作者：陰國富 單位：渭南師范學院數學與信息科學學院

能量優化模型性能分析假設無線多媒體傳感器網絡中分別部署了20、30、40、50個節點。NS-2仿真系列實驗中，分別假設共有5個和10個視頻數據發送源節點，同時建立5和10對視頻會晤，數據包發送的速率為10bps。其他參數如表2所示。在不同網絡規模下，源節點與接收節點之間傳輸每比特平均信噪比仿真實驗統計值與預測值對比結果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著網絡規模的增加，感知能量與剩余能量之比逐漸降低，在這個過程中傳感器節點剩余能量在逐漸減少，表明傳感器能量感知的能力隨著節點數的增加會逐漸減弱。這是因為分簇內各節點間的無線廣播消息增加了干擾信號，使得無線鏈路質量越來越差，很難滿足多媒體數據在無線傳感器網絡上傳輸的服務質量。然而，基于遺傳優化算法的預測模型，可以在傳感器節點能量感知能力減弱的趨勢下顯著提高感知能量之比，明顯優于仿真實驗統計值。此外，對比圖1(a)和(b)發現，隨著無線多媒體傳感器網絡中視頻會晤數的增加，預測比值與統計比值相比，隨著網絡規模和視頻業務規模增大，誤差越來越大。這是因為遺傳優化算法中，對于隨機N個數據序列θFk進行更新過程特別是對待解更新時受到越來越大的噪聲干擾，進行轉置篩選后存放的概率Pk逐漸降低，但是最大的誤差值仍小于0．163，表明遺傳優化算法可以滿足無線多媒體傳感器網絡對實時性的高要求，能夠在較短的時間內收斂并預測感知能量。

跨層交互分布式路由技術

無線多媒體傳感器網絡可表示為一個有向圖G(V，E)，其中V表示多媒體傳感器節點集合，E表示視頻數據傳輸無線信道集合。假設隨機分布N個節點。每個分簇內多媒體傳感器節點的編號記為(O(1)≤n≤O(N))，O(i)表示多媒體傳感器節點所處分簇，dij表示節點O(ni)與O(nj)之間的一跳通信距離。多媒體傳感器節點的直接通信距離為γ，節點信號發射的干擾半徑為ω。對于出錯或丟失的視頻數據，根據MPEG-4視頻幀的類型可分為三類，即屬于I幀、P幀和B幀的數據包分別記錄為FEI，FEP，FEB。基于遺傳優化算法預測模型的跨層交互分布式路由技術工作體系結構如圖2所示，其中跨層協同體系包括兩個部分，主要用于視頻傳輸過程傳遞遺傳優化參數及其因子和采集無線多媒體傳感器網絡狀態信息。綜上所述，具體工作流程如下:a)視頻數據發送源節點通過無線廣播消息，通知相鄰節點或接收節點。b)各分簇內的若干相鄰節點收到源節點廣播信息后向其反饋確認消息，然后源節點根據收到的確認信息得到相鄰分簇區域定位信息，根據遺傳優化算法預測該區域內所有節點感知能量，并向該分簇廣播預測消息。c)分簇內簇頭節點收集簇內所有節點的剩余能量，然后反饋給源節點。d)反復執行步驟b)和c)，直至建立一張感知能量與剩余能量及其比值的二維表，從中選擇一條到達視頻數據接收節點的比值最大路徑。e)基于圖2所示的跨層協同路由機制，建立協同合作分布式路由。

性能分析與評價

基于第2章中建立的分布式跨層交互路由算法在無線多媒體傳感器網絡中的體系結構，采用NS-2和MATLAB在系統能效、系統吞吐量、路由開銷、時延和分組遞交率上與非協同路由技術、協作路由技術進行性能分析與比較，實驗參數如表2所示。分析基于遺傳優化算法跨層交互分布式路由技術(GC-R)與協作路由技術采用MATLAB實現，同時假設無線鏈路信道為Nakagami_m信道，調制方式為QAM-VSB調制。圖3分別從系統能效和系統吞吐率上對比了三種路由技術。其中，圖3(a)縱坐標表示能效百分比值，(b)縱坐標表示系統吞吐率百分比值;圖3橫坐標表示多媒體傳感器節點數變化。分析發現，協同合作傳輸技術保持高能效同時增大系統吞吐率。其中基于遺傳優化算法的跨層協同合作路由技術能效性能最佳。此外，無線多媒體傳感器網絡視頻負載變化的路由開銷、時延和分組遞交率方面的性能對比如圖4所示。其中，圖4(a)縱坐標表示路由開銷百分比值，(b)縱坐標表示視頻數據發送源節點到接收節點間端到端平均時延，(c)縱坐標表示視頻分組成功遞交概率百分比值;圖4橫坐標表示多媒體傳感器節點數變化清況。非協同合作路由技術、協同合作路由技術和基于遺傳優化算法跨層交互分布式路由技術(GC-R)的端到端平均時延均隨著網絡視頻負載增大而增大。對于基于遺傳優化算法的跨層分布式協同合作路由技術而言，端到端平均時延保持最小且平滑。分組成功傳遞率均保持下降趨勢，但是非協同合作路由技術的成功率最低。圖3、4共同表明，基于遺傳優化算法的感知能量預測跨層協同合作分布式路由技術，可以充分利用MPEG-4編碼視頻幀GOP結構的特點，基于多媒體傳感器節點感知能量和剩余能量，合理選擇協同合作路由，能夠保持較高的系統吞吐率、路由開銷、端到端平均時延和有效的可靠性，是一種非常適合于無線多媒體傳感器網絡的高能效路由技術。

結束語

本文采用遺傳優化算法模型預測多媒體傳感器節點感知能量和剩余能量比，基于無線鏈路信道質量建立了一種應用層、網絡層和鏈路層的跨層交互分布式優化協同合作路由技術。根據NS-2仿真和MATLAB數學分析表明，遺傳優化算法能夠在較短的時間內收斂運算速度，很好地滿足多媒體實時通信的要求，并具有較高可靠性準確地預測網絡能量狀況。另一方面，該分布式跨層交互優化協同合作路由技術在提高無線多媒體傳感器網絡能量、帶寬和信道鏈路等有限資源利用率的同時，有效地延長了無線多媒體傳感器網絡生命周期，能夠很好地保證長時間的視頻數據傳輸，驗證了該路由技術可以較好地適應無線多媒體傳感器網絡通信。