，第二轮构建远离第一条路径2R的路径，将视频流分为I帧、P帧和B帧，分配不同路径。 | 无 | | MR2 | 采用自适应增量技术构建最小干扰路由，先构建最短路径，节点收到数据时通知邻居成为被动节点，在活动路径无法提供所需带宽时构建额外路径。 | 发送bepassive消息会产生额外控制开销。 | | LIEMRO | 采用自适应迭代方法构建足够数量的干扰最小的节点不相交路径，每次迭代包括发现和建立阶段，使用成本函数考虑节点干扰水平，根据路径相对质量分配流量负载。 | 无 | | FMRP | 在两步内构建多个节点不相交且无关联的路径，发现阶段由汇聚节点发起兴趣消息，节点存储邻居信息，路由构建阶段由源节点发起，选择非直接邻居作为下一跳节点，使用REFUSE消息调整路径。 | 无 | | NDRECT | 适用于占空比网络的多路径路由协议，专注于构建节点不相交路径处理紧急流量。 | 忽略了相关性问题。 | #### 3. CFMPR - M协议概述 CFMPR - M协议旨在满足多媒体应用的需求，主要是高吞吐量和可接受的端到端延迟，同时延长网络寿命。该协议的目标是构建无关联的节点不相交路径到汇聚节点，以顺利传输多媒体流量，且无需全局网络拓扑视图或节点位置感知。节点不相交性可通过将流量负载分散到不同路径实现负载均衡，有效利用资源。但仅节点不相交不足以提供高吞吐量和减少延迟，因为无法避免路径间的相关性，从而无法同时使用不同路径。构建所需路径只需两个步骤： - **发现阶段**：由源节点发起，通过泛洪路由请求（RREQ）数据包，消除可能参与相关或交织路径的节点，创建本地视图，帮助每个节点选择下一跳，同时收集到汇聚节点的可能路由信息，以满足应用需求。 - **路由建立阶段**：汇聚节点收到源节点发送的所有RREQ后触发，汇聚节点和符合条件的中间节点利用发现阶段获得的本地信息为每条路径选择下一跳节点。 为了提高能源效率，该路由协议在占空比网络中运行，基于E - ECAB作为底层MAC协议。E - ECAB支持高效的广播操作，节点可以根据多种上下文（如邻居信息、流量负载、介质感知和历史感知）调整调度。在发现阶段开始时，每个节点切换到最大活动期，直到参与路由或预定义定时器到期。为避免占空比对网络性能的负面影响，采用MAC层和路由层的跨层协调，使节点根据网络层需求调整调度。 #### 4. 发现阶段详细流程 发现阶段的目标是为每个节点获取足够的信息以构建本地视图，这些信息将指导汇聚节点和中间节点为每条路径选择最佳下一跳。此阶段由源节点泛洪RREQ数据包触发，具体操作如下： - **第一跳节点对的选择**：源节点从邻居列表中选择第一个邻居节点A，然后挑选一个与节点A非直接相邻的节点，重复此操作直到遍历所有邻居，所选节点对中的节点不能重复。源节点在RREQ数据包的新增字段中包含第一跳节点对列表，该列表指定允许转发RREQ数据包的第一跳节点，是构建无关联和非交织的节点不相交路径的关键。 - **RREQ处理**： - 每个选定的第一跳节点收到RREQ后将其广播给邻居，但为避免所有第一跳节点同时竞争信道访问导致碰撞风险增加，源节点为每个第一跳节点对pi分配不同的边界