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(diǎn)組成。其性能主要局限于傳感器節(jié)點(diǎn)的低電池能量、低計(jì)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(jì)，以獲取節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(jī)制對傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(jī)）間的相互通信，強(qiáng)調(diào)的兩點(diǎn)分別是：“移動”和“點(diǎn)對點(diǎn)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(jī)散布在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取感興趣的探測數(shù)據(jù)。它強(qiáng)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(diǎn)到一點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送方式?！岸帱c(diǎn)”指的是網(wǎng)絡(luò)中探測數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)；“一點(diǎn)”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(diǎn)或者是基站節(jié)點(diǎn)。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(shí)，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(shí)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(diǎn)：

1.能量有限。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，很少考慮節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)問題。而三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，延長整個(gè)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(jì)的重要目標(biāo)，因此，需要考慮節(jié)點(diǎn)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ⅰＨS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(diǎn)有限的存儲資源和計(jì)算資源，使得節(jié)點(diǎn)不能存儲大量的路由信息，不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計(jì)算。在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，如何實(shí)現(xiàn)簡單高效的路由機(jī)制是三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)的隨機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)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(gè)機(jī)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(gè)體現(xiàn)。設(shè)計(jì)者需要針對每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制。

二、三維分布傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)。針對于傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的特點(diǎn)，在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量耗費(fèi)均衡的路由。傳感器節(jié)點(diǎn)的資源有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制要能夠簡單而且高效實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

2.可擴(kuò)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(diǎn)密度不同，造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不同；節(jié)點(diǎn)失敗、新節(jié)點(diǎn)加入以及節(jié)點(diǎn)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(jī)制具有可擴(kuò)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)制具有一定的容錯(cuò)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(diǎn)能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機(jī)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(jì)初衷以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

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

2.Gossiping算法：flooding的一個(gè)變種，從鄰節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.Spin算法：第一個(gè)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(diǎn)，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(fèi)等問題。傳感器節(jié)點(diǎn)僅廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息，當(dāng)有相應(yīng)的請求時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)出發(fā)，建立了覆蓋所有節(jié)點(diǎn)的一顆節(jié)點(diǎn)樹。在選擇路徑時(shí)，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(diǎn)或鏈路失敗時(shí)進(jìn)行路由重計(jì)算需要的過量計(jì)算開銷。為了在每個(gè)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間生成多條路經(jīng)，需要維護(hù)多個(gè)樹結(jié)構(gòu)，每個(gè)樹以落在Sink節(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可能同時(shí)屬于多個(gè)樹，可任選其一將采集數(shù)據(jù)回傳到Sink節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議是第一個(gè)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(shí)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(jī)制之一，因?yàn)閭鞲衅髀酚傻氖滓缶褪歉吣苄АＷ畛踉擃惵酚蓞f(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(diǎn)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(diǎn)具有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息，實(shí)際情況是節(jié)點(diǎn)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(kuò)散模型是Estirn等人專門為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(gè)區(qū)域或者部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

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(kuò)散路由，需要經(jīng)過查詢信息的泛洪傳播和路徑增強(qiáng)機(jī)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)?；舅枷胧鞘录^(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息沿隨機(jī)路徑向外擴(kuò)散廣播，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿著隨機(jī)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(shí)，就會形成一條匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通常需要獲得事件區(qū)域節(jié)點(diǎn)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(diǎn)假設(shè)節(jié)點(diǎn)知道自己的地理位置信息，以及目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)按照一定策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯 史玉英）endprint