无线传感器网络路由专利申请分析

董玉慧　何芳玉　纪云

【摘要】 无线传感器网络路由技术中，由于硬件和能量条件的限制，提高数据传输可靠性、均衡网络能耗等研究一直是其研究热点，也是制约无线传感器网络产业应用的关键技术。本文针对目前无线传感器网络路由技术的几类研究方向出发，梳理了路由技术在专利申请方面的研究进展。

【关键词】 无线传感器网络 能量 路由 专利

一、 引言

无线传感器网络（WSNs）是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线通信形成的一个多跳的自组织网络系统，这些传感器在在微小体积内通常集成了信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，它可以实现协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者，从而实现用户对目标区域的感知。目前，WSNs已被广泛应用于军事、工业、家庭、医疗健康和环境监测等诸多领域，传感器节点采集到的数据需要及时、可靠地传输给用户，其直接影响到用户的感知能力，因此，本文将主要关注用于实现数据传输的WSNs路由技术在专利申请方面的研究进展。

二、 WSNs路由技术简介

无线传感器网络中，由于受硬件和能量条件限制，节点之间往往无法直接通信，通常需要借助中间节点以多跳方式将数据传送到目的节点，通常，路由协议就是指将数据包从源节点通过可用的路径发送到目标节点。无线传感器网络具有规模大、能量受限、以数据为中心、与应用环境相关等特征，单一的路由协议不能适用于各种应用环境，因此设计出多种路由协议，根据这些路由协议所采用的网络结构或对各种特征的敏感度不同，可以将其分成不同类型，如分簇、能量感知、多路径等路由协议。

三、WSNs路由技术发展路线

在这一章节我们将会结合技术发展路线来详细介绍各技术分支的提出的背景及各技术分支的工作原理及其优缺点。

图1 WSNS路由技术发展路线图

能耗一直是WSNs路由技术研究的重点，传感器节点的能量主要消耗在信息感知、数据处理和互相通信这三方面，，基于能量感知的路由以及分簇路由就是为了使整个网络的能耗均衡，延长网络寿命。而且根据传感器节点各部分能量消耗情况可知，通信消耗的能量远远大于其它过程所消耗的能量，处于睡眠状态时节点所消耗的能量最小，如果节点在没有数据需要传输时能够迅速转入睡眠状态，就能节省很多不必要的能耗，因此提出了关于睡眠调度机制的专利申请。

随着无线多媒体传感器网络（WMSNs）的提出，为了实现在满足QoS情况下最小化能耗的目的，出现了针对WMSNs的基于QoS路由技术的专利申请。而且对WMSNs来说，传统的单路径路由协议有着难以改善的缺点，例如带宽受限、存在一定的传输延迟而不能保证视频服务质量，因此提出了改善上述缺陷的多路径路由方面的专利申请。

另外，随着通信技术的发展越来越迅速，研究者们研发出了一类新型的传感器节点，若将它们应用在水下环境中，则可构成水下传感器网络。由于水下环境的复杂性，要求其路由协议具有良好的鲁棒性能，原来适用于陆地传感器网络的路由协议无法直接应用于水下环境中，因此出现了针对水环境的UASNs的路由协议的设计，如图1中的CN103298055A、CN103297339A以及CN103686925A等申请。

最后，从图1可以看出，安全路由也是WSNs路由技术的一种重要分支，这是由于WSNs被广泛应用于许多领域来处理敏感的信息，应用场景包括军事、工业、家庭、医疗健康和环境监测等领域，采用有效的密钥管理技术、信任管理等增加安全机制的方法，以应对面临的安全威胁问题。下面将详细介绍图1中所示的各路由分支的工作原理：

（1）能量感知路由：該类路由根据节点的可用能量或传输路径上的能量要求，选择数据转发的路径，重点在于最优能量消耗路径以及延长网络生命周期等。其策略主要有最大剩余能量路由、最小能耗路由、最少跳数路由和最小剩余能量路由四种。（2）分簇路由：与平面路由中节点之间处于平等的关系不同，分簇路由中选择某些特定的节点作为簇头节点组成小范围的骨干网，而各个簇头又构建自身的子网，并且负责子网与外网之间的通信，即保证了网络的连通，又能够节省大量的节点能量，适用于大规模的WSNs，由于簇内节点能够长时间关闭通信模块减少能量消耗，所以能够显著延长网络的生命周期。（3）基于地理位置信息路由：假定传感器节点能够知道自身地理位置或者计算得到自身地理位置，节点的地理位置信息可以用来改善一些已有的路由算法的性能，比如将感知数据或者查询请求发送到指定方向从而减少泛洪带来的数据无效传输的问题，也可以直接使用地理位置信息来实现路由。（4）基于QoS的路由：实现路由发现和维护的同时，还力求满足网络的QoS需求。一些协议在建立路由路径的同时，还考虑节点的剩余能量、每个数据包的优先级、估计端到端的时延，从而为数据包选择一条最合适的发送路线。（5）多路径路由：将源节点到目标节点之间的单一的一条路径扩充到多条路径，并可以根据需要选择如何使用这些路径。可以选用多条路径并发传输如图1中的申请CN 101895952A或从多条好的路径选择单条最好的路径来传输数据如图1中的申请CN101442787A，以提高传输可靠性和实现负载均衡。（6）基于睡眠调度路由：让各个传感器节点之间轮换进行工作，使得节点在需要的时候工作，不需要的时间睡眠，整个过程仍然保证网络的连通性，能够很大程度上降低网络能量消耗。