分裂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議綜述

袁婧

[摘 要]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于節(jié)點能量與通信距離的限制以及節(jié)點受到惡劣天氣與環(huán)境變化等因素的影響,節(jié)點間的通信會出現(xiàn)間隔性,甚至直接導(dǎo)致分裂網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生。本文在介紹分裂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,對解決分裂網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或區(qū)域間通信問題的路由算法進(jìn)行了綜述,著重介紹了一些具有代表性的路由協(xié)議。

[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)分裂 路由協(xié)議

引言

隨著傳感技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信等各類技術(shù)的進(jìn)步,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)也得到快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由成千上萬個微小傳感器節(jié)點所組成的一種特殊的無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc網(wǎng)絡(luò))[1]。這些體積微小的傳感器具有傳感、數(shù)據(jù)處理和短距離無線通信等多種功能,可以輕松的實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們的信息獲取能力,為人們提供最直接、最有效、最真實的信息[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣泛,目前主要運(yùn)用在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市交通、空間探索、智能家居、災(zāi)難救援等多個領(lǐng)域。

一、分裂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

理想的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)是所有節(jié)點都處于可連通的狀態(tài),大部分經(jīng)典路由算法也是基于這一假設(shè)所提出的。但是當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入到實際應(yīng)用中之后,由于傳感節(jié)點的能量和通信距離的限制、以及受到惡劣天氣與環(huán)境等其它因素的影響,節(jié)點間的通信會出現(xiàn)間隔性,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)間斷性連通,或者直接導(dǎo)致分裂網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生。所謂分裂網(wǎng)絡(luò)就是指一個網(wǎng)絡(luò)由于某種原因被迫分裂為兩個或兩個以上相互間無法通信的子網(wǎng)絡(luò),某一子網(wǎng)中的任一節(jié)點都無法與另一子網(wǎng)中的節(jié)點交換信息。適用于分裂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議所要解決的問題就是在網(wǎng)絡(luò)的正常通信因為一些原因被阻斷的情況下找到合適的傳輸路徑,以便有效地將報文傳送到目的地。

(一)基于消息復(fù)制的路由協(xié)議

這類路由算法的主要思想就是在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)通信機(jī)會時采用信息復(fù)制的方式來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包到某個無直接通信鏈路的目的節(jié)點時,它會復(fù)制多個副本傳送給它的鄰居節(jié)點。這種路由策略通過提高數(shù)據(jù)包的冗余度來增加端到端傳輸?shù)某晒Ω怕?降低傳輸延遲時間。傳染路由算法(Epidemic Routing)[3]和Spray-and-Wait算法[4]是最具代表性的基于洪泛方式的路由算法。

傳染路由算法引入了同步復(fù)制數(shù)據(jù)庫的技術(shù)來解決間斷性連通網(wǎng)絡(luò)的路由問題。算法規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點相遇時都相互交換各自攜帶的信息。用這種路由策略傳輸信息的好處是完全不需要預(yù)知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?就可確保信息到達(dá)目的節(jié)點,但是由于一些不必要的信息復(fù)制,大量的網(wǎng)絡(luò)資源被浪費(fèi)。Spray-and-Wait算法對傳染路由算法進(jìn)行了改進(jìn),它預(yù)先限定網(wǎng)絡(luò)中的報文副本數(shù)量,在傳輸過程中只進(jìn)行有限次的復(fù)制,提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。Spray-and-Wait算法主要包括數(shù)據(jù)包的“噴灑”(spray)和“等待”(wait)兩個階段。

(二)基于節(jié)點移動的路由協(xié)議

這類路由策略通常在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置個別可以主動移動的特殊節(jié)點,這些特殊節(jié)點可以控制自身的移動方向和速度,按照預(yù)定的路線在互相無法通信的節(jié)點或區(qū)域間移動,以“存儲攜帶轉(zhuǎn)發(fā)”的報文傳輸模式工作。近年來,國內(nèi)外學(xué)者在將可管理的移動節(jié)點引入分裂網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集這一類路由算法上作了一些有益的探索。其中具有代表性的是信息擺渡算法(Message Ferrying)[6]和信息數(shù)據(jù)騾(Data Mules)算法。

Wenrui Zhao等人在文獻(xiàn)[5]中提出的“信息擺渡”方法將可控制的擺渡節(jié)點(ferry)引入高分裂網(wǎng)絡(luò)之中,在節(jié)點固定情況下,ferry按固定路線勻速行走為節(jié)點間提供正常的通信。文獻(xiàn)[6]提出了節(jié)點主動MF方案(NIMF)和ferry主動MF方案(FIMF)兩種機(jī)制來控制該擺渡節(jié)點的移動路線,協(xié)助報文傳輸。文獻(xiàn)[7]考慮了多個擺渡節(jié)點的網(wǎng)絡(luò),以滿足流量需求且傳輸延遲最小為優(yōu)化目標(biāo),提出了計算擺渡節(jié)點最優(yōu)移動路線的算法。文獻(xiàn)[8]則提出了一個被稱為OPWP(optimized way-point)的擺渡節(jié)點路由算法,不需要擺渡節(jié)點與其他普通節(jié)點進(jìn)行任何的在線合作即可確定其路由。文獻(xiàn)[9]將消息擺渡模式引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò),利用ferry來收集分區(qū)緩存信息,其主要研究內(nèi)容是通過采用節(jié)能方法讓節(jié)點經(jīng)濟(jì)使用電池以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

二、結(jié)束語

對分裂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究尚處于起步階段,其中仍有許多的問題和挑戰(zhàn)等待解決。通過對現(xiàn)有成果的分析和總結(jié),我們可以認(rèn)為未來的研究熱點和趨勢:(1)復(fù)制策略將往智能復(fù)制方向發(fā)展,有選擇的復(fù)制傳輸,從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。(2)Ferry路線的優(yōu)化、多ferry路由設(shè)計等方面都將成為信息擺渡策略研究領(lǐng)域的熱點。

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