無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由專利申請分析

董玉慧　何芳玉　紀(jì)云

【摘要】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)中，由于硬件和能量條件的限制，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、均衡網(wǎng)絡(luò)能耗等研究一直是其研究熱點(diǎn)，也是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的幾類研究方向出發(fā)，梳理了路由技術(shù)在專利申請方面的研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量 路由 專利

一、 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些傳感器在在微小體積內(nèi)通常集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能，它可以實(shí)現(xiàn)協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者，從而實(shí)現(xiàn)用戶對目標(biāo)區(qū)域的感知。目前，WSNs已被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家庭、醫(yī)療健康和環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)需要及時、可靠地傳輸給用戶，其直接影響到用戶的感知能力，因此，本文將主要關(guān)注用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤SNs路由技術(shù)在專利申請方面的研究進(jìn)展。

二、 WSNs路由技術(shù)簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于受硬件和能量條件限制，節(jié)點(diǎn)之間往往無法直接通信，通常需要借助中間節(jié)點(diǎn)以多跳方式將數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)，通常，路由協(xié)議就是指將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)通過可用的路徑發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、能量受限、以數(shù)據(jù)為中心、與應(yīng)用環(huán)境相關(guān)等特征，單一的路由協(xié)議不能適用于各種應(yīng)用環(huán)境，因此設(shè)計出多種路由協(xié)議，根據(jù)這些路由協(xié)議所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或?qū)Ω鞣N特征的敏感度不同，可以將其分成不同類型，如分簇、能量感知、多路徑等路由協(xié)議。

三、WSNs路由技術(shù)發(fā)展路線

在這一章節(jié)我們將會結(jié)合技術(shù)發(fā)展路線來詳細(xì)介紹各技術(shù)分支的提出的背景及各技術(shù)分支的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 WSNS路由技術(shù)發(fā)展路線圖

能耗一直是WSNs路由技術(shù)研究的重點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要消耗在信息感知、數(shù)據(jù)處理和互相通信這三方面，，基于能量感知的路由以及分簇路由就是為了使整個網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。而且根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗情況可知，通信消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它過程所消耗的能量，處于睡眠狀態(tài)時節(jié)點(diǎn)所消耗的能量最小，如果節(jié)點(diǎn)在沒有數(shù)據(jù)需要傳輸時能夠迅速轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，就能節(jié)省很多不必要的能耗，因此提出了關(guān)于睡眠調(diào)度機(jī)制的專利申請。

隨著無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（WMSNs）的提出，為了實(shí)現(xiàn)在滿足QoS情況下最小化能耗的目的，出現(xiàn)了針對WMSNs的基于QoS路由技術(shù)的專利申請。而且對WMSNs來說，傳統(tǒng)的單路徑路由協(xié)議有著難以改善的缺點(diǎn)，例如帶寬受限、存在一定的傳輸延遲而不能保證視頻服務(wù)質(zhì)量，因此提出了改善上述缺陷的多路徑路由方面的專利申請。

另外，隨著通信技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，研究者們研發(fā)出了一類新型的傳感器節(jié)點(diǎn)，若將它們應(yīng)用在水下環(huán)境中，則可構(gòu)成水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于水下環(huán)境的復(fù)雜性，要求其路由協(xié)議具有良好的魯棒性能，原來適用于陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議無法直接應(yīng)用于水下環(huán)境中，因此出現(xiàn)了針對水環(huán)境的UASNs的路由協(xié)議的設(shè)計，如圖1中的CN103298055A、CN103297339A以及CN103686925A等申請。

最后，從圖1可以看出，安全路由也是WSNs路由技術(shù)的一種重要分支，這是由于WSNs被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域來處理敏感的信息，應(yīng)用場景包括軍事、工業(yè)、家庭、醫(yī)療健康和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，采用有效的密鑰管理技術(shù)、信任管理等增加安全機(jī)制的方法，以應(yīng)對面臨的安全威脅問題。下面將詳細(xì)介紹圖1中所示的各路由分支的工作原理：

（1）能量感知路由：該類路由根據(jù)節(jié)點(diǎn)的可用能量或傳輸路徑上的能量要求，選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑，重點(diǎn)在于最優(yōu)能量消耗路徑以及延長網(wǎng)絡(luò)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、最少跳數(shù)路由和最小剩余能量路由四種。（2）分簇路由：與平面路由中節(jié)點(diǎn)之間處于平等的關(guān)系不同，分簇路由中選擇某些特定的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)組成小范圍的骨干網(wǎng)，而各個簇頭又構(gòu)建自身的子網(wǎng)，并且負(fù)責(zé)子網(wǎng)與外網(wǎng)之間的通信，即保證了網(wǎng)絡(luò)的連通，又能夠節(jié)省大量的節(jié)點(diǎn)能量，適用于大規(guī)模的WSNs，由于簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能夠長時間關(guān)閉通信模塊減少能量消耗，所以能夠顯著延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。（3）基于地理位置信息路由：假定傳感器節(jié)點(diǎn)能夠知道自身地理位置或者計算得到自身地理位置，節(jié)點(diǎn)的地理位置信息可以用來改善一些已有的路由算法的性能，比如將感知數(shù)據(jù)或者查詢請求發(fā)送到指定方向從而減少泛洪帶來的數(shù)據(jù)無效傳輸?shù)膯栴}，也可以直接使用地理位置信息來實(shí)現(xiàn)路由。（4）基于QoS的路由：實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的同時，還力求滿足網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。一些協(xié)議在建立路由路徑的同時，還考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、每個數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級、估計端到端的時延，從而為數(shù)據(jù)包選擇一條最合適的發(fā)送路線。（5）多路徑路由：將源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的單一的一條路徑擴(kuò)充到多條路徑，并可以根據(jù)需要選擇如何使用這些路徑。可以選用多條路徑并發(fā)傳輸如圖1中的申請CN 101895952A或從多條好的路徑選擇單條最好的路徑來傳輸數(shù)據(jù)如圖1中的申請CN101442787A，以提高傳輸可靠性和實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。（6）基于睡眠調(diào)度路由：讓各個傳感器節(jié)點(diǎn)之間輪換進(jìn)行工作，使得節(jié)點(diǎn)在需要的時候工作，不需要的時間睡眠，整個過程仍然保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，能夠很大程度上降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗。