三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)路由概述

李琳琳

[摘要]三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多具有無線通信能力的低成本、密集部署的傳感器節(jié)點組成。其性能主要局限于傳感器節(jié)點的低電池能量、低計算能力以及低存儲能力和較小的傳輸范圍，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須慎重設(shè)計，以獲取節(jié)點更高效的通信能力。近年來人們在三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)上取得了一些成果，提出了很多適合三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的路由協(xié)議。分析現(xiàn)有的三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，對其進(jìn)行歸類。介紹幾個典型的路由協(xié)議及三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議算法。

[關(guān)鍵詞]三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；算法

一、三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸離不開路由協(xié)議，而在三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Intenet技術(shù)加上無線Ad-hco網(wǎng)絡(luò)路由機制對傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是足夠充分的，然而深入的研究表明三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)與Ad-hco網(wǎng)絡(luò)有著明顯的差別?？勺鲆韵聦Ρ龋篈d-hoc與三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)都屬于自組織的網(wǎng)絡(luò)形式。Ad-hco網(wǎng)絡(luò)的主要特征是自治的移動用戶（兼做路由器&主機）間的相互通信，強調(diào)的兩點分別是：“移動”和“點對點的通信”。而三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征是用戶通過隨機散布在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點獲取感興趣的探測數(shù)據(jù)。它強調(diào)以數(shù)據(jù)為中心，且典型的工作方式是不對稱的多點到一點的數(shù)據(jù)傳送方式?！岸帱c”指的是網(wǎng)絡(luò)中探測數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點；“一點”指的是負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)外傳送數(shù)據(jù)（也可做為用戶接入）的Sink節(jié)點或者是基站節(jié)點。因而在對待研究三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的問題時，不能簡單地套用Ad-hco網(wǎng)絡(luò)中多跳的路由協(xié)議，而是借鑒繼承和發(fā)展同時針對與Ad-hco網(wǎng)絡(luò)的不同之處采取變通的手段以及在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步的改善和完善。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點：

1.能量有限。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量耗費問題。而三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的重要目標(biāo)，因此，需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡的問題。

2.基于局部拓?fù)湫畔?。三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通信常采用多跳的通信模式。而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源，使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息，不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計算。在節(jié)點只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，如何實現(xiàn)簡單高效的路由機制是三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題。

3.數(shù)據(jù)為中心。傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點的表示和路由的依據(jù)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點的隨機部署，所關(guān)注的監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個節(jié)點獲得的信息，不依賴于全網(wǎng)唯一的標(biāo)識。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個傳感器節(jié)點到少數(shù)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流，按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

4.應(yīng)用相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，數(shù)據(jù)通信模式不同，沒有一個機制適應(yīng)所有的應(yīng)用，這就是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)性的一個體現(xiàn)。設(shè)計者需要針對每一個具體應(yīng)用的需求，設(shè)計與之適應(yīng)的特定路由機制。

二、三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計要求

考慮到三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景為：大量的無線傳感器節(jié)點散布在監(jiān)控區(qū)域，因而我們需要一套路由協(xié)議用于連接采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點。針對于傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機制的特點，在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計路由機制時，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機制的要求：

1.能量高效。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個網(wǎng)絡(luò)能量耗費均衡的路由。傳感器節(jié)點的資源有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機制要能夠簡單而且高效實現(xiàn)信息傳輸。

2.可擴展性。在三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不同；節(jié)點失敗、新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等，都會使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。

3.魯棒性。能量用盡或者環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點的失敗，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質(zhì)量以及無線鏈路本身的缺點等，這些三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。

4.快速收斂性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠快速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，減少通信協(xié)議的開銷，提高消息傳輸?shù)男省?/p>

三、經(jīng)典路由協(xié)議的介紹

針對于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員提出了不同的路由協(xié)議。目前提出的路由方案種類繁多，現(xiàn)簡要描繪各路由協(xié)議設(shè)計初衷以及設(shè)計特點：

1.Flooding算法：分布式網(wǎng)絡(luò)中最經(jīng)典的一種算法，節(jié)點向它的鄰節(jié)點廣播數(shù)據(jù)。

2.Gossiping算法：flooding的一個變種，從鄰節(jié)點中隨機選擇一個進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.Spin算法：第一個以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議。它針對Noding和Gossiping的缺點，提除了協(xié)商的思想并增加了對能量的考慮，解決了信息爆炸和資源浪費等問題。傳感器節(jié)點僅廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息，當(dāng)有相應(yīng)的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有三種類型的消息即ADV，REQ和DATA。節(jié)點用ADV宣布有數(shù)據(jù)發(fā)送，用REQ請求希望接收數(shù)據(jù)，用DATA封裝數(shù)據(jù)。

4.SAR：SequentialAssi，Mentrouting，該方案從Sink節(jié)點出發(fā)，建立了覆蓋所有節(jié)點的一顆節(jié)點樹。在選擇路徑時，SAR策略充分考慮了功耗、QOS和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求，采用局部路徑恢復(fù)和多路徑備份策略，避免節(jié)點或鏈路失敗時進(jìn)行路由重計算需要的過量計算開銷。為了在每個節(jié)點與Sink節(jié)點間生成多條路經(jīng)，需要維護(hù)多個樹結(jié)構(gòu)，每個樹以落在Sink節(jié)點有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點為根向外生長，枝干的選擇需滿足一定QOS要求并要有一定的能量儲備。這一處理使大多數(shù)傳感器節(jié)點可能同時屬于多個樹，可任選其一將采集數(shù)據(jù)回傳到Sink節(jié)點。該協(xié)議是第一個具有QOS意識的路由協(xié)議，采用基于路由表驅(qū)動的多路徑方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能和健壯性。endprint

5.能量感知路由：能量感知路由應(yīng)該是最早提出的傳感器路由機制之一，因為傳感器路由的首要要求就是高能效。最初該類路由協(xié)議基本思想類似于通信網(wǎng)理論中對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)求最優(yōu)路徑的思想，即根據(jù)節(jié)點的可用能量或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。此協(xié)議要求節(jié)點具有整個網(wǎng)絡(luò)的信息，實際情況是節(jié)點只能獲取局部信息，因此上述能量路由方法只是理想情況下的路由策略。

6.基于查詢的路由：區(qū)別于傳感器全網(wǎng)主動收集數(shù)據(jù)發(fā)布信息的一種被動式路由，即由網(wǎng)絡(luò)外部發(fā)起對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息查詢的一種應(yīng)用型路由。主要有以下兩種：

Directed Diffusion：定向擴散模型是Estirn等人專門為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的路由策略，是一種基于查詢應(yīng)用的路由協(xié)議。匯聚節(jié)點通過興趣消息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用泛洪方式傳播興趣信息到整個區(qū)域或者部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點。興趣消息用來表示查詢的任務(wù)，表達(dá)網(wǎng)絡(luò)用戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的信息。在興趣消息的傳播過程中，協(xié)議逐步地在每個傳感器節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度。傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點。

Rumorortuin：Bouils等人提出的謠傳路由，針對于數(shù)據(jù)傳輸量較少或者已知事件領(lǐng)域。如果采用定向擴散路由，需要經(jīng)過查詢信息的泛洪傳播和路徑增強機制才能確定一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑。因此這種路由適合于數(shù)據(jù)傳輸量較小的傳感器網(wǎng)絡(luò)。基本思想是事件區(qū)域中的傳感器節(jié)點產(chǎn)生代理消息，代理消息沿隨機路徑向外擴散廣播，同時匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢消息也沿著隨機路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。當(dāng)代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起時，就會形成一條匯聚節(jié)點到事件區(qū)域完整的路徑。

7.地理位置路由：針對于一些特定應(yīng)用，如森林防火場景下節(jié)點通常需要獲得事件區(qū)域節(jié)點的位置信息來能保證采集的數(shù)據(jù)有意義。因此，地理位置節(jié)點假設(shè)節(jié)點知道自己的地理位置信息，以及目的節(jié)點或者目的區(qū)域的地理位置，利用這些地理位置信息作為路由選擇的依據(jù)，節(jié)點按照一定策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點。

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（責(zé)任編輯 史玉英）endprint