董玉慧　何芳玉　紀云

【摘要】 無線傳感器網(wǎng)絡路由技術中，由于硬件和能量條件的限制，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、均衡網(wǎng)絡能耗等研究一直是其研究熱點，也是制約無線傳感器網(wǎng)絡產業(yè)應用的關鍵技術。本文針對目前無線傳感器網(wǎng)絡路由技術的幾類研究方向出發(fā)，梳理了路由技術在專利申請方面的研究進展。

【關鍵詞】 無線傳感器網(wǎng)絡 能量 路由 專利

一、 引言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點通過無線通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，這些傳感器在在微小體積內通常集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能，它可以實現(xiàn)協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者，從而實現(xiàn)用戶對目標區(qū)域的感知。目前，WSNs已被廣泛應用于軍事、工業(yè)、家庭、醫(yī)療健康和環(huán)境監(jiān)測等諸多領域，傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)需要及時、可靠地傳輸給用戶，其直接影響到用戶的感知能力，因此，本文將主要關注用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤SNs路由技術在專利申請方面的研究進展。

二、 WSNs路由技術簡介

無線傳感器網(wǎng)絡中，由于受硬件和能量條件限制，節(jié)點之間往往無法直接通信，通常需要借助中間節(jié)點以多跳方式將數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點，通常，路由協(xié)議就是指將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點通過可用的路徑發(fā)送到目標節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡具有規(guī)模大、能量受限、以數(shù)據(jù)為中心、與應用環(huán)境相關等特征，單一的路由協(xié)議不能適用于各種應用環(huán)境，因此設計出多種路由協(xié)議，根據(jù)這些路由協(xié)議所采用的網(wǎng)絡結構或對各種特征的敏感度不同，可以將其分成不同類型，如分簇、能量感知、多路徑等路由協(xié)議。

三、WSNs路由技術發(fā)展路線

在這一章節(jié)我們將會結合技術發(fā)展路線來詳細介紹各技術分支的提出的背景及各技術分支的工作原理及其優(yōu)缺點。

圖1 WSNS路由技術發(fā)展路線圖

能耗一直是WSNs路由技術研究的重點，傳感器節(jié)點的能量主要消耗在信息感知、數(shù)據(jù)處理和互相通信這三方面，，基于能量感知的路由以及分簇路由就是為了使整個網(wǎng)絡的能耗均衡，延長網(wǎng)絡壽命。而且根據(jù)傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況可知，通信消耗的能量遠遠大于其它過程所消耗的能量，處于睡眠狀態(tài)時節(jié)點所消耗的能量最小，如果節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)需要傳輸時能夠迅速轉入睡眠狀態(tài)，就能節(jié)省很多不必要的能耗，因此提出了關于睡眠調度機制的專利申請。

隨著無線多媒體傳感器網(wǎng)絡（WMSNs）的提出，為了實現(xiàn)在滿足QoS情況下最小化能耗的目的，出現(xiàn)了針對WMSNs的基于QoS路由技術的專利申請。而且對WMSNs來說，傳統(tǒng)的單路徑路由協(xié)議有著難以改善的缺點，例如帶寬受限、存在一定的傳輸延遲而不能保證視頻服務質量，因此提出了改善上述缺陷的多路徑路由方面的專利申請。

另外，隨著通信技術的發(fā)展越來越迅速，研究者們研發(fā)出了一類新型的傳感器節(jié)點，若將它們應用在水下環(huán)境中，則可構成水下傳感器網(wǎng)絡。由于水下環(huán)境的復雜性，要求其路由協(xié)議具有良好的魯棒性能，原來適用于陸地傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議無法直接應用于水下環(huán)境中，因此出現(xiàn)了針對水環(huán)境的UASNs的路由協(xié)議的設計，如圖1中的CN103298055A、CN103297339A以及CN103686925A等申請。

最后，從圖1可以看出，安全路由也是WSNs路由技術的一種重要分支，這是由于WSNs被廣泛應用于許多領域來處理敏感的信息，應用場景包括軍事、工業(yè)、家庭、醫(yī)療健康和環(huán)境監(jiān)測等領域，采用有效的密鑰管理技術、信任管理等增加安全機制的方法，以應對面臨的安全威脅問題。下面將詳細介紹圖1中所示的各路由分支的工作原理：

（1）能量感知路由：該類路由根據(jù)節(jié)點的可用能量或傳輸路徑上的能量要求，選擇數(shù)據(jù)轉發(fā)的路徑，重點在于最優(yōu)能量消耗路徑以及延長網(wǎng)絡生命周期等。其策略主要有最大剩余能量路由、最小能耗路由、最少跳數(shù)路由和最小剩余能量路由四種。（2）分簇路由：與平面路由中節(jié)點之間處于平等的關系不同，分簇路由中選擇某些特定的節(jié)點作為簇頭節(jié)點組成小范圍的骨干網(wǎng)，而各個簇頭又構建自身的子網(wǎng)，并且負責子網(wǎng)與外網(wǎng)之間的通信，即保證了網(wǎng)絡的連通，又能夠節(jié)省大量的節(jié)點能量，適用于大規(guī)模的WSNs，由于簇內節(jié)點能夠長時間關閉通信模塊減少能量消耗，所以能夠顯著延長網(wǎng)絡的生命周期。（3）基于地理位置信息路由：假定傳感器節(jié)點能夠知道自身地理位置或者計算得到自身地理位置，節(jié)點的地理位置信息可以用來改善一些已有的路由算法的性能，比如將感知數(shù)據(jù)或者查詢請求發(fā)送到指定方向從而減少泛洪帶來的數(shù)據(jù)無效傳輸?shù)膯栴}，也可以直接使用地理位置信息來實現(xiàn)路由。（4）基于QoS的路由：實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)和維護的同時，還力求滿足網(wǎng)絡的QoS需求。一些協(xié)議在建立路由路徑的同時，還考慮節(jié)點的剩余能量、每個數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級、估計端到端的時延，從而為數(shù)據(jù)包選擇一條最合適的發(fā)送路線。（5）多路徑路由：將源節(jié)點到目標節(jié)點之間的單一的一條路徑擴充到多條路徑，并可以根據(jù)需要選擇如何使用這些路徑?？梢赃x用多條路徑并發(fā)傳輸如圖1中的申請CN 101895952A或從多條好的路徑選擇單條最好的路徑來傳輸數(shù)據(jù)如圖1中的申請CN101442787A，以提高傳輸可靠性和實現(xiàn)負載均衡。（6）基于睡眠調度路由：讓各個傳感器節(jié)點之間輪換進行工作，使得節(jié)點在需要的時候工作，不需要的時間睡眠，整個過程仍然保證網(wǎng)絡的連通性，能夠很大程度上降低網(wǎng)絡能量消耗。