星地傳感網(wǎng)QoS路由機(jī)制研究進(jìn)展

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥230036）

天地一體化的星地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠全方位收集數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、林業(yè)防火監(jiān)測和地震等各種突發(fā)災(zāi)害評估與救援等領(lǐng)域[1-2]。業(yè)已部署星地傳感網(wǎng)的空間段網(wǎng)絡(luò)大多由運(yùn)行在靜止軌道面的衛(wèi)星組成，對地面網(wǎng)關(guān)要求較高。為滿足立體化、實(shí)時監(jiān)測的需求，空間段網(wǎng)絡(luò)正從傳統(tǒng)的靜止軌道布網(wǎng)轉(zhuǎn)向低軌道面或多層軌道面混合組網(wǎng)。較低的軌道高度極大地降低了鏈路傳播時延，網(wǎng)關(guān)復(fù)雜度和功耗要求明顯降低，使得星地傳感網(wǎng)大規(guī)模部署成為可能。然而，衛(wèi)星高速運(yùn)行造成的拓?fù)洳环€(wěn)定以及所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能力受限，使得QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）路由機(jī)制面臨著巨大挑戰(zhàn)，直接影響著星地傳感網(wǎng)系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)。

星地傳感網(wǎng)路由機(jī)制具有較強(qiáng)前瞻性，公開報道的研究成果不多。而傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)和地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制已經(jīng)得到了的廣泛研究，星地傳感網(wǎng)作為兩者相結(jié)合的產(chǎn)物，路由機(jī)制方面必然存在一些共性問題。下面，筆者綜述傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)與地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和QoS路由協(xié)議研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上探討星地傳感網(wǎng)QoS路由機(jī)制的未來研究方向。

1 星地傳感網(wǎng)路由機(jī)制的特點(diǎn)

星地傳感網(wǎng)具有如圖1所示的體系結(jié)構(gòu)，由運(yùn)行在低軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中軌道（Medium Earth Orbit，MEO）和靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）平面上配備傳感器的小衛(wèi)星構(gòu)成空間段傳感網(wǎng)絡(luò)；地面段網(wǎng)絡(luò)呈2層異構(gòu)，上層是單跳可達(dá)接入衛(wèi)星的網(wǎng)關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)，下層是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)較為廉價，但計(jì)算、存儲能力受限，能量補(bǔ)充困難；網(wǎng)關(guān)成本較高，計(jì)算、存儲能力較強(qiáng)，能直接與衛(wèi)星通信，可使用太陽能充電。

圖1 星地傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

對于大規(guī)模星地網(wǎng)絡(luò)，天地一體化集成路由非常困難。將空間段網(wǎng)絡(luò)與地面段網(wǎng)絡(luò)區(qū)分對待，網(wǎng)關(guān)間通過一種協(xié)作模式收集地面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)并傳送到衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，空間段星際網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)感知空間信息并將來自于其他衛(wèi)星和地面網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)中心。各網(wǎng)關(guān)根據(jù)衛(wèi)星覆蓋情況選擇接入衛(wèi)星，網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星間的通信距離、傳輸能耗基本相同，這與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)有著顯著差異。星地傳感網(wǎng)路由機(jī)制的研究難點(diǎn)在于星地鏈路切換頻繁使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化、星際鏈路高傳播時延使得數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性保證難度增大和網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)能力受限要求路由機(jī)制簡潔有效。作為傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)和地面無線傳感網(wǎng)的最新發(fā)展形式，星地傳感網(wǎng)與上述兩者既有相似之處，又存在明顯區(qū)別。通過分析相關(guān)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的研究情況，有助于更加系統(tǒng)準(zhǔn)確地把握星地傳感網(wǎng)路由機(jī)制的研究方向。

2 空間段衛(wèi)星網(wǎng)QoS路由機(jī)制

目前對空間段衛(wèi)星網(wǎng)QoS路由機(jī)制的研究主要集中在衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)和衛(wèi)星網(wǎng)QoS路由協(xié)議2個方面。

2.1 衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)

LEO衛(wèi)星網(wǎng)通常采用極軌道星座或Walker星座[3]。極軌道星座中軌道面傾角接近于90°，所有衛(wèi)星均勻分布到若干經(jīng)過極地區(qū)域的軌道面上。Walker星座的軌道面傾角遠(yuǎn)小于90°，衛(wèi)星在空間的分布較為均勻，具有較好的覆蓋性能。為了克服LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大的缺點(diǎn)，可以構(gòu)建多層衛(wèi)星網(wǎng)，即利用層間星際鏈路建立多層衛(wèi)星網(wǎng)，MEO／GEO衛(wèi)星構(gòu)成骨干，LEO衛(wèi)星提供地面終端／網(wǎng)關(guān)接入，由此實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)支持的多樣性和骨干傳輸?shù)目煽啃?。雖然多層衛(wèi)星網(wǎng)能發(fā)揮不同軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢，但天線對準(zhǔn)與跟蹤技術(shù)的限制使得多層衛(wèi)星空中直接組網(wǎng)存在諸多困難。根據(jù)應(yīng)用需求以及相關(guān)配套技術(shù)的成熟程度，合理設(shè)計(jì)多層星座軌道參數(shù)，發(fā)揮LEO的低星地傳播時延、MEO／GEO長距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，使其滿足星地傳感網(wǎng)的應(yīng)用需求是未來的研究重點(diǎn)。

2.2 衛(wèi)星網(wǎng)QoS路由協(xié)議

根據(jù)實(shí)現(xiàn)策略，現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)QoS路由協(xié)議包括降低切換次數(shù)協(xié)議[4-5]、面向流量平衡協(xié)議[6-7]和最小路徑代價協(xié)議[8]。降低切換次數(shù)協(xié)議具有較強(qiáng)的切換處理能力，其中概率路由協(xié)議[4]不使用在呼叫生存期內(nèi)或衛(wèi)星切換發(fā)生前可能經(jīng)歷鏈路切換星際鏈路，但存在呼叫阻塞率較高的問題。Chen[5]使用傳播時延和鏈路連通概率評估星際路由代價，發(fā)現(xiàn)其流量變化適應(yīng)能力不足。面向流量平衡的協(xié)議通過改進(jìn)擁塞避免能力來提高路由性能，肖甫等[6]定義鏈路剩余帶寬和傳輸時延的綜合函數(shù)為鏈路初始權(quán)重，通過動態(tài)調(diào)整鏈路權(quán)重及延期選用實(shí)現(xiàn)流量工程，但沒能解決標(biāo)記交換路徑的維護(hù)開銷問題；基于優(yōu)化算法的QoS路由[7]沒有考慮信令開銷，且運(yùn)行結(jié)果不穩(wěn)定。帶寬約束最小時延路由協(xié)議[8]使用最短路徑算法計(jì)算路由，其計(jì)算和信令開銷很高?？傊?，由于針對某些特殊情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，業(yè)已提出的路由協(xié)議僅在某一方面表現(xiàn)出較好的特性，但整體性能差強(qiáng)人意，其根本原因在于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的變化和星際鏈路的非持續(xù)可用。由于呼叫的時長與終端位置的隨機(jī)性，通信過程中的切換很難避免。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓哂兄芷谛院涂深A(yù)見性，承載流量與所處地理位置密切相關(guān)，因而可以從利用結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓攸c(diǎn)和地面流量分布特征降低路由計(jì)算與信令開銷、設(shè)計(jì)良好切換處理機(jī)制提高魯棒性等方面開展深入研究。

3 地面段無線傳感網(wǎng)QoS路由機(jī)制

大規(guī)模星地傳感網(wǎng)中，部署成本的限制使得普通傳感器節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星間的通信必須通過地面網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)（見圖1），地面網(wǎng)關(guān)與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Node，RN）在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用相同，都負(fù)責(zé)收集傳感器數(shù)據(jù)并向上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的部分節(jié)點(diǎn)能量過早消耗而形成的能量空洞現(xiàn)象是制約QoS路由有效性的主要瓶頸，為此許多QoS路由協(xié)議通過融入更多能量因素來提高服務(wù)質(zhì)量。由于星地傳感網(wǎng)中地面段網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大且需要長期免維護(hù)工作，因而在研究中需要更多關(guān)注能量利用率，盡可能使總能量消耗小且剩余能量分布均勻。

3.1 雙層組網(wǎng)的RN節(jié)點(diǎn)選址分析

Tang等[9]假設(shè)RN節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑為普通傳感器節(jié)點(diǎn)的4倍，將大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中RN選址抽象為RN連接保證的單重覆蓋問題，旨在實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)1跳可達(dá)至少1個RN節(jié)點(diǎn)且RN節(jié)點(diǎn)間連通。為提高容錯性，又使用解析幾何理論求解RN節(jié)點(diǎn)雙重連接的雙重覆蓋問題，保證傳感器節(jié)點(diǎn)1跳可達(dá)至少2個RN節(jié)點(diǎn)且RN節(jié)點(diǎn)間2重連通。Han等[10]研究了傳感器覆蓋半徑異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的RN節(jié)點(diǎn)選址與連通問題，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑不同、RN節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑相同，通過近似求解和啟發(fā)式方法求解選址最小數(shù)量的RN節(jié)點(diǎn)在每對傳感器、RN節(jié)點(diǎn)間建立k（k-1）條不相交的路徑、選址最小數(shù)量的RN節(jié)點(diǎn)在每對傳感器間建立k（k-1）條不相交的路徑。Abbasi等[11]提出RN失效場景下通過備用RN的移動來維持連通，在網(wǎng)絡(luò)正常時事先選擇故障恢復(fù)啟動節(jié)點(diǎn)，故障發(fā)生時，由啟動節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)連通。

現(xiàn)有的選址方案通常考慮RN節(jié)點(diǎn)對傳感器1跳覆蓋，RN節(jié)點(diǎn)呈高密度分布，但部署成本較高，這使得現(xiàn)有的RN節(jié)點(diǎn)選址理論和方法不能直接用于指導(dǎo)星地傳感網(wǎng)中地面網(wǎng)關(guān)選址。傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，RN節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間通信能耗差異較大，為了可靠地交付數(shù)據(jù)，需要全網(wǎng)RN間連通，甚至多重連通。星地傳感網(wǎng)中星地通信能耗基本相同，較為經(jīng)濟(jì)的方法是選出少量地面網(wǎng)關(guān)承擔(dān)星地間數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，從而使得不需要全網(wǎng)地面網(wǎng)關(guān)連通。因此，今后研究的重點(diǎn)是根據(jù)網(wǎng)關(guān)分布、星地傳輸能耗等因素來確定地面網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)策略與星地通信網(wǎng)關(guān)的選取。

3.2 能量有效QoS路由協(xié)議分析

根據(jù)能量平衡策略，將傳統(tǒng)地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中QoS路由協(xié)議分為3類，即平面、均勻分簇和非均勻分簇路由協(xié)議。平面路由協(xié)議在選路由過程中融入剩余能量因素，但跳數(shù)較多、網(wǎng)絡(luò)整體能量使用率不高，可擴(kuò)展性受限。均勻分簇路由協(xié)議便于數(shù)據(jù)聚合，較少的跳數(shù)減少了傳輸能耗，但由于簇頭與Sink通信能耗存在差異，因而不同程度地存在能量空洞問題。非均勻分簇協(xié)議[12-15]在靠近Sink的區(qū)域設(shè)置較小的簇半徑，在遠(yuǎn)離Sink區(qū)域設(shè)置較大的簇半徑，從而減少靠近Sink的簇內(nèi)通信開銷，由此節(jié)約能量轉(zhuǎn)發(fā)簇間數(shù)據(jù)。因此，非均勻分簇路由協(xié)議在均衡全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)剩余能量分布方面更有優(yōu)勢。Chen等[12]基于節(jié)點(diǎn)的最大覆蓋半徑及其與Sink的距離設(shè)計(jì)簇頭競爭半徑，使得簇半徑與其到匯聚點(diǎn)距離呈遞減關(guān)系，從而均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。文獻(xiàn) [13]構(gòu)建Sink為起點(diǎn)的扇形環(huán)狀簇，以全網(wǎng)能量消耗最小化為目標(biāo)，求解最優(yōu)環(huán)半徑和分簇角度。Lai等[14]假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布在矩形區(qū)域，以簇間能量均勻消耗為約束條件求解最優(yōu)簇數(shù)量與簇半徑。文獻(xiàn) [15]認(rèn)為簇頭競爭取決于候選簇頭及其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，由此達(dá)到節(jié)點(diǎn)能量異構(gòu)場景的能量均衡消耗。

然而，目前的研究僅從網(wǎng)絡(luò)層角度進(jìn)行研究，忽視介質(zhì)訪問能耗或簡單地將介質(zhì)訪問能耗視為相同。事實(shí)上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞的形成來源于MAC層、路由協(xié)議等多種因素的共同作用。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的理想化使得現(xiàn)有研究對于能量空洞的控制考慮不足，對網(wǎng)絡(luò)生存時間的研究也不充分。因此，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層、MAC協(xié)議建模定位能量空洞并由此提出能量空洞避免策略，是開展星地傳感網(wǎng)中地面段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由協(xié)議研究的重要方向。

4 結(jié) 語

作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一種最新的發(fā)展形式，星地傳感網(wǎng)將信息的收集與供給在空間和時間上最大程度地延伸，有著十分廣闊應(yīng)用范圍。由于尚未成熟且與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)存在差異，傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由機(jī)制不能直接應(yīng)用于星地傳感網(wǎng)中。因此，今后應(yīng)該從以下方面深入開展星地傳感網(wǎng)QoS路由機(jī)制的研究：空間段多層星座軌道參數(shù)優(yōu)化；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓攸c(diǎn)和地面流量分布特征研究低開銷、高魯棒的星際路由協(xié)議；地面網(wǎng)關(guān)選址、組網(wǎng)及星地通信網(wǎng)關(guān)的選取方法；融合非均勻分簇和跨層設(shè)計(jì)能量有效地面段無線傳感網(wǎng)QoS路由協(xié)議。

[1]Bisio I，Marchese M.Efficient Satellite-Based Sensor Networks for Information Retrieval [J].IEEE Systems Journal，2008，2(4）：464-475.

[2]Celandroni N，F(xiàn)erro E，Gotta A，et al.A survey of architectures and scenarios in satellite-based wireless sensor networks：system design aspects [J].International Journal of Satellite Communications and Networking，2012，31(1）：1-38.

[3]王振永 .多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]Uzunalioglu H，Akyildiz I F，Yesha Y，et al.Footprint handover rerouting Protocol for LEO satellite networks [J].ACM-Baltzer Journal of Wireless Networks(WINET），1999，5(5）：327-337.

[5]Chen C.Advanced Routing Protocols for Satellite and Space Networks [J].Georgia Institute of Technology，2005，48：33-36.

[6]肖甫，孫力娟，葉曉國，等 .面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的流量工程路由算法 [J].通信學(xué)報，2011，32（5）：104-111.

[7]Long F，Xiong N X，Athanasios V，et al.A sustainable heuristic QoS routing algorithm for pervasive multi-layered satellite wireless networks [J].Wireless Networks，2010，16(6）：1657-1673.

[8]周云暉，孫富春，張鈸，等 .一種基于時隙劃分的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS路由協(xié)議 [J].計(jì)算機(jī)學(xué)報，2006，29（10）：1814-1822.

[9]Tang J，Hao B，Sen A.Relay node placement in large scale wireless sensor networks [J].Computer Communications，2006，29(4）：490-501.

[10]Han X F，Cao X，Lloyd E L，et al.Fault-Tolerant Relay Node Placement in Heterogeneous Wireless Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2010，9(5）：643-656.

[11]Abbasi A A，Younis M，Akkaya K.Movement-Assisted Connectivity Restoration in Wireless Sensor and Actor Networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2009，20(9）：1366-1379.

[12]Chen G H，Li C F，Ye M，et al.An unequal cluster-based routing strategy in wireless sensor networks[J].Wireless Networks，2009，15(2）：193-207.

[13]Xiang M，Shi W，Jiang C J，et al.Energy efficient clustering algorithm for maximizing lifetime of wireless sensor networks [J].AEUInternational Journal of Electronics and Communications，2010，64(4）：289-298.

[14]Lai W K，F(xiàn)an C S，Lin L Y.Arranging cluster sizes and transmission ranges for wireless sensor networks[J].Information Sciences，2012，183(1）：117-131.

[15]蔣暢江，石為人，唐賢倫，等 .能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由協(xié)議 [J].軟件學(xué)報，2012，23（5）：1222-1232.