基于北斗系统的QoS保障地理位置路由算法

基于北斗系统的QoS保障地理位置路由算法
周灵;杨文茵
【摘要】Based on Baidu system, the accurate localization/position technology is discussed about how to use it to design a geography position routing algorithm. By using greedy policy and geography position information, a new QoS-supported routing algorithm is designed for Wireless Multimedia Sensor Networks(WMSNs). As the main novel point, the algorithm guarantees an end-to-end delay upper bound for real-time communication inspired from SPEED firstly. Then a cost function is introduced to provide QoS support and balance the energy, lifetime, and the bandwidth performance. The soft/hard delay and others QoS parameters of the algorithm are analyzed in theory, and results show that the algorithm can provide more QoS supports for multimedia communication in WMSNs.%基于北斗定位/导航系统,研究无线多媒体传感器网络(WMSNs)定位技术在地理位置信息路由算法中的应用,根据贪婪策略和地理位置信息设计一个无线多媒体传感器网络QoS支持路由算法.该算法与SPEED算法一样,提供软时延保障.同时,优化的代价函数平衡了能耗、网络生存期和无线带宽等参数.在理论上分析该算法的软、硬时延保障及其他QoS性能,结果表明,该算法能为WMSNs的多媒体通信提供较多的QoS控制保障.
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2012(038)011
【总页数】4页(P73-76)
【关键词】无线多媒体传感器网络;地理位置;北斗系统;路由算法;QoS保障;性能分析
【作者】周灵;杨文茵
【作者单位】佛山大学计算机科学与技术系,广东佛山528000;中南大学信息科学与工程学院,长沙410083;佛山大学计算机科学与技术系,广东佛山528000;中南大学信息科学与工程学院,长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】TP393.02
1 概述
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)所获取的简单数据并不能完全满足复杂环境监测需求；在很多环境监测应用中，需要进行图像、音频、视频等多媒体数据通信。

因此，无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)正成为一个崭新的研究领域[1]，并将广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、健康监测等众多领域。

同时，这种多媒体通信还要提供较强的服务质量(Quality of Server,QoS)控制保障，如提供实时通信保障。

从WMSNs分层的体系结构而言，QoS控制的路由算法是其重要的组成部分和关键技术之一。

地理位置路由算法是一种典型的无状态/局部状态路由算法[2-3]。

这类算法每个节点只需要知道 3个简单的位置信息：节点自己的位置信息，邻居节点的位置信息和汇聚节点的位置信息，然后借助这些地理位置信息作为路由选择的依据；节点按照一定的策略转发信息到目的节点。

而这些地理位置信息部分可以通过卫星定位系
统提供，如GPS或者北斗系统；部分可以根据信标节点位置信息来计算获取。

在地理位置信息路由算法设计方面，贪婪选择是一个重要的策略，在众多的邻居节点中决定路由的下一跳，如选择距离目的节点最近的邻居作为下一跳；或者选择距离自己最近的节点作为下一跳；或者选择位于一定角度内的节点作为下一跳等。

本文从QoS路由的角度出发，研究QoS控制的地理位置路由算法设计。

根据地理位置信息的来源不同，地理位置信息有相对地理位置信息和精确地理位置信息2种，本文基于我国自主的北斗卫星系统获取精确地理位置信息，进行WMSNs节点定位，从而进行QoS控制地理位置路由算法的研究。

本文算法不需要全局的链路状态信息，因此，也是一个基于局部地理位置信息的贪婪QoS路由算法。

在研究算法设计时，主要采用贪婪策略，结合精确/绝对地理位置信息提供QoS控制，包括提供“软”时延保障、节省能耗、延长网络生存期、平衡带宽等QoS保障。

2 基于Baidu系统的WMSNs精确定位模型
目前，世界上正在运行的卫星定位导航系统主要有3个：(1)美国的 GPS(Global Position System)；(2)俄罗斯的GLONASS系统；(3)中国的北斗卫星定位/导航系统(Baidu system)，加上目前尚处在开发阶段的“伽利略”系统，确立了全球四大卫星定位系统并存的格局。

长期以来，我国及全球绝大部分国家，在定位和授时领域均依赖于美国的GPS和俄罗斯的GLONASS。

随着北斗卫星导航定位系统的推广应用和我国正在着力研究开发的下一代卫星导航定位系统(CNSS)未来的诞生，我国在导航定位、通信和授时方面拥有了自主知识产权，在国防建设、交通、电信、银行等关系国家重大国计民生的众多领域不再受制于人，可以广泛开展基于北斗卫星系统的应用系统研究开发。

北斗定位系统的工作原理见文献[4]。

基于北斗卫星定位系统的WMSNs一般由普通节点、北斗信标节点、汇聚节点、地面信息中心等部分组成。

图1是使用了北斗接收器作为信标节点的新型
WMSNs传感器网络精确定位模型图，它由4个部分组成：普通节点，北斗信标
节点，北斗定位系统，地面信息中心；其中，节点A、B、C为多媒体传感器网络
的北斗信标节点，通过北斗双星系统交互式地确定自身的精确地理位置信息；普通节点则通过信标节点的交互、使用三边测量法等确定自身的精确地理位置信息[5]；各多媒体传感器节点之间通过自组织形成无线多跳网络。

该模型传感器网络部署方案的优点是以最短的时间确定北斗信标节点的精确地理位置及各多媒体传感器节点的相对地理位置，从而确定了监测区域的精确地理位置坐标；同时通过和北斗系统交互，能及时将多媒体传感器网络监测到的信息传输到地面的信息中心。

图1 WMSNs节点定位模型
3 QoS控制地理位置路由算法设计
目前，已经有一些路由算法基于地理位置信息研究了WSNs的路由问题；但很少
有算法基于地理位置信息，研究QoS控制的WMSNs多媒体通信路由算法[6-7]。

这里引入贪婪策略，并使用北斗卫星精确/绝对定位的地理位置信息来设计QoS控制的WMSNs多媒体通信路由算法。

明显地，这种无状态的路由算法只需要少量
的局部信息，如邻居节点的地理位置信息分布式地确定下一跳，是非常适合规模大、无统一节点编号的WMSNs网络的。

3.1 经典算法
SPEED是一个典型的QoS控制WSNs贪婪地理位置路由算法[6]，其最大的特征
是为有实时约束要求的数据提供“软”时延保障。

SPEED路由算法为了选择合适
的下一跳，以便提供软时延保障，其主要贡献是引入了一个概念：中继速率。

定义1 步进距离(progress distance)：将信息从节点i转发到邻居节点 j的步进距离为节点 i与j到汇聚节点/目的节点D的距离之差。

定义2 中继速率(relay speed)：中继速率是一个值，其大小等于节点i转发信息
到其邻居节点j的步进距离除以节点i、j之间的单跳时延。

用公式表示如下：
其中，是从节点 i到 j的中继速率；L为节点 i到目的节点的距离；L_next是邻居
节点中的下一跳j到目的节点的距离；是从节点i到节点j的估计时延，其值由节
点间时延估算模块确定；Sink是目的节点；中继速率标记为
在邻居节点中选择下一跳时，SPEED通过使用中继速率，在整个网络中能够提供
恒定的转发速率，从而实现路由的“软”时延保障。

但SPEED算法没有考虑WMSNs的能耗问题，也没有考虑其他的QoS约束控制。

该算法是WMSNs为多媒体数据流提供软实时性保障的典型代表，还有研究人员基于 SPEED算法提出了改进方式。

如EE-SPEED(Energy Efficient Speed)协议[7]加入了优化能耗的环节，其他部分和SPEED协议一样，也是基于地理位置、无状态路由的理念来进行WMSN路由协议QoS的考虑。

本文设计的算法也使用了SPEED算法的中继速率来保证端到端“软”时延的保障；同时，还尽量为WMSNs的多媒体通信提供更多更好的QoS支持，包括高带宽、低能耗、无状态路由等特点，这些是WMSNs所需要的。

本文算法设计的目标是：(1)基于Baidu卫星系统，使用局部状态信息；(2)提供端到端的软时延保障；(3)提供带宽控制支持；(4)平衡与最小化能耗。

同时，算法还研究了中继速率的性能、
端到端时延保障及其他QoS支持特性。

3.2 算法设计
基于“软时延”保障策略，并使用地理位置信息和贪婪方式进行复合代价函数构造，设计了一个新的精确定位QoS保障的WMSNs路由算法。

(1)基本思想
在详细描述算法之前，先定义 3个概念：邻居节点集(neighbor node set)，贪婪转发节点集(greedy forward node set)，QoS保障节点集(QoS-supported node set)。

按照地理位置贪婪路由算法思想，定义如下：
定义3 邻居节点集：节点i的邻居节点集是节点j的集合，j到i的距离不大于i的通信半径R，记为NS(i)，即：
其中，Dist(i,j)为节点i与j之间的距离。

定义4 贪婪转发节点集：节点i的贪婪转发节点集是节点j的集合，j属于i的邻居节点集，且j到目的节点D的距离比i到目的节点D的距离更小，记为GS(i)，即：
其中，L(i)是节点i到目的节点D(即Sink 节点)的距离；L(j)是节点j到目的节点D 的距离。

NS与GS的物理意义如图2所示。

为了使算法能够提供QoS控制保障，本文也
定义了一个QoS保障节点集。

图2 NS与GS概念图
定义5 QoS保障节点集：节点i的QoS保障节点集是节点j的集合， j属于i的
贪婪转发节点集GS(i)，且 j到i的中继速率大于一个预先设定的值Ssetpoint，记为QS(i)，即：
算法的基本思想包括2个方面：
1)对节点i而言，其他节点被标记是否属于邻居节点集、贪婪转发节点集和QoS
保障节点集。

在邻居节点集NS内的下一跳节点在节点i的通信半径R内。

在贪婪转发节点集GS内的节点确保算法是贪婪的，即信息转发下一跳比其上一跳更靠近汇聚节点/目的节点D。

QoS保障节点集中的下一跳确保转发中继速率大于预定的某个值。

2)通过构造一个代价函数来提高 QoS保障控制；当在QS集合中选择下一跳的时候，按照该代价函数值来确定最佳的下一跳。

该代价函数主要考虑3个方面的
QoS控制保障：通信能耗、节点剩余能量和该节点被作为中继节点的数目，公式描述如下：
其中，Dist(i,j)是节点i与候选下一跳 j之间的通信距离，根据无线通信能耗模型，这个参数描述了发送一定数据量的通信能耗大小；Energyj 是节点j的剩余能耗，选择剩余能耗较大的节点作为下一跳可以延长网络/节点的生存期；Relayj是节点j作为中继节点/路由器的数目，为了减少下一跳节点的能耗、提高网络吞吐率、保障通信带宽并减少碰撞次数，应该尽量选择作为中继节点/路由器次数较少的节点作为候选下一跳；α、β、μ是相应的参数。

算法思想中代价函数的构造是基于3个基本假设：
1)能量假设。

在 WMSNs中，假设节点 i 与其下一跳节点 j通信的能耗与它们自己的距离有关，典型情况下，其中，d是节点i、j之间的距离；并且WMSNs的生存期主要由每个节点的剩余能量决定。

2)时延假设。

WMSNs通信时延包括 3个部分：传输时延，排队时延和数据处理时延。

假设对同类型的无线传感器节点而言，处理同样大小数据量的信息，所花费的处理时延是相同的；假设传输时延可以忽略不计，因为无线电以v=3.0× 108 m /s 的速率进行传输，而节点间的距离相对而言是很小的，从几米到几百米，所花费的传输时延非常小。

所以，本文主要考虑排队时延作为WMSNs网络通信的单跳时延。

3)带宽假设。

假设WMSNs初始化时，对每个节点而言，其通信带宽是等同的。

运行一段时间之后，若某节点已经被作为中继转发节点/路由器使用，则其剩余带宽会减少；其作为中继转发节点/路由器的数目越多，其剩余带宽越少。

这个假设使得吞吐量大、剩余带宽少的无线节点有更少的机会被选作信息转发下一跳。

(2)主要步骤
算法设计主要步骤如下：
1)根据北斗信标节点，使用三边测量算法为WMSNs位置未知节点进行定位，获取每个节点的精确地理位置信息。

2)为每一个节点i构造邻居节点集NS(i)。

3)邻居节点之间相互交换信标信息，以便获取局部链路状态信息。

所有节点构造一个表格的数据结构储存获取的这些信息。

表格结构的每一行包括字段：(Neighbor ID,Dist,L-next,HopDelay,Energy,Relay)；这些局部信息将被使用来确定路由贪婪选择的下一跳。

4)对每一个节点i，考虑它的邻居节点集中NS(i)的元素j，若 L( i)-L( j)＞ 0，则置j为GS(i)中的一个元素；直到获取NS(i)中的所有元素 j的 GS(.)。

若出现空洞(void)，则调用空洞处理过程(见注释)。

5)对∀j∈ GS( i )，若，则置 j为集合 QS(i)的一个元素；直到得到所有节点 i的QS(i)集合。

若没有一个邻居节点能满足时延约束条件，则退出并协商时延参数。

6)对∀j∈ QS( i)，按照如下代价函数计算路由代价值：
将具有最小代价值的节点 j作为路由下一跳来转发数据包。

7)算法结束。

上文算法提供了2个良好的特性来满足本文的QoS设计目标：
1)通过使用中继速率(relay speed)提供了良好的端到端软时延保障。

2)构造的代价函数从3个方面平衡了重要的QoS性能：节省能耗，延长节点/网络生存期，确保带宽。

关于WMSNs的地理位置信息路由空洞问题，已经有一些参考文献对它作了详细的研究，本节没有讨论这个问题，本文主要关心的是算法的QoS控制保障。

处理路由空洞问题参见文献[8]等。

4 算法性能分析
定理1 给定一个预定的值Ssetpoint，若不考虑路由空洞问题，算法能正确地计算路由下一跳，并能确保端到端的时延控制。

证明：假设在确定路由下一跳的时候不出现路由空洞，不失一般性，考虑如图3
所示的路由情况，数据包转发路径是P(S,b,c,D)，其中，D是汇聚节点/目的节点，S是信号源节点；按照QoS贪婪地理位置路由算法，从S到D的路由路径包括节点b和节点c。

可以用一根粗线连接节点S和D，以D为圆心，SD、bD、cD分
别为半径画圆弧如图3(a)所示；这3个圆弧与连线SD相交于点S、b’和c’。

在一定程度上，可以认为点b’和c’是点b和c在连线SD上的映射投影。

现在考虑从信息源S转发数据包到汇聚节点D的时延值：
在这种情况下，端到端的时延是SD/Ssetpoint。

更普遍地，考虑数据包转发路径
是折叠、复杂多变的情况，如图 3(b)所示，即路由路径是P(S,b,c,d,D)。

由上面同样的推理方式也得到同样的时延控制结论。

图3 从源S到汇聚节点D的路由图
因此，预先给定一个值 Ssetpoint，如果不考虑路由空洞问题，算法能精确地获取路由下一跳，并提供端到端的时延控制保障。

推论假设无线通信每一跳具有相同大小的时延值，那么最小跳数路径就是最小时
延路径。

证明：因为每一跳具有相同的时延值，不妨设置该值为HopDelay。

如图3(a)和
图3(b)所示，假设路由转发路径是P(S,b,c,… ,D)，路由跳数为n，则路由路径的
总时延为：
即跳数n越少，路由路径总的时延越小。

定理2 若路由空洞出现，则算法不能确保端到端的时延控制，称算法只能提供端
到端的软实时保障。

证明：一般地，当一个结点按照算法确定路由下一跳时，若GS(.)集合元素数目为0，即找不到符合要求的下一跳结点，称之为出现路由空洞。

如图3(c)所示，假设当结点a选择下一跳时出现路由空洞；按照空洞避免规则，a不得不选择结点b作为路由下一跳；b是a的邻居结点集元素，但b到汇聚结点有距离比a到汇聚结
点的距离更大，即：
因此，预先给定 Ssetpoint，若当确定路由下一跳的时候出现路由空洞，则算法不能确保端到端的时延控制。

位置路由空洞出现的次数越多，空洞出现时b' a'的值
越大，实际的端到端时延值就越大。

在上文的推理过程中，当路由空洞出现时，假设
定理 3 给定一个时延上界值ΔDelay，可以计算 Ssetpoint的最小值为：
其中，Dist( S ource,Sink)表示从信息源结点到汇聚结点/目的结点的距离。

证明：不失一般性，仍以图 3(a)和图 3(b)作为示例。

假设从信息源结点S到汇聚
结点D存在路由路径P，按照图中关系，路径P的长度必然大于图中粗线SD的
长度，因为SD是S与D之间的直线。

如给定时延上界ΔDelay ，数据包转发路径P越长，要求的转发速率越大，因此，最小转发速率为Dist( S ource,Sink)/ΔDelay ，即
5 结束语
本文研究基于北斗定位/导航系统的WMSNs定位模型，包括信标节点精确定位和非信标节点相对地理位置信息定位；提出基于贪婪策略和地理位置信息来进行WMSNs的QoS控制路由算法设计思想；设计一个基于Baidu系统的地理位置信
息路由算法。

主要是基于贪婪策略，构造邻居节点集、贪婪节点集和QoS保障节点集，从而提供了较多的QoS控制保障。

最后，在理论上分析了该算法的软、硬时延保障及相关的QoS性能。

算法设计和推理分析表明，该算法能为WMSNs多媒体通信业务提供端到端的软时延保障，且具有较小的能耗、较长的节点/网络生存期，以及优化的网络带宽利用率。

下一步将通过实验来验证该算法，对其进行进一步的仿真分析。

参考文献
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