IMS网络应用SIP协议的时延改进策略探析（范文）

第一篇：IMS网络应用SIP协议的时延改进策略探析（范文）

论文关键词：3G；IP多媒体子系统；会话初始协议；时延；OPNET

论文摘要：介绍了IMS网络系统与SIP协议在IMS网络中的应用，在设定的网络仿真环境前提下，设计并且建立了IMS网络会话的仿真模型以及会话流程。通过采用OPNET网络仿真软件仿真指出IMS网络应用SIP协议呼叫时延的产生原因，通过设计引入“前提”的概念来改进时延，并且利用OPNET网络仿真工具通过仿真比较验证了该方案的有效性和正确性。

0引言

IP多媒体子系统IMS(IP multimedia subsystem)是3GPP制定的3G网络核心技术标准，在RS版本中首次提出并在R6和R7版本中进一步完善。IMS是一个在基于IP的网络上提供多媒体业务的通用网络架构，即实现多媒体业务的建立、维护及管理等功能的核心网络体系架构。其核心特点是采用会话初始协议SIP(session initial protocol)和与接入的无关性，并实现了会话控制实体CSCF(call session control function)和承载控制实体MGCF(media gateway control function)功能上的分离。但由于基于IMS的网络融合技术还不成熟，IMS网络中应用SIP协议产生的最主要问题就是呼叫建立的时延问题。本文首先通过仿真论证了:IMS网络中用户在会话建立之前的前提准备:用户注册、鉴权，安全联盟，路由等是占用链路时间较多的步骤，也是IMS中业务流程和SIP会话时延过长的主要原因;其次提出了IMS网络应用SIP协议产生时延的改进策略，仿真论证了此策略是有效可行的。IMS系统介绍

图1所示是3GPP R7中定义的IMS网络结构图，所有的功能在各个逻辑节点中完成。如果在同一物理设备中实现两个逻辑节点，相关的接口就成为该设备的内部接口。图1中实线表示支持用户业务流的接口，虚线表示仅支持信令的接口，图中最重要的实体就是呼叫会话控制功能CSCF和归属用户服务器HSS, HSS用于存储各种用户有关数据，CSCF在IP多媒体子系统中，分为如下3个功能实体:

(1)Proxy CSCF: P CSCF是IMS CN中的第一个接触点。P-CSCF起类似一个代理的作用，接受请求并在其内部为这些请求服务或者继续将他们前转。

(2)Interrogation CSCF:I CSCF是运营商网络内的接触点，所有都连接到该网络运营商的签约用户，或者当前位于该网络运营商的业务区域内的漫游用户。

(3)Servingse CSCF: S_ CSCF为UE执行会话控制业务。为支持业务，它维持网络运营商需要的一个会话状态。在一个运营商网络内，不同的S-CSCF可以有不同的功能性。

除此之外，IMS网络中还有如多媒体资源功能控制器MRFC(media resource function controller)、多媒体资源功能处理器MRFP(media resource function processor)和中断网关控制功能BGCF等网络实体，在此不做详述。SIP协议在IMS中的应用

当3GPP RS在规划IMS时，由于SIP的灵活性和可扩展性，决定采用SIP机制作为IMS网络的会话初始化协议。3G网络被分为3个不同的域:电路交换域、分组交换域和IP多媒体交换域。其中IP多媒体子系统域是3G中最重要的域，这个域采用SIP作为主要的信令协议向用户提供基于因特网的多媒体服务。从逻辑上讲，所有的3G终端都包含一个SIP用户代理，IP多媒体网络节点就是SIP规范中所提到的代理。

SIP协议在IMS网络中的应用十分广泛，涉及IMS网络会话的建立，媒体协商和会话修改等。在SIP规范中，为了建立一个呼叫会话，UA通常发起请求，代理服务器服务路由请求，同时注册服务器提供UA的位置信息，因此需要将SIP地址映射成IP地址来进行最后的路由。3GPP IMS使用了这种机制模型架构:IMS中的用户代理为用户设备，而IMS中的代理服务器是指名为呼叫会话控制功能的网络实体。同时，3GPPIMS使用了SIP的扩展功能，主要包括SIP压缩(主要是指媒体流的压缩)、安全、制定的CSCF路由等。

3基于时延产生的IMS会话仿真实现

此次设计的仿真思路是:针对较成熟的RS标准，首先结合IMS会话实际流程进行合理的环境前提设定，其次模拟设计实现一种合理简化环境中的IMS会话流程，接着在仿真软件中进行网络仿真模型的建立和描述、仿真节点模型的设计和建立以及仿真进程模型的设计和建立，旨在通过仿真分析IMS网络在应用SIP完成会话引起的时延情况。

3.1仿真前提设定

本节所描述的仿真前提建立在IMS网络基本要求、SIP会话流程和IMS业务实现环境的基础上，对将要实际应用中的IMS网络会话环境进行了合理的简化:

(1)业务环境设定:设有两个用户((UE A和UE B), S CSCF1作为UE A的代理，S一 CSCF2作为UE B的代理，Ses CSCF1不需通过Ies CSCF2查询HSS2来获得See CSCF2的地址，从而在仿真环境中省略了Ies CSCF2和HSS2。并将GGSN的功能集成到仿真网络模型图的其它各个组件中。

(2)业务实现设定:首先，在IMS网络中资源相关操作由S CSCF,Ies CSCF.HSS.UE.Pwe CSCF来完成，仿真环境中省去资源控制组件和策略控制组件。其次，将会话过程中所有时间都计算在内，把GGSN和AS的组件在网络模型中省略，将其仿真涉及的相关功能集成到CSCF中。

以上仿真环境的简化和假设可保证都建立在合理和不影响研究主要问题的基础之上。

3.2仿真模型和会话流程的设计及建立

根据IMS网络用户会话的原理，仿真实现的会话过程是:在业务环境和链路环境假设的基础上，由UE A发起对UE B的会话，期间经历UE A在归属网络的注册、鉴权、发起会话、建立路由、会话、注销。根据仿真假设，设计了具体的IMS网络模型如图2所示。

图2中各个组件都是IMS网络会话和环境的重要组件，其功能在第一节中已有介绍，不再赘述。在前述仿真前提设定的基础上，为实现用户A与用户B之间的会话，设计了与图2网络架构相对应的仿真会话流程，整个设计的仿真会话流程十分复杂(总有95个步骤)，由于篇幅限制，现简化流程如图3所示。

图3所示的IMS网络流程如下:(1)UE A向附着设备发送请求。(2)附着设备响应，UE A获得IMS网络入口地址的地址。(3)UE A向IMS网络发送注册请求。(4)-(5)IMS网络入口找到为UE A服务的呼叫控制组件。(6)IMS网络入口将UE A的请求转发给为UE A服务的呼叫控制组件。(7)服务组件进行身份认证。(8)一(9)发起邀请:UE A发送INVITE向UE B发起会话邀请。(10)资源协商与预留:UE A发送PRACK进行媒体协商确认;UE B用200 OK响应;UE A收到ACK后发UPDATE进行资源预留协商;UE B以180消息响应:UE A用PRACK响应;UE B以200 OK消息响应，摘机，示意可进行会话。(11)一(12)会话:UE A收到200后进行会话。(13)(14)会话注销:UE A发起BYE进行注销请求;UEB用ACK结束会话。3.3仿真结果分析

在OPNET仿真工具中，首先进行网络仿真模型的建立和描述，其次进行仿真节点模型的设计和建立，然后进行仿真进程模型的设计和建立，最后模拟用户A和用户B之间的三次会话过程，从仿真数据中提取以时延为参数的数据，得到试验仿真的时延示意图如图4所示。

在图4中，横轴15s之前是会话建立的时间，因此可以看出在会话建立的过程中网络端到端时延不断增大，在15s处曲线到达最高峰，会话建立起来后曲线迅速下降，网络端到端时延迅速减小。因此从整体曲线来看得到结论:IMS网络中用户在会话建立之前的前提准备，包括注册、鉴权、安全联盟、路由等是占用链路时间较多的流程步骤，也是在IMS中业务流程和SIP协议会话时延过长的主要原因。IMS网络应用SIP协议时延改进方案

4.1时延改进方案

从3GPP RS中可知，不能为会话预留网络资源是会话建立的严重缺陷。为了使会话启动后失败的可能性最小，有必要在被叫方得到通知前进行资源预留。IMS业务为了进行资源预留，网络需要知道被叫方的IP地址、端口及会话参数。为实现这点，没有提供/应答的交换是不行的。但是会话是在提供/应答交换之后建立，而且一般用户只有在会话建立起来后才被振铃。为了解决这个问题，引入“前提”这个概念，会话过程中有两种前提:

第一种“前提”:会话双方必须在已经完成资源预留之后，才进行振铃提示会话可以正常开始。其优势就是可以在任何情况下，只要会话开始就可以得到资源和会话质量的保证。

第二种“前提”:会话可以在会话双方没有完成资源预留的情况下，即会话开始和资源预留同时进行，只要资源预留能逐步满足会话的要求即可。这种“前提”在网络性能较好和用户较少时可节省时间，减少会话时延，但如果考虑全IP网络的基础上，这种情况的性能不会使用户满意，因为会话质量在某些情况下得不到保证，从而无法符合IMS网络的要求。

从对两种前提的描述可知，前提的变化会影响会话中各个步骤占用的时延。因此，如果可以综合两种“前提”来完成整个会话效果应更好。例如，在IMS网络入口处设置网络性能的预判，或在IMS网络注册过程中对描述网络性能的某些数据进行记录和分析，在用户发起会话之前，可根据这些数据来选择两种“前提”中的一种，从而调整会话流程的顺序和进度，减少时延。下面将通过仿真对上述解决思路进行具体实现，并验证其可行性和有效性。

4.2时延改进方案仿真结果分析

改进后以组件间的时延为参数，重新在各个网络仿真组件中的进程模块中进行编程和相关设置，根据时延参数来选择采用第一或者第二种“前提”进行仿真，仿真环境与上面改进前的一致，从仿真数据中提取以时延为参数的数据，得到试验仿真时延示意图如图5所示。

从图5可以看出，时延峰值有所降低，并且注意图4和图5中，纵轴1.50,1.75,2.00等处的图形点，就不难发现改进后的效果:时延有所下降。因此可以得出结论:在IMS网络入口处，通过编程设置和记录组件间的时延参数，并按照其变化调整“前提”选择的解决方案可以有效减少IMS网络会话时延。

5结束语

本文针对较成熟的RS标准，在OPNET网络仿真环境中，结合IMS会话实际流程进行合理的环境假设，模拟实现了一种简化环境中的IMS会话流程，通过仿真得到IMS网络应用SIP协议呼叫时延产生原因，给出了解决IMS应用SIP完成会话有效控制时延的解决思路，在OPNET中进行了仿真实现并验证了其有效性和正确性。

第二篇：网络控制系统论文：不确定性时延网络控制系统的分析与建模研究

网络控制系统论文：不确定性时延网络控制系统的分析与建模研究

【中文摘要】本文对具有不确定性时延的网络进行建模分析,首先简述了网络控制系统典型结构及基本问题,分析了具有不确定性网络时延的组成与产生机理,及其对控制系统造成的影响。基于采样周期不同将具有不确定性的网络时延分为短时延网络和长时延网络系统,通过对线性时不变广义被控对象进行离散化,建立两种时延下的离散模型。最后对具有不确定性网络时延和丢包的网络稳定性的进行了理论研究和建模,通过鲁棒控制和最优控制方法分别设计了控制律,使得具有不确定性时延的网络控制系统具有良好的稳定性。

【英文摘要】To model the uncertainty delay of the networked control systems in this paper, the author sets forth the typical structure and basic problems of network control system.The element and the causes of the uncertainty network delay is analyzed and its effects is estimated.Based on the sample period, the network time delay could be divided into two parts: the short delay network and the long time delay network system.For constant linear object, the discrete model under two kinds of delay is created.Finally the author deeply researches the stability of uncertainty delay network and packet loss in the network.Through the robust control and optimal control method，the control rule is designed respectively.The experiment result shows that network control system with uncertainty delay has a good stability.【关键词】网络控制系统 不确定性时延 建模 稳定性 【英文关键词】Network control system Uncertainty delay Modeling Stability 【目录】不确定性时延网络控制系统的分析与建模研究5-6Abstract6

第1章 绪论9-15

摘要

1.1 问题研究的背景及意义9-1010-12

1.2 网络控制系统发展及基本问题

10-11

1.2.2 网络1.2.1 网络控制系统的发展控制系统中的基本问题11-1212-14

1.3 国内外研究现状

第2章 具有不确定性

2.1 网1.4 本文主要工作14-15网络时延的网络控制系统分析和建模理论基础15-24络控制系统时延的产生与解决措施15-20统时延的组成15-1818-20

2.1.1 网络控制系

2.1.2 网络控制系统时延的解决方案

2.3 2.2 Lyapunov 意义下的稳定性定义20-21不确定性网络时延概念与分类21-24延的概念21-22

2.3.1 不确定性网络时

2.3.2 不确定性网络时延分类22-24

3.1 具第3章 短时延特性的网络控制系统建模与分析24-34有短时延特性的网络控制系统的建模理论24-29短时延控制器采用时间驱动的模型24-26控制器采用事件驱动的模型26-29

3.1.1 基于

3.1.2 基于短时延

3.2 短时延不确定性网络

控制系统建模分析解与整定30-34析34-4334-3834-3636-3838-41

29-303.3 基于短时延网络控制系统的求

第4章 长时延特性的网络控制系统建模与分4.1 具有长时延特性的网络控制系统建模理论4.1.1 基于长时延控制器采用时间驱动的模型4.1.2 基于长时延控制器采用事件驱动的模型4.2 长时延不确定网络控制系统建模与设计4.2.1 问题重现和模型建立

38-40

4.2.2 长时延网络控制器的设计与求解40-4141-4343-4943-4444-45结果47-4950-5353-5456-65

4.3 仿真结果第5章 不确定性时延网络控制系统稳定性分析5.1 具有丢包和时延的网络控制系统建模基础5.2 基于丢包和时延网络控制系统分析与建模5.3 网络控制系统指数稳定性45-47

第6章 结论与展望49-50

5.4 仿真参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果致谢

54-55

作者简介

55-56

详细摘要

第三篇：交互式电子白板教学应用的改进策略期

杭晓峰

交互式电子白板在课堂教学中发挥着越来越重要的作用。但众所周知，任何一种技术在课堂中应用的效果更多地取决于应用它的人，也就是课堂中的教师和学生。因此，在教师应用交互式电子白板的过程中，受以往教学观念、教学习惯等因素的影响，不可避免地会出现一系列问题。本文中笔者就应用交互式电子白板所存在的问题及解决策略，深入探讨如何发挥交互式电子白板的优势，使其更好地为课堂教学服务。

交互式电子白板为教与学带来的益处 1.创设良好情境，完善知识结构

在课堂导入环节，教师基于交互式电子白板精心设计教学资源，创设激发学生兴趣和探索欲望的活动情境，能使学生处于良好、积极的心理状态。如在教学六年级学生现代诗《秋》时，教师利用交互式电子白板出示一片美丽且可爱的叶子，而后叶子变“活”了，微笑着向孩子们介绍自己。孩子们情不自禁地跟着叶子读起来，有的甚至不由自主地做着动作。看到孩子们专注入神的表情和动作，教师又在交互式电子白板上拖曳出一幅生机勃勃的大树图。原来，树是那么高大，叶子是那么茂密而且形态各异，颜色丰富，充满了活力。交互式电子白板演示叶子的美感触动了学生的情感之弦，他们的学习兴趣在不知不觉中被唤起，促使他们伴随着内心的情感去朗读课文，期待课文情节怎样发生，怎么一步步发展，教学活动也因为学生的入情，而如同发酵的陈年老酒般愈加醇香、浓烈。2.创新教学活动，有效整合资源

利用交互式电子白板可以方便地解决PPT或Flash课件中难以实现的交互性等问题。教师还可适时地使用遮罩功能来集中学生的注意力；使用文字拉幕、页面快照等功能来突出教学中的重难点；利用交互式电子白板中前置、后置、对象移动、翻转、透明度等功能，诠释教学中的难点。如在讲到叶子的作用时，教师提出让孩子们扮演自己喜欢的季节里的叶子。伴随着《好大一棵树》的音乐缓缓响起，树叶随季节更替的逐渐变化在交互式电子白板的演绎下活灵活现，充满动感和生机。此情此景，让学生感觉仿佛置身其中。表演开始，女孩们扮演春叶，舒展的身姿伴随着春雨的浇灌而愈发生机勃勃；男孩们扮演夏叶，顶着烈日、狂风的考验而显得蓬勃有劲„„“你会对大树妈妈说什么呢？”教师轻轻地问孩子们。孩子各抒己见„„交互式电子白板用画面、音乐、表演艺术等形式，在学生面前再现课文描写的一个个栩栩如生的形象。这种触动内心的情感发展，驱动着孩子全身心地投入到教学中来，师生都沉浸在一种无形却又有充分感情交流的情境中。3.生成教学内容，快速解决问题

利用交互式电子白板自带的工具与资源库，可及时解决教学过程中生成的问题，从而产生比常规教学更多的生成性资源和不同教师的个性化教学资源，使课堂教学更加精彩且富有成效。在课文《荷花》的教学中，为了让学生体会“白荷花在这些大圆盘之间冒出来”中“冒”字的精彩之处，教师运用交互式电子白板手写笔的功能化难为易、化枯燥为有趣，让学生深刻理解了这个字的妙处。教师让学生在交互式电子白板的课件上，根据自己的理解，将“冒”字换成“露”、“冲”、“钻”等字，读一读，再与原文比较，看哪个字用得好，好在哪里？通过比较分析，学生发现“冒”字写出了荷花使劲地、急切地、争先恐后地从荷叶间长出来的样子。交互式电子白板的运用为语文课堂的互动提供了可能，促进了师生之间、生生之间在课堂的有效互动，保证了以学生学习为中心的课堂教学。4.增进参与和互动，促进教学相长

学生只有主动参与课堂，才能对学习进行有意义的建构。教师若能调动学生主动、积极地参与到学习中来，能让教学事半功倍，而交互式电子白板的互动功能无疑为学生积极主动地参与到学习中提供了便利。在某节识字课上，教师根据交互式电子白板具有随意拖动图片的功能，设置了让走失的撇和捺找朋友的游戏，让学生自己到交互式电子白板前来操作。这种方式的写字教学，使师生、生生真正地互动起来，使交互式电子白板的交互功能在课堂上得到了即时体现，并且为学生今后的自主、合作学习打下了坚实的基础。

教学中运用交互式电子白板存在的问题

陶行知曾说：“教育中要防止两种不同的倾向：一种是将教与学的界限完全泯除，否定了教师主导作用的错误倾向；另一种是只管教，不问学生兴趣，不注重学生所提出问题的错误倾向。前一种倾向必然是无计划，随着生活打滚；后一种倾向必然把学生灌输成烧鸭。”在使用交互式电子白板过程中也应该遵循这一理念，但由于各种原因，交互式电子白板与课堂教学并未达到完美融合的状态。1.教学准备变得复杂化

教师对运用交互式电子白板优化教学结构的研究还不够。目前，许多教师虽没有把交互式电子白板当成黑板使用，却把它复杂化为课件操作。教师们总是花费大量时间提前做好交互式电子白板课件，把情境提前输入到电子白板中，课堂上还是忙于操作课件。2.教学进程变得单一化

交互式电子白板无法实现个别化学习及学生投票、作业反馈、测试批阅等网络在线学习，因此在教学过程中，教师要充分注意以学生为中心，让学生多参与到教学中来，避免出现基于交互式电子白板的一言堂，培养学生的创新精神。3.教学内容变得无序化

教师从过去的黑板教学下的课件操作奴隶转变为交互式电子白板教学下的课件操作奴隶。交互式电子白板没有让教师从课件编辑、制作、操作中解放出来，教学内容没有明显的次序，教师对学生的研究力度也相对欠缺，尤其对学生学习方式和学习效果的研究还不够到位。

教学中运用交互式电子白板的策略 1.应强调课堂教学的互动性

电子白板强大的交互功能为课堂教学中的师生互动、生生互动和人机互动提供了技术可能性和便利，改变了课堂教学中的互动方式，为建立以学生主动学习为中心的课堂教学奠定了技术基础。实际教学中，通过课件还可以有效地获得图、文、声、像并茂的信息，学生之间的互动可以是基于现代信息技术的小组合作学习、主动探究学习等，而这正是新课程大力倡导的培养学生创新精神和实践能力的有效学习方式。

2.应实现交互式电子白板功能与教学目标的有机结合课堂教学是围绕教学目标设计的教学活动。从教学需要出发，从学生实际出发，是使用交互式电子白板的又一重要原则。引入交互式电子白板后，与以往通过多媒体播放PPT课件相比，学生将由传统的“旁观者”变成参与者，通过让学生在交互式电子白板上操作，达到自主学习的目的，这样更有利于激发学生主动参与的热情，体会学习的快乐，进而促进学生的认知发展。3.建立和完善学校教学资源库

合理有效地利用教学资源是应用交互式电子白板的重要环节。交互式电子白板系统虽然为每个学科准备了大量的学科素材，但具体到学校和学科，还无法做到全面覆盖，因此每所学校都要建立适合自己的校本资源库。我们不妨利用交互式电子白板把教师们在课堂上生成的精彩片段作为课例保存下来，然后去粗取精，甄选和加工其中的优秀课例，充实到学校的教学资源库中，为学校师生“量身打造”最适合自己的资源。4．抓好培训，提高交互式电子白板的应用层次交互式电子白板应用到教学中确实能提高课堂教学效率，引起学生浓厚的学习兴趣，教学效果也有很大改观，但并不意味着熟练应用交互式电子白板就能迎接课堂教学的成功。这就要求教师平时积极参加教科研活动，努力提高学科素养和信息技术素养，认真钻研教材、教法，把交互式电子白板当成教师发展的平台和工具。

实际上，教师应用交互式电子白板需要经历三个阶段：(1)教学内容展示的基本需要阶段，体会交互式电子白板当黑板、粉笔用的功能；(2)对教学过程的控制阶段，如动画的随时暂停、知识点的随机标注等；(3)学习活动的组织与引领阶段，充分利用其交互功能，让师生随时参与教学，比如通过板演获取即时反馈信息，通过标注获取学生的即时认知信息等，使得教与学的互动有了更深入的空间。

我们要针对教师应用的层次组织系列培训。除了技术培训，更应该包括教育信息化理论与实践的培训以及基于交互式电子白板的教学策略培训。在培训策略上，以专家引领、参与互动、案例探讨等形式为主，切实做好培训的因地制宜，充分考虑教师的阶段接受性、分阶段目标的实践与巩固等要素。

第四篇：无线传感器网络中平均时延约束的自适应休眠机制

无线传感器网络中平均时延约束的自适应休眠机制

摘 要： 针对流量动态变化的无线传感器网络，提出了具有平均时延约束的自适应休眠机制。在休眠阶段，节点采取自适应地周期性休眠和苏醒来节省能量且保证平均传输延迟。在苏醒周期的节点没有数据发送或者收到目的地址为其他节点的RTS/CTS帧后进入休眠周期。通过建立马尔科夫链模型分析可得到该机制中平均时延约束下休眠周期的优化值。

关键词： 无线传感器网络；休眠；时延约束；能量效率；马尔科夫链 0 引言

在无线传感器网络中可调度节点使其轮流工作，以尽可能多地关闭冗余节点的无线通信模块来减少不必要的能量消耗，从而达到延长网络生存时间的目的[1]。由于空闲侦听和信道争用冲突是无线传感器网络中不必要能量消耗的主要来源，因而减少空闲侦听使节点转入休眠状态是目前研究较多的提高能量效率的方法[2]。在无线传感器网络使用过程中，网络用户对监测区域内感兴趣的目标随查询任务而动态地增加或减少，从而使网络流量随之动态地变化[3]。S-MAC[4]协议采用周期性侦听和睡眠机制并提供良好的可扩展性，但无法根据网络环境的动态流量进行调整来提高能量效率。在文献[5]中基于S-MAC提出自适应退避算法，按照负荷的变化做动态增量或减量调整退避指数的最小值。上述算法可根据负载变动来调整网络参数以降低节点的能耗，但未考虑数据包传输时延问题。文献[6]中提出的节点最佳休眠时间可通过对二维马尔可夫链模型分析得出。文献[7]中分析了采用聚合的DCF机制的平均时延和各退避阶的平均时延，而后将时延约束转化为对平均时延的限制，通过保证给定比例的帧来满足时延约束。针对在无线传感器网络流量动态变化的监测环境中出现的问题，在上述研究工作的基础上，本文提出了具有平均时延约束的自适应休眠机制ADC(Adaptive Sleeping Method for Average Delay Constraint)，并对其改进的S-MAC协议进行二维马尔可夫链模型分析，从而得到休眠阶段的休眠周期来保证分组传输过程中的平均端到端时延，并提高能量效率。1 机制描述

在该机制中，将时间划分为连续的帧后，帧内分为活动阶段和休眠阶段，其中活动阶段可包括传输、等待和退避等过程[8]。在活动阶段开始后，节点通过CSMA/CA(载波侦听多点接入/冲突避免)方式发送同步消息和数据。节点在MTslot时间内一直空闲且无数据需发送，则结束活动阶段，转入休眠阶段，以降低节点的能量消耗。休眠阶段可划分为若干个休眠和苏醒周期，其中休眠周期Tsleep和苏醒周期Twake皆设为系统时隙Tslot的整数倍。在休眠周期内节点关闭无线通信模块并缓存采集到的数据。处于苏醒周期内节点需监听信道是否有数据要发给自身。苏醒周期结束时，节点若有数据要接收或发送将立即进入退避过程来发送该数据，否则进入下一个休眠周期。若在次休眠和苏醒周期结束后，节点仍未收到上层发来需要发送的数据包或目的节点为自身的CTS帧，则结束休眠阶段，转入活动阶段的等待过程。离散马尔科夫链模型分析

为建立离散马尔科夫链模型来简化分析该休眠机制，暂不考虑其同步情形。由于接收状态时节点能量消耗与等待和退避状态的能量消耗近似，可假设接收数据在节点处于等待过程中完成，则不单独考虑接收状态。

对节点在任何一个时隙中可能存在的各个状态可用离散Markov链进行描述。退避过程可用随机过程B(t)表示，与回退计数器的计数值相对应。可用随机过程J(t)表示节点在t时刻所处的退避级数(0，1，…，m)，其中m为最大退避级数。设定在退避过程中每个分组发送失败的概率p为独立且恒定的，则可用随机过程{J(t)，B(t)}表示节点的退避过程。每个状态的概率用PB(i，k)(0≤i≤m，0≤k≤Wi-1)表示，则可用Markov链表示该退避过程，其中i为退避级数，k为退避计数器的值，Wi为退避次数为i时的退避窗口。

进入等待状态的节点，若有数据要发送，则从等待状态转移到退避状态。设定平均报文到达时间间隔服从参数为?姿的泊松分布，则在一个时隙中节点从等待状态转移到退避状态的概率为。若无数据发送，将进入下一个时隙。若经过M个时隙后节点仍然没有数据要发送，则将进入到休眠状态。

节点在休眠状态时，将进行周期性休眠和苏醒。节点在休眠周期和苏醒周期内都不改变自身状态。若在一个休眠和苏醒周期结束时有数据要发送，则将由休眠状态转移到退避状态，且在一个休眠和苏醒周期的转移概率为，其中Tsleep为休眠周期时间，Twake为苏醒周期时间。若没有数据发送，则进入休眠状态的下一个休眠和苏醒周期。若经过N次休眠和苏醒周期后，仍然没有数据发送，则将进入等待状态。由于只有当一个休眠和苏醒周期结束时才可会改变自身状态，可将处于某个休眠或苏醒周期结束时的时隙分别表示该休眠或苏醒周期以简化分析。由于休眠过程中进入下一个休眠和苏醒周期的概率?琢是独立且恒定的，因此节点的休眠过程也可用Markov链表示。

进入传输状态的节点直到数据传输结束后才能改变自身状态，而在传输状态时信源产生的数据要等传输结束后节点才能进入退避状态准备发送。在传输结束时，若有数据要发送，则由传输状态转移到每一个退避级数为0的退避状态的概率为，其中K为传输过程所需的平均时隙。因而在传输结束时没有数据需发送，则由传输状态转移到等待状态的概率。

节点从等待状态可以转移到退避状态，从每一个等待状态转移到每一个退避级数为0的退避状态的概率均为。节点传输状态结束后将转移到等待或退避状态，其转移概率分别为及。等待过程结束后节点转移到休眠状态的转移概率为。可知在设定条件下，级联后节点从一种状态转移到另外一种状态的概率是独立且恒定的，则上述过程可级联后为一个Markov链[8]，其模型。

对节点在任何时隙内可能存在的各个状态用离散Markov链进行描述后，可通过该Markov 链模型求得在稳态时节点停留在不同状态的概率。由图2中休眠过程可知，第i个休眠和监听周期结束时节点所处状态的概率PS(i)可用下式表示：

用PI(i)，0≤i≤N表示节点在任意一个时隙处于在第i个空闲状态的概率：

在退避过程，用PB(i，k)，0≤i≤m，0≤k≤Wi-1表示节点在任意一个时隙处于在第i次退避并且其退避计数器为k的状态的概率，可用下式表示：

传输过程中节点在任意一个时隙处于第i个传输状态的概率PT(i)可表示为：

PT(K-1)=(1-pm+1)PB(0，0)

PT(i)=(1-pm+1)PB(0，0)(7)

其中完成数据包正确发送所需的时隙数：

在平稳状态时Markov链需满足下式：

可得节点处于退避级数为0且退避计时器为0的状态的概率：

由于不论退避级数为多少，只要退避计时器为0，则传感器节点开始传输数据，因此该节点在任意时隙的发送概率可表示为：

在节点传输数据时，若相邻n-1个节点中至少有一个节点也发送数据则发生碰撞，而且当目的节点处于休眠时发送数据也失败，因此该节点在任意时隙发送失败的概率为：

由式(11)和式(12)构成非线性方程组，可得?子和p[6]。

至少有一个节点发送数据的概率为：

在系统不空闲的条件下，有一个节点发送数据成功的概率为：

采用RTS/CTS机制时，Ts和Tc分别为数据成功发送和数据发送时分组碰撞所耗费的时间，可用下式表示：

由于计算平均时延时超出重传次数而被丢弃的帧不予考虑，则在退避过程或等待过程中数据帧到达发送节点的缓冲器队首至目的节点成功接收的平均时延DelayB为一次成功发送需要的平均时隙数和时隙的平均长度的乘积[5]，可表示为：

其中1-pm+1为包没有被丢弃的概率，为没有被丢弃的帧到达第i阶的概率，为第i阶的平均退避时隙数为信道空闲的时间。

在传输过程或休眠过程中，节点要发送数据都需转移到退避过程才能将数据发送出去，因此信源在节点处于传输过程或休眠过程中产生而转移到退避过程引起的平均时延分别可用下式表示：

其中一个休眠和苏醒周期的时隙数。

数据帧到达发送节点的缓冲器队首至目的节点成功接收的平均时延可用下式表示：

在苏醒周期时节点需完整接收到发送节点向其发送的RTS帧，则Twake可设定为2(RTS/R)+2·SIFS+DIFS。对于平均时延约束为Delayaverage的业务，则需满足Delay

本文针对网络流量动态变化的监测环境，提出了一种无线传感器网络中具有平均时延约束的自适应休眠机制，采取在休眠阶段进行自适应地周期性休眠和苏醒，并通过马尔科夫链模型分析得到平均时延约束下的休眠周期。

第五篇：无线传感器网络GEAR协议的一种改进方案

[摘要]：无线传感器网络（WSNs）被认为是未来改变世界的十大技术之首，但有限的计算、存储和通信能力，尤其是严重受限的能量使其应用前景面临巨大挑战，WSNs在应用之前需要解决许多关键问题，能量问题即是其中之一。能量对于WSNs的生命周期具有决定意义，设计WSNs路由协议需要重点考虑能耗问题；针对WSNs的GEAR路由协议，提出一种能耗上的改进方案并进行仿真，仿真结果显示：该方案能明显降低能耗。关键词：无线传感器网络；GEAR协议；能耗 0 引 言

在无线传感器网络（WSNs）中，节点通常需要获取其位置信息，这样，它采集的数据才有意义。如在森林防火应用中，需要知道火灾的具体位置。地理位置路由假设节点知道自身及目标区域的位置，以这些位置信息作为路由选择的依据，按照一定策略转发数据到目标区域。位置和能量感知的地理路由（geographical and energy aware routing，GEAR）属于这一类路由协议，它是WSNs中的一个能量感知的基于位置的地理路由协议，模拟结果显示：GEAR路由，与传统非能量感知的地理路由相比能极大地延长网络寿命。能量对于WSNs的生命周期具有决定意义，能耗是WSNs路由协议需要重点考虑的问题。本文针对GEAR路由协议，依据GEAR的特点提出了一种改进方案，使其在能耗力方面有所改进。1 GEAR路协议 1．1 核心思想

由于Sink发出的查询消息中经常包含位置属性，GEAR路由协议在向目标区域散布查询消息的同时考虑了地理位置信息的使用。其主要思想是通过利用位置信息使得“兴趣”的传播仅到达目标区域，而不是传播到整个网络，从而避免洪泛方式，减少路由建立的开销。GEAR路由中查询消息的传播包括2个阶段：（1）查询消息转发到目标区域：从Sink节点开始的路径建立过程采用贪婪算法，节点在邻居中选择到目标区域代价最小的节点作为下一跳节点，并将自己的路由代价设为该下一跳节点的路由代价加上到该节点一跳通信的代价。若陷入路由洞，节点则选取邻居中代价最小的节点作为下一跳节点，并修改自己的路由代价；（2）在目标区域内散布查询消息：查询消息到达目标区域后，通过迭代地理（节点密度较大时）或洪泛方式（节点较少时）将查询消息传播到目标区域内的所有节点。这2个阶段完成后，监测数据沿查询消息的反向路径向Sink节点传送。1．2 NS2中GEAR的实现细节

GEAR路由协议在NS2中的实现是一个简化的版本，查询消息在事件区域的转发是采用洪泛方式，没有实现迭代地理方式，下面仅对改进时关心的问题进行说明。首先，GEAR路由假设已知节点的位置和剩余能量信息，通过下面几个变量来表示： double geo_longitude_, geo_latitude_;//节点的位置信息； int nmn_pkt_sent_, num_pkt_recv_;//发送和接收的信息包数量； double initial_energy_;//节点的初始能量；

double unit_energy_for_send_, unit_energy_for_recv_;//发送和接收单位信息包消耗的能量。其次，NS2中实现的CEAR发布查询消息时分为2个阶段，在消息没有到达目标区域时，采用贪婪算法（单播方式）转发消息，消息到达目标区域后，采用洪泛方法（广播方式）转发查询消息。节点根据不同的情况作出相应的处理：

enum geo_actions { BROADCAST = 0, BROADCAST_SUPPRESS, OUTSIDE_REGION } , 其中，BROADCAST=0表示节点在目标区域内部，采用广播方式转发查询消息；BROADCAST_SUPPRESS表示节点的所有邻居都不在目标区域内，节点不转发查询消息； OUTSIDE_REGION表示节点在目标区域外，用单播转发查询消息。与路由相关的函数： int32_ t findNextHop（GeoHeader * geo _ header, bool greedy）;// 找到下一跳邻居； int floodlnsideRegion（GeoHeader * geo_header）;// 在区域内转发信息包； double retrieveHeuristicValue（GeoLocation dst）;// 得到节点的通信代价；

void broadcastHeuristicValue（GeoLocation dst, doublenew_heuristic_value）;当出现路由洞时，需要修改节点的通信代价，并将这个修改后的通信代价告知其邻居节点。

NS2中实现的GEAR，查询消息在事件区域内的转发没有采用迭代地理的方式，仅采用了洪泛方式，具体的洪泛代码见NS2代码中~ns／diffusion3／filters／gear． 2 GEAR路由协议的改进方案 2．1 问题描述

文献[2]指出：如果使用Micadot节点，发送一个比特上尽量进行网内处理，减少数据传输量，可以有效地节省能量。理想的融合情况下，中间节点可以把n个长度相等的输人数据分组合并成一个等长的输出分组，只需消耗不进行融合所消耗能量的1／n即可完成数据传输；最差的情况下，融合操作并未减少数据量，但通过减少分组个数，可以减少信道的协商或竞争过程造成的能量开销，所以，在数据传输时要尽量采用数据融合。在GEAR路由中，当查询消息到达目标区域后，事件区域中的节点采集的数据沿查询消息的反向路径向Sink节点传送，由于数据采集时同一区域的众多节点采集的数据往往有相似性，如果能够让这些 节点协同工作，对数据进行必要的融合，就可以减少冗余数据包的传输。如果节点密度比较大，GEAR采用迭代地理转发机制，作为对GEAR路由协议的改进，每一次迭代的中心节点可以作为数据融合节点，将其子区域节点采集的数据进行处理后再沿反向路径传送。这样，目标区域内第一个收到查询消息的节点将融合后的数据沿查询消息的反向路径向Sink节点传送。

如果节点密度比较小，GEAR则采用洪泛转发机制。这时由于没有子区域中心节点可以使用，需要以某种方法产生一个融合节点对数据进行处理。一种简单的方法是选择能量比较大的节点作为融合节点，当然，该节点需要能够与其他节点直接通信。该节点对数据进行处理后沿查询消息的反向路径向Sink节点传送。2．2 解决方案实现

根据2．1节的思路，迭代地理方式采用数据融合具有明显的优势：首先，融合节点不需要选取，以子区域中心节点作为融合节点即可；其次，节点密度较大时，采用融合方式更节省能量。但由于NS2中实现的GEAR是一简化版本，查询消息在事件区域内的转发并没有采用迭代地理方式，为便于比较改进前后的效果，在改进方案的实现中仅针对洪泛方式进行设计。具体的改进方案分为如下几个步骤：

（1）当查询消息转发到事件区域后，区域内的节点先建立簇。由于GEAR中每个节点知道自身及邻居节点的位置和能量信息，因此，可根据节点的位置信息，结合节点的通信范围，在事件区域内部形成簇；

（2）设定算法选择簇首节点，簇首节点需要满足几个条件：①能量足够大，大于设定的能量阈值；②簇首节点能够与簇内其他节点直接通信，在簇形成时保证这一点；③可以对数据进行相应处理。簇首节点选出后通报整个簇内节点；

对于簇首节点选择的具体算法，为便于实现，只要能量大于能量阈值，位置在事件区域的节点就可以担任簇首节点。由于可能有多个符合条件的节点，因此，在代码实现中是选出事件区域内能量最大，且能量大于能量阈值的节点作为簇首节点；

（3）节点开始采集数据，簇内节点将采集的数据首先传送到簇首节点，由簇首节点对数据进行压缩整合，除去冗余数据后再发往区域内第一个接收到查询消息的节点，沿查询消息的相反路径转发到Sink节点。以查询消息要求的时间间隔T为周期，在这个T时间范围内，接收簇内节点发送的数据并进行缓存，在下一个时间间隔对数据进行融合并转发。具体实现时，将在[0，T]时间范围接收到的数据包认为是一个时间产生的数据，如果这些数据的监测对象为同一类型，则判定这些数据互为冗余数据。根据可信度，挑选出可信度最高的数据进行传输，其他数据将丢弃。最大可信度数据意味着高质量的数据，同时，降低了冗余数据的传输。仿真实验设置及结果分析

由于GEAR在NS2中没有集成迭代地理方式，因此，本实验针对区域内的洪泛方式进行比较，并采用平均能耗参数来衡量改进后的协议性能。平均能耗是网络中每个节点在传输一个单位的数据包时所消耗的能量。另外，本文感兴趣的还有平均能耗和网络尺寸的关系，因此，通过改变网络节点数目来研究平均能耗，并与改进前GRAR路由进行比较。3．1 实验场景的参数选用

根据GEAR路由协议以及国际上发表的针对WSNs的相关文献[1，3]的实验场景设置，本文采用了如下实验场景设置：在下面的实验中，默认采用1.6MB／s的802.11MAC 层协议，每个节点的通信范围为100个单位，每个目标区域是一圆形区域，其半径为50个单位。数据包的大小为64字节，查询消息大小为32字节。

实验采用不规则拓扑场景，网络大小从50个节点到250个节点，网络的覆盖面积是670×670平方单位，固定节点的通信范围是100个单位，目标区域是半径为50单位的圆形区域。设定节点的初始能量是1J，发送和接收一个数据包消耗0.001J，比例参数a值取0.8。数据源节点设为5个，Sink节点设为2个。3．2 仿真结果及分析

对生成的trace文件的剩余能量进行统计。统计方法为平均能量消耗：消耗能量／（网络尺寸×数据量）。其中，消耗能量是初始总能量减去最后的剩余能量，网络尺寸是节点个数，数据量是数据源节点产生的数据包和Sink节点发出的查询消息总和，即，数据量：运行时间×（单位时间数据包×源节点个数+单位时间查询消息×Sink节点个数）；消耗能量=总初始能量-总剩余能量；网络尺寸=节点个数。设定运行时间为30min，30min后停止仿真，整理后的数据见表1。

由表1可见，改进后的能量显著节省。且随着节点个数的增加，能量节省更为显著。这是因为随着节点个数的增加，网络密度增大，洪泛方式能耗更多，而采用数据融合后，节省能量更为明显。4 结 论

由于目前GEAR在NS2中集成版本的限制，实验仅针对区域内的洪泛方式进行了简单仿真，取得了比较理想的实验结果，这种微小的改进，对GEAR降低能耗有比较明显的效果，可以预期，NS2和GEAR协议本身的发展和完善，将为进一步的实验提供更好的条件。