摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由能量有限的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，數(shù)據(jù)分發(fā)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本功能。設(shè)計(jì)能量有效的數(shù)據(jù)分發(fā)方案可以?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，減少能量消耗和網(wǎng)絡(luò)擁塞，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。文章在簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)分發(fā)分類(lèi)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了目前主要的數(shù)據(jù)分發(fā)方案，并進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)分發(fā)；能量有效；sink節(jié)點(diǎn)；方案

0引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多具有感知、計(jì)算和通信能力的低成本低功耗的微型傳感器組成，用于實(shí)時(shí)感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的感知對(duì)象的信息，常常由成百上千個(gè)傳感器協(xié)同工作。這些傳感器一般可分成兩類(lèi)：一是具有通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為源節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)通過(guò)內(nèi)置的一個(gè)或多個(gè)物理傳感器，如溫度傳感器、光傳感器等，可對(duì)觀(guān)察范圍內(nèi)的感知對(duì)象產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)。這些節(jié)點(diǎn)靠不能補(bǔ)充能量的電池供電，具有有限的能量。二是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，也稱(chēng)為sink節(jié)點(diǎn)(或基站)，這些節(jié)點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的連接，往往個(gè)數(shù)有限，但能量能夠得到補(bǔ)充。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要目的是從監(jiān)測(cè)環(huán)境中收集用戶(hù)感興趣的數(shù)據(jù)，發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。因此，數(shù)據(jù)分發(fā)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本功能，而帶寬和能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最為缺乏的資源，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，設(shè)計(jì)能量有效的數(shù)據(jù)分發(fā)方案是至關(guān)重要的。

1 數(shù)據(jù)分發(fā)的分類(lèi)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分發(fā)的分類(lèi)有三種。而一種是按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，分為三?lèi)：

(1)源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分發(fā)。源節(jié)點(diǎn)把探測(cè)到的感知數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。

(2)源節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)分發(fā)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)之間需要協(xié)作時(shí)，由請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息給需要合作的其他源節(jié)點(diǎn)。

(3)sink節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分發(fā)。sink節(jié)點(diǎn)可以改變部分或全部傳感器節(jié)點(diǎn)的操作模式，向網(wǎng)絡(luò)中廣播一條新的消息，激活或睡眠一個(gè)或多個(gè)源節(jié)點(diǎn)，向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送查詢(xún)等。

第二種是根據(jù)通信周期，分為三類(lèi)：

(1)事件驅(qū)動(dòng)(event-driven)數(shù)據(jù)分發(fā)。只有在感興趣的事件發(fā)生時(shí)才構(gòu)建路徑，發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少了持續(xù)更新路徑的費(fèi)用。

(2)連續(xù)數(shù)據(jù)分發(fā)(confinuous dissemination)。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)定期地發(fā)送數(shù)據(jù)給sink節(jié)點(diǎn)，需要定期重建路徑。

(3)查詢(xún)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)分發(fā)。只有sink節(jié)點(diǎn)需要查詢(xún)時(shí)，才構(gòu)建數(shù)據(jù)分發(fā)路徑，符合條件的源節(jié)點(diǎn)響應(yīng)查詢(xún)，并將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。

第三種是根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型，也分為三類(lèi)：

(1)固定源節(jié)點(diǎn)與固定sink節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)分發(fā)。源節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)一旦配置好，它們的位置就不再改變，直到網(wǎng)絡(luò)終止，這是使用最廣泛的數(shù)據(jù)分發(fā)。

(2)固定源節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)分發(fā)。用戶(hù)使用如PDA等移動(dòng)設(shè)備在感知區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，通過(guò)查詢(xún)?cè)垂?jié)點(diǎn)來(lái)獲取有關(guān)對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)或近來(lái)目標(biāo)活動(dòng)的概況。

(3)移動(dòng)源節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)分發(fā)?？捎糜诒O(jiān)測(cè)和跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 數(shù)據(jù)分發(fā)方案

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)，而有效、可靠的數(shù)據(jù)分發(fā)關(guān)鍵在于建立數(shù)據(jù)傳輸路徑。設(shè)計(jì)能量有效的數(shù)據(jù)分發(fā)方案可以?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，減少節(jié)點(diǎn)能量的消耗和網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高數(shù)據(jù)傳輸性能，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。近年來(lái)，許多研究者注意到了數(shù)據(jù)分發(fā)的重要性，并提出了許多數(shù)據(jù)分發(fā)方案，其中具有代表性的有以下幾種。

2.1基于外部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分發(fā)方案(External Storage-baseddata dissemination scheme，ES)

這是使用最廣泛的一種方案，它依賴(lài)于一個(gè)位于傳感器網(wǎng)絡(luò)外部的集中式基站，該基站用于收集和存儲(chǔ)感知數(shù)據(jù)。這種方案必須把源節(jié)點(diǎn)的所有感知數(shù)據(jù)通過(guò)泛洪傳送給基站，用戶(hù)通過(guò)查詢(xún)基站來(lái)獲取數(shù)據(jù)。但當(dāng)查詢(xún)過(guò)多時(shí)，ES數(shù)據(jù)分發(fā)方案將非常低效。

2.2基于數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分發(fā)方案(Data-Centric Stor-age-based data dissemination scheme，DCS)

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到事件的感知數(shù)據(jù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播感知數(shù)據(jù)的描述信息，感興趣的節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的請(qǐng)求給源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)才向請(qǐng)求者發(fā)送數(shù)據(jù)信息，接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)再向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播消息，如此重復(fù)，使所有節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)接收到任何數(shù)據(jù)。因此，事件的感知數(shù)據(jù)可能被存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部源節(jié)點(diǎn)上。但不管什么查詢(xún)，數(shù)據(jù)都使用預(yù)定義的方式傳送。這種方案缺乏適應(yīng)性，并且在查詢(xún)率較低時(shí)，可能會(huì)引起很多不必要的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3基于本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分發(fā)方案(Local Storage-baseddata dissemination scheme，LS)

源節(jié)點(diǎn)只有收到sink節(jié)點(diǎn)的查詢(xún)時(shí)，才發(fā)送數(shù)據(jù)給sink節(jié)點(diǎn)，這樣可以避免傳輸不必要的感知數(shù)據(jù)。這種方案需要建立一個(gè)sink-source的匹配機(jī)制，使sink節(jié)點(diǎn)容易找到持有所需數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)，大多數(shù)采用的匹配機(jī)制遵循flood-response模式，需要在網(wǎng)絡(luò)中泛洪某些控制消息。比如，在DirectedDiffusion(DD)中，sink節(jié)點(diǎn)把查詢(xún)泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，沿途節(jié)點(diǎn)按需對(duì)各查詢(xún)進(jìn)行緩存，并根據(jù)查詢(xún)計(jì)算梯度，使具有被請(qǐng)求數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)知道把數(shù)據(jù)發(fā)送到什么位置。而在Two-TierData Dissemination(TTDD)中，由監(jiān)測(cè)到某個(gè)事件發(fā)生的源節(jié)點(diǎn)以自身作為網(wǎng)格的一個(gè)分發(fā)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)格，sink節(jié)點(diǎn)在本地發(fā)送泛洪查詢(xún)請(qǐng)求到最近的分發(fā)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近的分發(fā)節(jié)點(diǎn)，直到把查詢(xún)請(qǐng)求發(fā)送到該源節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)再反向傳送到sink節(jié)點(diǎn)。LS數(shù)據(jù)分發(fā)方案由于需要大范圍的網(wǎng)絡(luò)泛洪，可能會(huì)引起嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)阻塞和大量的能量消耗。

2.4多級(jí)數(shù)據(jù)分發(fā)方案(Multi-Resolution data dissemination scheme，MR)

這是綜合LS和DCS數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)的一種數(shù)據(jù)分發(fā)方案，其基本思想是在數(shù)據(jù)源中選擇一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)，代表數(shù)據(jù)源中所有源節(jié)點(diǎn)在最近的注冊(cè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行注冊(cè)，sink節(jié)點(diǎn)把查詢(xún)發(fā)送到所有注冊(cè)節(jié)點(diǎn)上，從注冊(cè)節(jié)點(diǎn)再把查詢(xún)發(fā)送到所有匹配的頭節(jié)點(diǎn)，當(dāng)頭節(jié)點(diǎn)收到查詢(xún)后，使用局部節(jié)點(diǎn)選擇算法在數(shù)據(jù)源內(nèi)選擇一組節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)。由于sink節(jié)點(diǎn)的位置包含在它分派的查詢(xún)中，查詢(xún)節(jié)點(diǎn)可以直接把感知數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。這種數(shù)據(jù)分發(fā)方案避免了查詢(xún)泛洪，能有效減少能量消耗，而且通過(guò)減少冗余數(shù)據(jù)的分發(fā)進(jìn)一步達(dá)到節(jié)省能量的作用。但是在數(shù)據(jù)源中只是基于感知范圍參數(shù)來(lái)選擇查詢(xún)節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的分布情況。

2.5基于索引的數(shù)據(jù)分發(fā)方案(Index-based Data DisseminationScheme，IDDS)

為了克服以上幾種數(shù)據(jù)分發(fā)方案存在的問(wèn)題，提出了基于索引的數(shù)據(jù)分發(fā)方案。在這種方案中，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)某對(duì)象的源節(jié)點(diǎn)定期產(chǎn)生有關(guān)該監(jiān)測(cè)對(duì)象的感知數(shù)據(jù)，并把感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(storing nodes)3：，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可能是該源節(jié)點(diǎn)，也可能是鄰近的某個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的位置信息，稱(chēng)為索引(Index)，要增加到與監(jiān)測(cè)對(duì)象有關(guān)聯(lián)的某些節(jié)點(diǎn)上，這些節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為索引節(jié)點(diǎn)(Index nodes)，并在索引節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，要改變相應(yīng)的監(jiān)測(cè)源節(jié)點(diǎn)。但是，新的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)仍然使用原來(lái)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)保存感知數(shù)據(jù)，直到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)離存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)，才選擇新的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)選擇了一個(gè)新的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)時(shí)，原來(lái)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處理以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)匯總數(shù)據(jù)，發(fā)送給新的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。如果不匯總以前的數(shù)據(jù)，新的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可以使用一個(gè)指針指向原來(lái)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，這樣，從當(dāng)前存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)也可以訪(fǎng)問(wèn)以前的數(shù)據(jù)。并且，新的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)也應(yīng)在與該監(jiān)測(cè)對(duì)象有關(guān)的索引節(jié)點(diǎn)上注冊(cè)它的索引。

當(dāng)sink節(jié)點(diǎn)想查詢(xún)某個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的感知數(shù)據(jù)時(shí)，就發(fā)送一個(gè)查詢(xún)消息給與監(jiān)測(cè)對(duì)象有關(guān)的索引節(jié)點(diǎn)，索引節(jié)點(diǎn)收到該消息后轉(zhuǎn)發(fā)該請(qǐng)求給相應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，由存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送查詢(xún)結(jié)果給sink節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)只有接收到sink節(jié)點(diǎn)的查詢(xún)時(shí)，才發(fā)送數(shù)據(jù)給sink節(jié)點(diǎn)。其基本思想如圖2所示。這種數(shù)據(jù)分發(fā)方案避免了發(fā)送不需要的感知數(shù)據(jù)，也不需要把控制信息泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，改善了整個(gè)系統(tǒng)的性能，但是增加了維護(hù)索引節(jié)點(diǎn)的額外費(fèi)用。

3 數(shù)據(jù)分發(fā)方案的比較

根據(jù)上一節(jié)的說(shuō)明和分析，表1對(duì)以上5種數(shù)據(jù)分發(fā)方案的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和比較。方案特點(diǎn)包括：是否建立最佳數(shù)據(jù)分發(fā)路徑；是否存在影響數(shù)據(jù)分發(fā)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；是否支持sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)；是事件驅(qū)動(dòng)、查詢(xún)驅(qū)動(dòng)還是連續(xù)數(shù)據(jù)分發(fā)；數(shù)據(jù)分發(fā)所需的通信量、計(jì)算量和存儲(chǔ)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，因此，在數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)應(yīng)盡可能地節(jié)能?；诜汉榈姆椒m然簡(jiǎn)單、可靠，但最為耗能。為了降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，己提出了一些能量有效的數(shù)據(jù)分發(fā)方案。本文對(duì)幾種典型的數(shù)據(jù)分發(fā)方案進(jìn)行了說(shuō)明和分析，并歸納、總結(jié)和比較了它們的特點(diǎn)。