星地传感网QoS路由机制研究进展

（安徽农业大学信息与计算机学院，安徽 合肥230036）

天地一体化的星地无线传感器网络能够全方位收集数据，可广泛应用于生态环境保护、林业防火监测和地震等各种突发灾害评估与救援等领域[1-2]。业已部署星地传感网的空间段网络大多由运行在静止轨道面的卫星组成，对地面网关要求较高。为满足立体化、实时监测的需求，空间段网络正从传统的静止轨道布网转向低轨道面或多层轨道面混合组网。较低的轨道高度极大地降低了链路传播时延，网关复杂度和功耗要求明显降低，使得星地传感网大规模部署成为可能。然而，卫星高速运行造成的拓扑不稳定以及所有网络节点能力受限，使得QoS（Quality of Service，服务质量）路由机制面临着巨大挑战，直接影响着星地传感网系统的有效实现。

星地传感网路由机制具有较强前瞻性，公开报道的研究成果不多。而传统卫星网和地面无线传感器网络路由机制已经得到了的广泛研究，星地传感网作为两者相结合的产物，路由机制方面必然存在一些共性问题。下面，笔者综述传统卫星网与地面无线传感器网络的组网技术和QoS路由协议研究进展，在此基础上探讨星地传感网QoS路由机制的未来研究方向。

1 星地传感网路由机制的特点

星地传感网具有如图1所示的体系结构，由运行在低轨道（Low Earth Orbit，LEO）、中轨道（Medium Earth Orbit，MEO）和静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）平面上配备传感器的小卫星构成空间段传感网络；地面段网络呈2层异构，上层是单跳可达接入卫星的网关组成的网络，下层是由众多传感器节点构成的无线传感器网络。地面传感器节点较为廉价，但计算、存储能力受限，能量补充困难；网关成本较高，计算、存储能力较强，能直接与卫星通信，可使用太阳能充电。

图1 星地传感网体系结构

对于大规模星地网络，天地一体化集成路由非常困难。将空间段网络与地面段网络区分对待，网关间通过一种协作模式收集地面传感器数据并传送到卫星节点，空间段星际网络负责感知空间信息并将来自于其他卫星和地面网关的数据转发至数据中心。各网关根据卫星覆盖情况选择接入卫星，网关与卫星间的通信距离、传输能耗基本相同，这与传统无线传感网有着显著差异。星地传感网路由机制的研究难点在于星地链路切换频繁使得网络拓扑动态变化、星际链路高传播时延使得数据传输实时性保证难度增大和网元节点能力受限要求路由机制简洁有效。作为传统卫星网和地面无线传感网的最新发展形式，星地传感网与上述两者既有相似之处，又存在明显区别。通过分析相关传统网络路由机制的研究情况，有助于更加系统准确地把握星地传感网路由机制的研究方向。

2 空间段卫星网QoS路由机制

目前对空间段卫星网QoS路由机制的研究主要集中在卫星组网技术和卫星网QoS路由协议2个方面。

2.1 卫星组网技术

LEO卫星网通常采用极轨道星座或Walker星座[3]。极轨道星座中轨道面倾角接近于90°，所有卫星均匀分布到若干经过极地区域的轨道面上。Walker星座的轨道面倾角远小于90°，卫星在空间的分布较为均匀，具有较好的覆盖性能。为了克服LEO卫星网络规模庞大的缺点，可以构建多层卫星网，即利用层间星际链路建立多层卫星网，MEO／GEO卫星构成骨干，LEO卫星提供地面终端／网关接入，由此实现业务支持的多样性和骨干传输的可靠性。虽然多层卫星网能发挥不同轨道卫星的优势，但天线对准与跟踪技术的限制使得多层卫星空中直接组网存在诸多困难。根据应用需求以及相关配套技术的成熟程度，合理设计多层星座轨道参数，发挥LEO的低星地传播时延、MEO／GEO长距离传输的优势，使其满足星地传感网的应用需求是未来的研究重点。

2.2 卫星网QoS路由协议

根据实现策略，现有卫星网QoS路由协议包括降低切换次数协议[4-5]、面向流量平衡协议[6-7]和最小路径代价协议[8]。降低切换次数协议具有较强的切换处理能力，其中概率路由协议[4]不使用在呼叫生存期内或卫星切换发生前可能经历链路切换星际链路，但存在呼叫阻塞率较高的问题。Chen[5]使用传播时延和链路连通概率评估星际路由代价，发现其流量变化适应能力不足。面向流量平衡的协议通过改进拥塞避免能力来提高路由性能，肖甫等[6]定义链路剩余带宽和传输时延的综合函数为链路初始权重，通过动态调整链路权重及延期选用实现流量工程，但没能解决标记交换路径的维护开销问题；基于优化算法的QoS路由[7]没有考虑信令开销，且运行结果不稳定。带宽约束最小时延路由协议[8]使用最短路径算法计算路由，其计算和信令开销很高。总之，由于针对某些特殊情况进行设计，业已提出的路由协议仅在某一方面表现出较好的特性，但整体性能差强人意，其根本原因在于卫星覆盖区域的变化和星际链路的非持续可用。由于呼叫的时长与终端位置的随机性，通信过程中的切换很难避免。卫星网络拓扑变化具有周期性和可预见性，承载流量与所处地理位置密切相关，因而可以从利用结合网络拓扑变化特点和地面流量分布特征降低路由计算与信令开销、设计良好切换处理机制提高鲁棒性等方面开展深入研究。

3 地面段无线传感网QoS路由机制

大规模星地传感网中，部署成本的限制使得普通传感器节点与卫星间的通信必须通过地面网关中转（见图1），地面网关与传统无线传感器网络的中继节点(Relay Node，RN）在网络中发挥的作用相同，都负责收集传感器数据并向上层网络节点转发。传统无线传感器网络中普遍存在的部分节点能量过早消耗而形成的能量空洞现象是制约QoS路由有效性的主要瓶颈，为此许多QoS路由协议通过融入更多能量因素来提高服务质量。由于星地传感网中地面段网络规模较大且需要长期免维护工作，因而在研究中需要更多关注能量利用率，尽可能使总能量消耗小且剩余能量分布均匀。

3.1 双层组网的RN节点选址分析

Tang等[9]假设RN节点覆盖半径为普通传感器节点的4倍，将大规模传感器网络中RN选址抽象为RN连接保证的单重覆盖问题，旨在实现传感器节点1跳可达至少1个RN节点且RN节点间连通。为提高容错性，又使用解析几何理论求解RN节点双重连接的双重覆盖问题，保证传感器节点1跳可达至少2个RN节点且RN节点间2重连通。Han等[10]研究了传感器覆盖半径异构网络的RN节点选址与连通问题，假设传感器节点覆盖半径不同、RN节点覆盖半径相同，通过近似求解和启发式方法求解选址最小数量的RN节点在每对传感器、RN节点间建立k（k-1）条不相交的路径、选址最小数量的RN节点在每对传感器间建立k（k-1）条不相交的路径。Abbasi等[11]提出RN失效场景下通过备用RN的移动来维持连通，在网络正常时事先选择故障恢复启动节点，故障发生时，由启动节点负责维护连通。

现有的选址方案通常考虑RN节点对传感器1跳覆盖，RN节点呈高密度分布，但部署成本较高，这使得现有的RN节点选址理论和方法不能直接用于指导星地传感网中地面网关选址。传统无线传感器网络中，RN节点与Sink节点间通信能耗差异较大，为了可靠地交付数据，需要全网RN间连通，甚至多重连通。星地传感网中星地通信能耗基本相同，较为经济的方法是选出少量地面网关承担星地间数据传输任务，从而使得不需要全网地面网关连通。因此，今后研究的重点是根据网关分布、星地传输能耗等因素来确定地面网关的组网策略与星地通信网关的选取。

3.2 能量有效QoS路由协议分析

根据能量平衡策略，将传统地面无线传感器网络中QoS路由协议分为3类，即平面、均匀分簇和非均匀分簇路由协议。平面路由协议在选路由过程中融入剩余能量因素，但跳数较多、网络整体能量使用率不高，可扩展性受限。均匀分簇路由协议便于数据聚合，较少的跳数减少了传输能耗，但由于簇头与Sink通信能耗存在差异，因而不同程度地存在能量空洞问题。非均匀分簇协议[12-15]在靠近Sink的区域设置较小的簇半径，在远离Sink区域设置较大的簇半径，从而减少靠近Sink的簇内通信开销，由此节约能量转发簇间数据。因此，非均匀分簇路由协议在均衡全网节点剩余能量分布方面更有优势。Chen等[12]基于节点的最大覆盖半径及其与Sink的距离设计簇头竞争半径，使得簇半径与其到汇聚点距离呈递减关系，从而均衡网络负载、延长网络生存时间。文献 [13]构建Sink为起点的扇形环状簇，以全网能量消耗最小化为目标，求解最优环半径和分簇角度。Lai等[14]假设传感器节点均匀分布在矩形区域，以簇间能量均匀消耗为约束条件求解最优簇数量与簇半径。文献 [15]认为簇头竞争取决于候选簇头及其邻居节点的剩余能量，由此达到节点能量异构场景的能量均衡消耗。

然而，目前的研究仅从网络层角度进行研究，忽视介质访问能耗或简单地将介质访问能耗视为相同。事实上，无线传感器网络能量空洞的形成来源于MAC层、路由协议等多种因素的共同作用。网络环境的理想化使得现有研究对于能量空洞的控制考虑不足，对网络生存时间的研究也不充分。因此，结合网络层、MAC协议建模定位能量空洞并由此提出能量空洞避免策略，是开展星地传感网中地面段无线传感器网络QoS路由协议研究的重要方向。

4 结 语

作为无线传感器网络一种最新的发展形式，星地传感网将信息的收集与供给在空间和时间上最大程度地延伸，有着十分广阔应用范围。由于尚未成熟且与网络体系结构存在差异，传统卫星网和无线传感器网络QoS路由机制不能直接应用于星地传感网中。因此，今后应该从以下方面深入开展星地传感网QoS路由机制的研究：空间段多层星座轨道参数优化；结合网络拓扑变化特点和地面流量分布特征研究低开销、高鲁棒的星际路由协议；地面网关选址、组网及星地通信网关的选取方法；融合非均匀分簇和跨层设计能量有效地面段无线传感网QoS路由协议。

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