无线多媒体传感器网络中的路由：综述和未来挑战

摘要

无线多媒体传感器网络（WMSN）因其对科学研究的潜在影响和众多诱人的应用而备受关注。WMSN中的路由在过去几年中一直是一个活跃的研究领域。多媒体数据的传输依赖于路由协议来确定稳定且资源高效的路径，并为多媒体提供不同级别的服务质量（QoS）/体验质量（QoE）保证。然而，由于有限的网络资源和复杂的操作，这是一个具有挑战性的问题多媒体应用程序以及网络状况的动态变化。本文首先介绍了WMSN路由设计的挑战和要求，然后从应用需求和关键技术的角度对路由进行了详尽的调查。特别是，现有的路由解决方案根据其设计和优化目标分为五大类，即QoS供应、多媒体感知、能效、拥塞避免、带宽优化。最后，我们将讨论开放式研究中的问题路由度量以及关于新兴WMSN应用场景中路由的几个潜在研究领域。

介绍

无线传感器网络（WSN）（Yick等人，2008）是一种物理监测系统，由分布在覆盖区域内的自组织和链接传感器组成。通过特定的通信协议实现各种传感器之间感测信息的收集、通信和处理，并通过多跳路由将数据传输到接收器。汇点是整个网络的数据、计算和控制中心。管理员可以通过Internet等传统网络与接收器通信。

传统的无线传感器网络仅通过传输带宽较低的网络收集、处理和传输标量数据（即温度、压力、湿度或位置）。然而，随着监测环境的日益复杂，标量数据已不能满足细粒度环境监测的要求。因此，有必要支持图像、视频和音频等媒体丰富的内容，以完善数据收集并更准确地监测环境。最近的技术发展显著降低了相机和麦克风等硬件的成本，这些硬件在应用中逐渐增加；带宽能力也有所增加，无线通信能力也在不断提高。在这种情况下，无线传感器网络已经开始发展成为无线多媒体传感器网络（WMSN），它可以存储、实时处理、关联和融合来自异构源的多媒体数据（Akyildiz等人，2007年）。研究表明，这种网络可以显著提高对环境的感知能力和对环境事件的描述能力。

WMSN是一项重要且令人兴奋的新技术，在加强传统WSN应用以及创建一系列新的多媒体应用方面具有巨大潜力，例如多摄像机监视（Natarajan等人，2015）、视觉目标跟踪（de San Bernabe等人，2015年）、，基于位置的多媒体服务（Akhlaq Ahmad等人，2015）和态势感知（Wang，2015）。WMSN提供了大部分硬件基础设施支持，并提供了对传感器的访问，随着WMSN的部署，它已成为多媒体物联网（IoMT）传感和传输的重要支持平台（Alvi等人，2015）。IoMT中的许多应用程序都受益于WMSN技术，例如可穿戴设备（徐伟涛，2015）和人群感知（Ramesh等人，2014）。随着WMSN随着各种类型多媒体传感器的发展而出现，近年来，谷歌搜索趋势测量的视频传感器和相机传感器的搜索量随着无线传感器的下降趋势而不断增加（见图1），这表明了人们的高度关注。

具有多媒体支持的高效路由已成为WMSN的一个重要研究热点。在过去的几年中，基于应用需求和网络体系结构，人们对传统WSN路由算法、协议和技术进行了广泛的研究。这些解决方案的目的是提供尽力而为的服务，以确保网络系统的正常运行，其中节能是主要关注点。然而，由于WMSN具有异构介质、大数据量、复杂的数据格式和操作，并且需要高速率的实时传输，因此其对处理和存储以及带宽的要求超出了MICA等典型WSN平台的能力（Hill和Culler，2002）。WMSN中的多媒体传输依赖于路由协议来确定稳定且资源高效的路径，并根据不同的要求提供不同级别的QoS/QoE。资源效率不仅包括有效的带宽利用率，还包括降低的能耗。因此，在路由设计和开发中有许多特殊考虑因素。

本文旨在对WMSN中的路由进行全面和最新的调查。主要贡献如下：

• 解释了WMSN路由和WSN路由的区别。在此基础上，我们阐述了WMSN路由设计面临的技术挑战，同时概述了主要设计原则。

• 对路由进行了详尽的调查，并将其分为五大类（QoS提供、多媒体感知、能源效率、拥塞避免、带宽优化）。涵盖了许多新兴的路由技术（如基于编码的频谱效率）。

• 我们强调了许多主要路由方法的相对优缺点，并对每个解决方案进行了比较，包括各种参数，以便研究人员了解各种技术，从而根据需要选择最合适的一种。

• 本文指出了WMSN面临的路由度量和协议方面的开放性研究问题，同时讨论了新兴WMSN应用场景（例如IoMT、云/雾辅助、水下、飞行、软件定义的WMSN）的路由发展趋势。

本文的其余部分组织如下。我们在下一节简要介绍了相关的工作和动机。第3节讨论了布线设计问题及其局限性。在第4节中，对WMSN路由的当前最新技术进行了调查和分类，并讨论了其优点和局限性。第5节以表格形式进行了详细比较。第6节讨论了一些需要进一步考虑的重要发展趋势和挑战。我们在第7节中给出了结论。