基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保障方法

摘要

基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保证方法，是在无线多媒体传感器节点发生故障或失效时，重新以较小代价快速发现满足QoS要求的新的路径的一种方法。这种方法以之前发生节点失效的满足QoS要求的路径为基础，使用移动代理在失效节点附近探寻绕过失效节点的路径，对原来由于节点失效从而导致整个路径失效的路径，进行局部地修复，从而以较小的代价，快速及时地发现满足QoS要求的新路径。该方法带宽要求低，能量消耗小，而且效率高、支持异构网络、可扩展性好。

说明书

本发明是一种基于移动代理(Mobile Agent)的无线多媒体传感器网络(WMSNs，Wireless Multimedia Sensor Networks)服务质量(QoS，Quality ofService)保障方法，主要用于解决无线多媒体传感器网络在发生节点失效时基于移动代理的QoS保障问题，属于网络服务质量保障技术领域。

背景技术

无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSNs)是在传统无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)基础上引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络，其节点一般装备有CMOS摄像头、微型麦克风以及其它具有简单环境数据采集功能的传感器。它们一般布设在无人值守的环境中，协作地感知、采集和处理覆盖区域中的多媒体信息(音视频、图像、标量数据等)，发送给观察者，实现全面有效的环境检测，自主完成指定的任务，是一种能耗敏感的分布式自组织无线网。

与只具有简单环境数据采集功能的传统WSNs相比，WMSNs能感知信息量丰富的音频、视频、图像等多媒体信息，能实现细粒度、精准信息的环境监测，可广泛应用于战场可视化监控、环境监测、安全监控、交通监控、智能家居、医疗卫生等领域，具有巨大的应用价值。

WMSNs将WSNs的自组织、无人值守等优点和多媒体技术感知媒体丰富等优势有机地结合起来，一方面具备传统WSNs的自组织、多跳路由、资源受限等共性特点，另一方面在能耗分布、服务质量(Quality of Service，QoS)要求、传感模型等方面具有显著的个性化特点。

由于WMSNs网络中需要传输大量的多媒体数据，因此对网络的QoS提出了更高的要求。但是WMSNs网络中节点资源(带宽、等量等)受限的现实，使得其QoS的实现更为困难。

目前针对WMSNs的路径QoS问题，主要是从保障传输的实时性、可靠性和多参数约束三个方面，来采取QoS保障措施。

(1)实时性保障措施

实时性保障可分为网络资源预留和业务流区分服务。前者在选路之前查询网络状况，包括网络是否拥塞、路径上预约流的个数、节点剩余能量等，只有当网络能够提供实时性保证的时候，才建立路由，实现端到端传输。后者基于类别地处理数据流，不同类型的数据流(音频、视频、标量)根据其实时性需求划分为不同等级，相应提供不同带宽、时延、抖动保证。

(2)可靠性保障措施

事件驱动的服务对于数据传输的可靠性提出了非常高的要求，而无线链路的稳定性差，因此WMSNs的路由可靠性是一个重要方向。通常利用节点的冗余性提供多条路径或对每跳节点建立可靠性估计机制以保证通信可靠性以及实现网络负载平衡。

(3)多参数集成措施

WMSNs提供的服务具有多种类型，且衡量每类服务QoS的标准也不尽相同。多参数集成措施，是将前面的多种措施联合使用，以支持QoS的多重参数要求。

在WMSNs中，节点带宽资源本来就受限，如果为每个媒体流进行资源预留分配，将很快耗尽网络带宽资源，不利于WMSNs的业务扩展。而业务流的区分服务的方法，涉及到不同业务流的特定的QoS要求，使得处理起来较为复杂。而多路径的方法，能够保障路径的可靠性，但随着时间的推移，当一条链路发生不可达时，先前发现的替换路径也有可能已经不可达。因此需要在路径上节点发生失效后，重新发起路径发现过程。

而且以上这些机制都是考虑如何事先为数据流提供QoS保障，而都没有考虑WMSNs的网络节点失效的情况下，重新及时发现符合QoS要求的路径的问题。因此WMSNs迫切需要一种机制，在网络节点失效的情况下，快速发现新的满足QoS要求的路径，保障网络中数据的正常传输。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保障方法，解决当无线多媒体传感器网络中节点发生失效时，快速找到满足服务质量的替代路径，保障数据传输的服务质量问题。通过使用本发明提出的方法，能够在尽量节约无线多媒体传感器网络节点资源的前提下，快速发现满足服务质量的替代路径，从而保障数据流在满足服务质量的要求下，正常传输。

技术方案：本发明的基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保障方法中，在网络中管理节点发现通往目的传感器节点的路径上有节点失效时，将在管理节点生成路由移动代理(Route Mobile Agent，RMA)，向目的节点方向正向迁移，其目的是发现新的符合QoS要求的路径。

路由移动代理的正向迁移的步骤如下：

步骤1：在管理节点生成路由移动代理。路由移动代理读取当前数据流所需要的QoS参数，以及之前存储在管理节点中满足QoS要求的路径信息Path，将其存储到自己的存储空间中。

步骤2：路由移动代理读取当前节点的标识，判断当前节点是否就是Path中的最后一个节点，如果是，则转步骤16，否则转步骤3。

步骤3：路由移动代理读取Path信息，得到下一跳的节点。并探查该节点是否已经失效。如果没有失效，则迁移到下一跳节点，然后转到步骤3。否则，转到步骤4。

步骤4：在Path中的下一跳节点已经失效。路由移动代理生成服务质量保证移动代理(QoS Mobile Agent，QMA)，并设置一个等待时间T。

步骤5：服务质量保证移动代理与路由移动代理交互，读取Path中失效节点的下一跳节点的标识，并将该节点标识作为目的节点标识DID(DestinationIDentifier)。另外读取数据流的QoS参数信息，并设定一个迁移次数阀值G，以及跳数hop＝0，将这些信息存储到自己的存储空间中。

步骤6：服务质量保证移动代理将跳数hop与阀值G比较，如果hop＞G，则将自己从当前节点清除，否则转到步骤7.

步骤7：读取当前节点的标识以及从上跳节点到当前节点的参数信息，存储到自己的存储空间中。将当前节点的标识和目的节点标识比较，如果当前节点是目的节点，则转到步骤13。否则，转到步骤8。

步骤8：服务质量保证移动代理探寻发现与当前传感器节点存在相邻关系的节点的个数为M(排除上一跳节点)。

步骤9：服务质量保证移动代理，分析这M个相邻节点与当前节点之间的链路，是否满足其存储的QoS的要求，并得到N(排除上一跳节点)个满足链路关系的相邻节点。如果N＝0，服务质量保证移动代理将自己从当前节点中清除。否则转到10。

步骤10：服务质量保证移动代理将自身复制为N份，然后自动从当前传感器节点清除。

步骤11：新生成的N个服务质量保证移动代理，分别各自迁移到对应的N个相邻的传感器节点上。

步骤12：各服务质量保证移动代理在迁移到达下一个节点后，将跳数hop加1，转到步骤6。

步骤13：服务质量保证移动代理成功找到到达目的节点且满足QoS要求的路径，服务质量保证移动代理根据自己的存储空间中的路径信息，向当前路由移动代理所在的节点迁移。

步骤14：路由移动代理在T时间内，发现有服务质量保证移动代理成功迁移回来，则与其交互，得到从当前节点到Path中失效节点的下一跳节点之间的，满足QoS的路径，并将该路径存储在自己的存储空间中。否则转到步骤18。

步骤15：路由移动代理向Path中失效节点的下一跳节点迁移，到达该节点后，转步骤2。

步骤16：路由移动代理到达Path中的最终节点，根据自己存储空间中的路径信息，向起始节点迁移。

步骤17：路由移动代理到达起始节点，与起始节点交互，更新起始节点的路径信息。

步骤18：路由移动代理没有找到到达目的节点且满足QoS要求的新的路径，启动完全重新路径的发现。

有益效果：本发明的目的是提供一种基于移动代理的、保障无线多媒体传感器网络QoS的方法，来解决无线多媒体传感器网络在发生节点失效时，其数据流的满足QoS传输的问题。通过使用本发明提出的方法，可以再无线多媒体传感器网络发生节点失效的时候，在管理节点生成路由移动代理。该移动代理将沿着之前发生节点失效且满足QoS的路径进行迁移，在到达失效节点前一跳节点时，创建多个服务质量保证移动代理。这些服务质量保证移动代理将向之前发生节点失效且满足QoS的路径中，失效节点的下一跳节点迁移，探寻从失效节点前一跳节点到失效节点下一跳节点之间的满足QoS的路径。然后服务质量保证移动代理在找到绕过失效节点且满足QoS的路径后，向失效节点的前一跳节点返回迁移，并将该路径信息告诉路由移动代理。然后路由移动代理接着向前迁移，如果还发现失效节点，将按照前面的方法处理，直到到达目的节点。到达目的节点后，路由移动代理将按照原路迁移返回到起始节点，并将探寻得到的新的满足QoS要求的路径信息传递给起始节点。起始节点据此信息，进行路径的更新。

这样做，一方面，仅对原来的QoS路径进行修复，绕过失效节点，提高了路径发现的效率，减少了网络的资源消耗；另一方面，充分利用了移动代理的优势，快速地保障网络中数据传输的QoS。

带宽要求低：基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保证方法，使用移动代理探寻满足QoS要求的路径，不需要在网络上多次往返传输大量的数据，只需规模相对较小的移动代理在网络中的单次往返迁移。

能耗低：发现新的满足QoS要求的路径的过程，仅仅是对原有满足QoS要求路径的修复

效率高：发现新的满足QoS要求的路径的过程，仅仅是对原有满足QoS要求路径的修复，仅在失效节点需要探寻

支持异构网络：无线多媒体传感器网络是异构网络。基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保证方法，在发生节点失效时，使用移动代理探寻新的满足QoS要求的新的路径，而移动代理可以很好地支持在异构网络中的迁移和处理等相关操作。

可适应性：基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保证方法，能够保证无线多媒体传感器网络节点发生失效时，及时发现新的满足QoS要求的路径，从而保证无线多媒体传感器网络中数据流以QoS要求被传输。该方法对普通无线传感器网络，也有很好的适应性，能够有效地保证普通无线传感器网络中的QoS传输。

可扩展性好：基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保证方法，在发生节点失效，使用移动代理探寻新的满足QoS要求的路径时，服务质量保证移动代理以类似泛洪的方式迁移，其范围控制在失效节点的局部范围内，不会大量占用网络的资源。因此，在无线多媒体传感器网络的节点数目发生急剧增加、网络规模急剧扩大的时候，仍然能够很好地支持和保证网络的QoS。

附图说明

图1是无线多媒体传感器网络结构图

图2是基于移动代理无线多媒体传感器网络服务质量保证方法总体结构图

图3是新的满足QoS要求的路径的示意图

图4是路由移动代理的迁移流程图

图5是服务质量保证移动代理的迁移流程图

具体实施方式

一、体系结构

基于移动代理的无线多媒体传感器网络服务质量保证方法，是在无线多媒体传感器节点发生故障或失效时，重新以较小代价快速发现满足QoS要求的新的路径的一种方法。这种方法以之前发生节点失效的满足QoS要求的路径为基础，使用移动代理在失效节点附近探寻绕过失效节点的路径，对原来由于节点失效从而导致整个路径失效的路径，进行局部地修复，从而以较小的代价，快速及时地发现满足QoS要求的新路径。该方法带宽要求低，能量消耗小，而且效率高、支持异构网络、可扩展性好。其中，起始节点、目的节点、路由移动代理、服务质量保证移动代理是实现本方法的主要功能部件，下面就对几个具体部分给出说明：

起始节点：起始节点就是一般的无线多媒体传感器节点，它根据数据流的QoS要求对其进行转发。当起始节点发现数据流的路径，因为其上出现节点失效而整条路径失效时，它会发起QoS路径重新寻找的过程，也就是创建路由移动代理。也就是它能够创建路由移动代理、服务质量保证代理。

目的节点：起始节点也是一般的无线多媒体传感器节点，但在此处它特指由起始节点出发的路径上的最后一个节点。它是起始节点发现新的QoS路径的探寻过程的最终节点，也即路由移动代理迁移到达最远的节点。

路由移动代理发生器：路由移动代理发生器存在于每个无线多媒体传感器节点中，用于在本地节点中生成路由移动代理。起始节点中设置有路由移动代理发生器。

服务质量保证移动代理发生器：服务质量保证移动代理发生器存在于每个无线多媒体传感器节点中，用于在本地节点中生成服务质量保证移动代理发生器。

节点静止代理：一种静止代理，驻留在节点中不能在网络中迁移。节点代理存在于无线多媒体传感器网络每个节点中。节点代理是路由移动代理、服务质量保证移动代理与节点内部进行交互的接口。移动代理、服务质量保证移动代理通过节点静止代理访问节点的信息，并将获得的路径信息通过节点静止代理传递给节点内部，方便节点对路径信息的更新。

路由移动代理：一种移动代理。当起始节点发现由起始节点到目的节点满足QoS要求的路径失效后，在起始节点由路由移动代理发生器创建。路由移动代理保存有QoS参数、原有满足QoS的路径信息。而且路由移动代理在每到达一个节点，就将该节点信息存储在自己的存储空间中。

服务质量保证移动代理：一种移动代理。路由移动代理在到达原有满足QoS路径中失效节点的上一跳节点时，由服务质量保证移动代理发生器创建。服务质量保证移动代理，以原有QoS路径中失效节点的下一跳节点为目标节点，保存有生成节点信息、迁移次数阀值、迁移次数等信息。并在每到达一个节点后，将该节点的信息存储在自己的存储空间中。

二、方法流程

当起始节点发现通往目的节点的路径中，由于出现节点失效导致整个路径失效后，将启动本节点内的路由移动代理发生器，生成一个起点为本节点，路径最后一个节点为目标节点的路由移动代理。在起始节点，路由移动代理生成以及与起始节点的交互的流程如下：

(1)路由移动代理发生器生成路由移动代理，该路由移动代理以本节点作为起始节点，以失效路径最后一个节点作为目标节点。

(2)路由移动代理与起始节点内的节点静止代理交互，读取起始节点的信息，并将其存储在自己的存储空间中。

(3)路由移动代理与起始节点内的节点静止代理交互，读取之前失效的QoS路径信息，并将其存储在自己的存储空间中。

(4)路由移动代理与起始节点内的节点静止代理交互，读取QoS要求的参数信息，并将其存储在自己的存储空间中。

(5)路由移动代理沿着失效QoS路径向目的节点方向迁移。

路由移动代理沿着存储空间中存储的，先前失效的QoS路径，向目的节点方向迁移，每到达一个中间节点，中间节点与路由移动代理之间的交互流程如下：

(1)路由移动代理与当前到达节点内的节点静止代理交互，读取当前节点的信息，并判断当前节点是否就是失效QoS路径中的最后一个节点。如果是，则跳转到步骤(9)，否则跳转到步骤(2)。

(2)路由移动代理与当前到达节点内的节点静止代理交互，读取当前节点的信息，并存储到自己的存储空间中。

(3)路由移动代理与当前到达节点内的节点静止代理交互，判断失效QoS路径中的失效节点，是否就是当前节点的下一跳节点，如果是，则跳转到步骤(4)，否则，继续沿着失效QoS路径向下一跳节点迁移，并跳转到步骤(1)。

(4)路由移动代理迁移到达失效QoS路径中，失效节点的前一跳节点。路由移动代理与当前到达节点内的节点静止代理交互，使得当前节点的服务质量保证移动代理发生器创建一个服务质量保证移动代理。该服务质量保证移动代理的起始节点是失效节点的前一个节点，目的节点是QoS路径中失效节点的下一个节点。

(5)新生成的服务质量保证移动代理向设定的目的节点迁移，探寻到符合QoS要求的路径后，回到其被创建的节点。

(6)服务质量保证移动代理和路由移动代理交互，将探寻到的避开失效节点且满足QoS的局部路径传递给路由移动代理。

(7)路由移动代理根据第一个到达的服务质量保证移动代理提供的路径信息(随后到达的不予处理)，将存储空间内的QoS路径信息进行更新。

(8)路由移动代理根据更新后的QoS路径信息，继续向目的节点方向迁移。跳转到步骤(1)

(9)路由移动代理已经到达目的节点，与目的节点的节点静止代理交互，更新目的节点到起始节点满足QoS的新的路径信息。

(10)路由移动代理沿着原路，向起始节点方向迁移返回，并最终返回到起始节点。

(11)路由移动代理到达起始节点，与起始节点的节点静止代理交互，用探寻得到的新的路径，更新起始节点到目的节点的QoS路径信息。

服务质量保证移动代理向失效QoS路径中，失效节点下一个节点方向迁移的过程中，每到达一个节点，与该节点的交互流程如下：

(1)服务质量保证移动代理在失效QoS路径中，失效节点的前一个节点上，由服务质量保证移动代理生成器创建得到。

(2)服务质量保证移动代理以创建节点为起始节点，以失效QoS路径中失效节点后的第一个正常节点为目的节点，且在其存储空间中保存路径的QoS要求参数。

(3)服务质量保证移动代理设定迁移次数阀值，以及迁移次数记录值(初始值为0)。

(4)服务质量保证移动代理与当前节点的节点代理交互，将当前节点的信息保存到自己的存储空间中。

(5)服务质量保证移动代理与当前节点的节点代理交互，发现与本节点存在相邻关系且之间链路满足QoS要求的相邻节点。

(6)服务质量保证移动代理为每个符合要求的节点分别创建一个自己的克隆，然后自己从当前节点清除。

(7)每一个克隆创建得到的服务质量保证移动代理，分别向对应的相邻节点迁移。

(8)服务质量保证移动代理在到达新的节点后，将迁移次数记录加1，并与迁移次数阀值比较，如果超过阀值，则将自己从当前所在节点清除。否则，与当前节点的节点代理交互，判断当前节点是否是目的节点，如果是目的节点，则跳转到步骤(9)。否则，跳转到步骤(4)。

(9)服务质量保证移动代理迁移到达目的节点，将按照存储空间中探寻到的路径信息，按照原路返回到原始服务质量保证移动代理被创建的节点，即失效节点的前一跳节点。

(10)服务质量保证移动代理迁移回到路由移动代理所在的节点，并与路由移动待机交互，将探寻得到的新的避开失效节点且满足QoS的路径信息传递给路由移动代理。至此，服务质量保证移动代理完成使命，自动从节点中清除。