星地傳感網QoS路由機制研究進展

（安徽農業大學信息與計算機學院，安徽 合肥230036）

天地一體化的星地無線傳感器網絡能夠全方位收集數據，可廣泛應用于生態環境保護、林業防火監測和地震等各種突發災害評估與救援等領域[1-2]。業已部署星地傳感網的空間段網絡大多由運行在靜止軌道面的衛星組成，對地面網關要求較高。為滿足立體化、實時監測的需求，空間段網絡正從傳統的靜止軌道布網轉向低軌道面或多層軌道面混合組網。較低的軌道高度極大地降低了鏈路傳播時延，網關復雜度和功耗要求明顯降低，使得星地傳感網大規模部署成為可能。然而，衛星高速運行造成的拓撲不穩定以及所有網絡節點能力受限，使得QoS（Quality of Service，服務質量）路由機制面臨著巨大挑戰，直接影響著星地傳感網系統的有效實現。

星地傳感網路由機制具有較強前瞻性，公開報道的研究成果不多。而傳統衛星網和地面無線傳感器網絡路由機制已經得到了的廣泛研究，星地傳感網作為兩者相結合的產物，路由機制方面必然存在一些共性問題。下面，筆者綜述傳統衛星網與地面無線傳感器網絡的組網技術和QoS路由協議研究進展，在此基礎上探討星地傳感網QoS路由機制的未來研究方向。

1 星地傳感網路由機制的特點

星地傳感網具有如圖1所示的體系結構，由運行在低軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中軌道（Medium Earth Orbit，MEO）和靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）平面上配備傳感器的小衛星構成空間段傳感網絡；地面段網絡呈2層異構，上層是單跳可達接入衛星的網關組成的網絡，下層是由眾多傳感器節點構成的無線傳感器網絡。地面傳感器節點較為廉價，但計算、存儲能力受限，能量補充困難；網關成本較高，計算、存儲能力較強，能直接與衛星通信，可使用太陽能充電。

圖1 星地傳感網體系結構

對于大規模星地網絡，天地一體化集成路由非常困難。將空間段網絡與地面段網絡區分對待，網關間通過一種協作模式收集地面傳感器數據并傳送到衛星節點，空間段星際網絡負責感知空間信息并將來自于其他衛星和地面網關的數據轉發至數據中心。各網關根據衛星覆蓋情況選擇接入衛星，網關與衛星間的通信距離、傳輸能耗基本相同，這與傳統無線傳感網有著顯著差異。星地傳感網路由機制的研究難點在于星地鏈路切換頻繁使得網絡拓撲動態變化、星際鏈路高傳播時延使得數據傳輸實時性保證難度增大和網元節點能力受限要求路由機制簡潔有效。作為傳統衛星網和地面無線傳感網的最新發展形式，星地傳感網與上述兩者既有相似之處，又存在明顯區別。通過分析相關傳統網絡路由機制的研究情況，有助于更加系統準確地把握星地傳感網路由機制的研究方向。

2 空間段衛星網QoS路由機制

目前對空間段衛星網QoS路由機制的研究主要集中在衛星組網技術和衛星網QoS路由協議2個方面。

2.1 衛星組網技術

LEO衛星網通常采用極軌道星座或Walker星座[3]。極軌道星座中軌道面傾角接近于90°，所有衛星均勻分布到若干經過極地區域的軌道面上。Walker星座的軌道面傾角遠小于90°，衛星在空間的分布較為均勻，具有較好的覆蓋性能。為了克服LEO衛星網絡規模龐大的缺點，可以構建多層衛星網，即利用層間星際鏈路建立多層衛星網，MEO／GEO衛星構成骨干，LEO衛星提供地面終端／網關接入，由此實現業務支持的多樣性和骨干傳輸的可靠性。雖然多層衛星網能發揮不同軌道衛星的優勢，但天線對準與跟蹤技術的限制使得多層衛星空中直接組網存在諸多困難。根據應用需求以及相關配套技術的成熟程度，合理設計多層星座軌道參數，發揮LEO的低星地傳播時延、MEO／GEO長距離傳輸的優勢，使其滿足星地傳感網的應用需求是未來的研究重點。

2.2 衛星網QoS路由協議

根據實現策略，現有衛星網QoS路由協議包括降低切換次數協議[4-5]、面向流量平衡協議[6-7]和最小路徑代價協議[8]。降低切換次數協議具有較強的切換處理能力，其中概率路由協議[4]不使用在呼叫生存期內或衛星切換發生前可能經歷鏈路切換星際鏈路，但存在呼叫阻塞率較高的問題。Chen[5]使用傳播時延和鏈路連通概率評估星際路由代價，發現其流量變化適應能力不足。面向流量平衡的協議通過改進擁塞避免能力來提高路由性能，肖甫等[6]定義鏈路剩余帶寬和傳輸時延的綜合函數為鏈路初始權重，通過動態調整鏈路權重及延期選用實現流量工程，但沒能解決標記交換路徑的維護開銷問題；基于優化算法的QoS路由[7]沒有考慮信令開銷，且運行結果不穩定。帶寬約束最小時延路由協議[8]使用最短路徑算法計算路由，其計算和信令開銷很高。總之，由于針對某些特殊情況進行設計，業已提出的路由協議僅在某一方面表現出較好的特性，但整體性能差強人意，其根本原因在于衛星覆蓋區域的變化和星際鏈路的非持續可用。由于呼叫的時長與終端位置的隨機性，通信過程中的切換很難避免。衛星網絡拓撲變化具有周期性和可預見性，承載流量與所處地理位置密切相關，因而可以從利用結合網絡拓撲變化特點和地面流量分布特征降低路由計算與信令開銷、設計良好切換處理機制提高魯棒性等方面開展深入研究。

3 地面段無線傳感網QoS路由機制

大規模星地傳感網中，部署成本的限制使得普通傳感器節點與衛星間的通信必須通過地面網關中轉（見圖1），地面網關與傳統無線傳感器網絡的中繼節點(Relay Node，RN）在網絡中發揮的作用相同，都負責收集傳感器數據并向上層網絡節點轉發。傳統無線傳感器網絡中普遍存在的部分節點能量過早消耗而形成的能量空洞現象是制約QoS路由有效性的主要瓶頸，為此許多QoS路由協議通過融入更多能量因素來提高服務質量。由于星地傳感網中地面段網絡規模較大且需要長期免維護工作，因而在研究中需要更多關注能量利用率，盡可能使總能量消耗小且剩余能量分布均勻。

3.1 雙層組網的RN節點選址分析

Tang等[9]假設RN節點覆蓋半徑為普通傳感器節點的4倍，將大規模傳感器網絡中RN選址抽象為RN連接保證的單重覆蓋問題，旨在實現傳感器節點1跳可達至少1個RN節點且RN節點間連通。為提高容錯性，又使用解析幾何理論求解RN節點雙重連接的雙重覆蓋問題，保證傳感器節點1跳可達至少2個RN節點且RN節點間2重連通。Han等[10]研究了傳感器覆蓋半徑異構網絡的RN節點選址與連通問題，假設傳感器節點覆蓋半徑不同、RN節點覆蓋半徑相同，通過近似求解和啟發式方法求解選址最小數量的RN節點在每對傳感器、RN節點間建立k（k-1）條不相交的路徑、選址最小數量的RN節點在每對傳感器間建立k（k-1）條不相交的路徑。Abbasi等[11]提出RN失效場景下通過備用RN的移動來維持連通，在網絡正常時事先選擇故障恢復啟動節點，故障發生時，由啟動節點負責維護連通。

現有的選址方案通常考慮RN節點對傳感器1跳覆蓋，RN節點呈高密度分布，但部署成本較高，這使得現有的RN節點選址理論和方法不能直接用于指導星地傳感網中地面網關選址。傳統無線傳感器網絡中，RN節點與Sink節點間通信能耗差異較大，為了可靠地交付數據，需要全網RN間連通，甚至多重連通。星地傳感網中星地通信能耗基本相同，較為經濟的方法是選出少量地面網關承擔星地間數據傳輸任務，從而使得不需要全網地面網關連通。因此，今后研究的重點是根據網關分布、星地傳輸能耗等因素來確定地面網關的組網策略與星地通信網關的選取。

3.2 能量有效QoS路由協議分析

根據能量平衡策略，將傳統地面無線傳感器網絡中QoS路由協議分為3類，即平面、均勻分簇和非均勻分簇路由協議。平面路由協議在選路由過程中融入剩余能量因素，但跳數較多、網絡整體能量使用率不高，可擴展性受限。均勻分簇路由協議便于數據聚合，較少的跳數減少了傳輸能耗，但由于簇頭與Sink通信能耗存在差異，因而不同程度地存在能量空洞問題。非均勻分簇協議[12-15]在靠近Sink的區域設置較小的簇半徑，在遠離Sink區域設置較大的簇半徑，從而減少靠近Sink的簇內通信開銷，由此節約能量轉發簇間數據。因此，非均勻分簇路由協議在均衡全網節點剩余能量分布方面更有優勢。Chen等[12]基于節點的最大覆蓋半徑及其與Sink的距離設計簇頭競爭半徑，使得簇半徑與其到匯聚點距離呈遞減關系，從而均衡網絡負載、延長網絡生存時間。文獻 [13]構建Sink為起點的扇形環狀簇，以全網能量消耗最小化為目標，求解最優環半徑和分簇角度。Lai等[14]假設傳感器節點均勻分布在矩形區域，以簇間能量均勻消耗為約束條件求解最優簇數量與簇半徑。文獻 [15]認為簇頭競爭取決于候選簇頭及其鄰居節點的剩余能量，由此達到節點能量異構場景的能量均衡消耗。

然而，目前的研究僅從網絡層角度進行研究，忽視介質訪問能耗或簡單地將介質訪問能耗視為相同。事實上，無線傳感器網絡能量空洞的形成來源于MAC層、路由協議等多種因素的共同作用。網絡環境的理想化使得現有研究對于能量空洞的控制考慮不足，對網絡生存時間的研究也不充分。因此，結合網絡層、MAC協議建模定位能量空洞并由此提出能量空洞避免策略，是開展星地傳感網中地面段無線傳感器網絡QoS路由協議研究的重要方向。

4 結 語

作為無線傳感器網絡一種最新的發展形式，星地傳感網將信息的收集與供給在空間和時間上最大程度地延伸，有著十分廣闊應用范圍。由于尚未成熟且與網絡體系結構存在差異，傳統衛星網和無線傳感器網絡QoS路由機制不能直接應用于星地傳感網中。因此，今后應該從以下方面深入開展星地傳感網QoS路由機制的研究：空間段多層星座軌道參數優化；結合網絡拓撲變化特點和地面流量分布特征研究低開銷、高魯棒的星際路由協議；地面網關選址、組網及星地通信網關的選取方法；融合非均勻分簇和跨層設計能量有效地面段無線傳感網QoS路由協議。

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