三维分布传感器网络路由概述

李琳琳

[摘要]三维分布传感器网络由许多具有无线通信能力的低成本、密集部署的传感器节点组成。其性能主要局限于传感器节点的低电池能量、低计算能力以及低存储能力和较小的传输范围，所以传感器网络的路由协议必须慎重设计，以获取节点更高效的通信能力。近年来人们在三维分布传感器网络路由技术上取得了一些成果，提出了很多适合三维分布传感器网络特点的路由协议。分析现有的三维分布传感器网络的路由协议，对其进行归类。介绍几个典型的路由协议及三维分布传感器网络的路由协议算法。

[关键词]三维分布传感器网络；路由协议；算法

一、三维分布传感器网络路由协议

网络数据传输离不开路由协议，而在三维分布传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Intenet技术加上无线Ad-hco网络路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，然而深入的研究表明三维分布传感器网络与Ad-hco网络有着明显的差别。可做以下对比：Ad-hoc与三维分布传感器网络都属于自组织的网络形式。Ad-hco网络的主要特征是自治的移动用户（兼做路由器&主机）间的相互通信，强调的两点分别是：“移动”和“点对点的通信”。而三维分布传感器网络的主要特征是用户通过随机散布在网络中的传感器节点获取感兴趣的探测数据。它强调以数据为中心，且典型的工作方式是不对称的多点到一点的数据传送方式。“多点”指的是网络中探测数据的传感器节点；“一点”指的是负责向网络外传送数据（也可做为用户接入）的Sink节点或者是基站节点。因而在对待研究三维分布传感器网络路由协议的问题时，不能简单地套用Ad-hco网络中多跳的路由协议，而是借鉴继承和发展同时针对与Ad-hco网络的不同之处采取变通的手段以及在其基础上进一步的改善和完善。与传统网络的路由协议相比，三维分布传感器网络的路由协议具有以下特点：

1.能量有限。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量耗费问题。而三维分布传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此，需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡的问题。

2.基于局部拓扑信息。三维分布传感器网络为了节省通信能量，通信常采用多跳的通信模式。而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是三维分布传感器网络的一个基本问题。

3.数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的表示和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点的随机部署，所关注的监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获得的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。

4.应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个机制适应所有的应用，这就是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。

二、三维分布传感器网络路由协议的设计要求

考虑到三维分布传感器网络的应用场景为：大量的无线传感器节点散布在监控区域，因而我们需要一套路由协议用于连接采集数据的传感器节点和Sink节点。针对于传感器网络路由机制的特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：

1.能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量耗费均衡的路由。传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效实现信息传输。

2.可扩展性。在三维分布传感器网络中，监测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。

3.鲁棒性。能量用尽或者环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些三维分布传感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。

4.快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议的开销，提高消息传输的效率。

三、经典路由协议的介绍

针对于不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的路由协议。目前提出的路由方案种类繁多，现简要描绘各路由协议设计初衷以及设计特点：

1.Flooding算法：分布式网络中最经典的一种算法，节点向它的邻节点广播数据。

2.Gossiping算法：flooding的一个变种，从邻节点中随机选择一个进行数据传输。

3.Spin算法：第一个以数据为中心的自适应路由协议。它针对Noding和Gossiping的缺点，提除了协商的思想并增加了对能量的考虑，解决了信息爆炸和资源浪费等问题。传感器节点仅广播采集数据的描述信息，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。SPIN协议中有三种类型的消息即ADV，REQ和DATA。节点用ADV宣布有数据发送，用REQ请求希望接收数据，用DATA封装数据。

4.SAR：SequentialAssi，Mentrouting，该方案从Sink节点出发，建立了覆盖所有节点的一颗节点树。在选择路径时，SAR策略充分考虑了功耗、QOS和分组优先权等特殊要求，采用局部路径恢复和多路径备份策略，避免节点或链路失败时进行路由重计算需要的过量计算开销。为了在每个节点与Sink节点间生成多条路经，需要维护多个树结构，每个树以落在Sink节点有效传输半径内的节点为根向外生长，枝干的选择需满足一定QOS要求并要有一定的能量储备。这一处理使大多数传感器节点可能同时属于多个树，可任选其一将采集数据回传到Sink节点。该协议是第一个具有QOS意识的路由协议，采用基于路由表驱动的多路径方式实现网络的节能和健壮性。endprint

5.能量感知路由：能量感知路由应该是最早提出的传感器路由机制之一，因为传感器路由的首要要求就是高能效。最初该类路由协议基本思想类似于通信网理论中对传统网络求最优路径的思想，即根据节点的可用能量或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径。此协议要求节点具有整个网络的信息，实际情况是节点只能获取局部信息，因此上述能量路由方法只是理想情况下的路由策略。

6.基于查询的路由：区别于传感器全网主动收集数据发布信息的一种被动式路由，即由网络外部发起对网络内部信息查询的一种应用型路由。主要有以下两种：

Directed Diffusion：定向扩散模型是Estirn等人专门为传感器网络设计的路由策略，是一种基于查询应用的路由协议。汇聚节点通过兴趣消息发出查询任务，采用泛洪方式传播兴趣信息到整个区域或者部分区域内的所有传感器节点。兴趣消息用来表示查询的任务，表达网络用户对监测区域内感兴趣的信息。在兴趣消息的传播过程中，协议逐步地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度。传感器节点将采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点。

Rumorortuin：Bouils等人提出的谣传路由，针对于数据传输量较少或者已知事件领域。如果采用定向扩散路由，需要经过查询信息的泛洪传播和路径增强机制才能确定一条优化的数据传输路径。因此这种路由适合于数据传输量较小的传感器网络。基本思想是事件区域中的传感器节点产生代理消息，代理消息沿随机路径向外扩散广播，同时汇聚节点发送的查询消息也沿着随机路径在网络中传播。当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时，就会形成一条汇聚节点到事件区域完整的路径。

7.地理位置路由：针对于一些特定应用，如森林防火场景下节点通常需要获得事件区域节点的位置信息来能保证采集的数据有意义。因此，地理位置节点假设节点知道自己的地理位置信息，以及目的节点或者目的区域的地理位置，利用这些地理位置信息作为路由选择的依据，节点按照一定策略转发数据到目的节点。

参考文献：

[1]肖永康，山秀明，任勇.无线Ad Hoe网络及其研究难点[J].电信科学，2002（06）.

[2]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

（责任编辑 史玉英）endprint