無線傳感網絡路由和定位技術研究

宋欣樺

（山西工程職業學院 山西 太原 030000）

0 引言

在物聯網時代，無線傳感網絡被認為是當代最重要的一項綜合性新型信息處理技術，結合了傳感器、信息處理和無線通信等多項技術。無線傳感網絡憑借體積小、成本低、功耗低等特點，被廣泛應用于物聯網中承擔底層基礎接口的作用，目前已有多種基于無線傳感網絡的物聯網應用，如環境實時監測、智能家居等。隨著無線傳感網絡的發展，網絡消耗、路由協議、節點定位是無線傳感網絡的重要研究內容，因此本文對無線傳感網絡路由和定位技術進行探討。

1 無線傳感網絡路由概述

1.1 無線傳感網絡路由的特點

能量、功能和通信能力是限制無線傳感網絡發展的因素，導致了源節點和sink 節點之間很難直接通信，數據包要從源節點經過中間節點逐步傳輸至sink 節點，這是無線傳輸網絡路由算法與傳統網絡存在的顯著區別，無線傳感網絡具有以下特點。

（1）無線傳感網絡的節點性能有限。傳感器有著成本低、體積小的優點，但是也導致了其數據運算儲存能力和傳輸能力都難以達到需求。傳感網絡節點常用小電池進行供電，導致能量無法及時補充，傳感網絡能量受限，所以無線傳感網絡路由算法的重要目的就是提升節點的能量效率，盡可能使網絡具有更長的生命周期。路由算法提升的是整個網絡中的節點能耗，并非單個節點的能耗，這表明了能量管理機制在路由算法中的重要地位。若無線傳感網絡本身具備能量持續補充的功能，則路由算法將偏向于提高吞吐率等其他性能[1]。

（2）無線傳感網絡的信息量有限。小體積的傳感器節點儲存和運算數據的能力相對較弱，難以滿足大量路由信息的儲存與計算，傳感器節點目前主要儲存的信息是節點周圍的局部拓撲信息和較少部分的全局信息，所以設計傳感器網絡路由算法時需要充分考慮節點傳輸信息的有效路徑，同時還要滿足能效及QoS 需求。

（3）以數據為中心是無線傳感網絡的特點。監測區域內直觀觀測值是無線傳感網絡所關注的重點，而觀測信息的節點常被忽視，因此源節點應該根據需求對監測區域進行數據感知和獲取，再將數據傳輸至目標節點。由于無需在兩個節點間建立特定路徑進行數據傳輸，所以設計傳感路由算法需要著重考慮路由效率的問題。

（4）網絡拓撲。傳感器本身不可避免地會受到節點損壞、供電不足或信號干擾的影響，這均會導致無線傳感網絡的拓撲結構不能保持穩定狀態，此狀態的不穩定性與部署時間存在一定聯系，所以拓撲結構的變化不可預測。因此無線傳感網絡路由算法需要適應網絡拓撲結構的不可預測性變化，具有較強的可拓展性。

1.2 無線傳感網絡路由的分類

上文介紹了無線傳感網絡路由的特點并指出了路由算法應注重的問題，典型的路由算法主要包含數據中心路由、地理位置路由和機會路由等5 種路由算法，各算法詳細介紹如下。

（1）數據中心路由。無線傳感網絡規模通常較大，所以其節點數量較大，節點進行隨機部署，這導致了同一區域的不同節點可能會感知到同一事件，從而導致節點中產生冗余數據信息。即使將節點信息發送至sink 節點也會消耗大量能量，造成能源利用率降低。數據中心路由算法的功能是通過對聚合數據進行屬性命名以消除數據冗余，從而達到降低能耗的目的，典型數據中心路由算法主要包含泛洪路由、定向傳播路由和SPIN 路由等[2]。

（2）層次路由。層次路由將諸多的傳感器節點劃分為簇，每個簇規定某個節點為簇頭，簇頭負責將數據進行聚合，路由決策和轉發數據的任務，剩下的簇內節點僅負責對監測區域數據的感知與采集，所以層次路由也被稱為簇路由。簇路由的特點是擴展性好和能效較高。

（3）地理位置路由。地理位置路由進行路由決策的依據是節點間的地理位置信息，具體方式是計算兩個節點間的地理位置上的距離，然后根據距離對信息轉發所需能量進行估算，有效提高了能量效率。地理位置路由在對節點間距離進行計算時通常使用GPS 等定位裝置進行[3]。

（4）機會路由。機會路由相比于傳統路由算法具有更可靠的數據傳輸能力。傳統路由算法進行數據轉發時，使用過結點間的逐級跳轉，直到到達sink 節點，這就導致了數據在傳輸過程中存在一定的風險，如果在數據傳輸的過程中，諸多跳轉節點中的任意節點發生故障都會導致節點數據的丟失。機會路由并不指定節點進行傳輸，而是通過某種規則在鄰居節點中選擇性地發送數據，只有在發送成功的情況下才會進入到下一跳，此種傳輸方法有效避免了由于單一節點損壞而導致的數據丟失，大大提高了數據傳輸的可靠性。

1.3 無線傳感網絡路由的研究現狀

無線傳感網絡是用于信息收集和全面監測的由大量傳感器節點組網而成的網絡，在無線傳感網絡中每個傳感器節點都有自身的通信計算的作用，無線傳感網絡中常以多跳和自組織的方式進行通信。無線傳感網絡遍布于智慧城市、工業化建設、能源領域、軍事領域等諸多重要領域，無線傳感網絡正朝著數字化和智能化的方向不斷發展。

無線通信方式是無線傳感網絡中節點之間的常用通信方式，為實現節點之間的數據傳輸，路由算法應運而生，其功能是將源節點的數據傳輸至目標節點。路由算法主要完成兩大任務，第1 是計算源節點和目標節點間的最優路徑，第2 是在此路徑上進行依次轉發數據。在無線傳感網絡中每個節點都具有采集數據的能力，所以每個節點都具備路由決策能力，這就決定了路由算法的分布式特點，路由策略也可以為單跳、多跳和全路徑路由。

傳感器網絡中的節點是通過電池供電的，這導致了大多數節點都沒有外部能源補充的現象，所以路由算法的能量效率成為備受關注的關鍵點。與此同時，傳感器節點的計算能力和儲存能力也是路由算法應考慮的因素，這關系到全網路由信息是否能夠順利保存。無線傳感網絡的路由算法需求具有特異性，此前有線和無線的常規路由均難以適用于無線傳感網絡，所以無線傳感網絡路由算法應在常規的算法上更多考慮能量、局部拓撲信息、可擴展性、復雜性等諸多因素。

2 無線傳感網絡路由擁塞控制技術

無線傳感網絡路由的設計初衷主要為了最大程度節省節點能耗，實現能量有效利用率最大化，以達到延長無線傳感網絡的生存時間。面臨大量傳感器在網絡中同時發送數據的情況，數據包堵塞時有發生，此時是數據丟失的高危階段，所以無線傳感網絡路由需要對數據包擁塞進行有效控制，目前主要有以下3 種控制手段[4]。

2.1 基于負載均衡的擁塞控制

基于負載均衡的擁塞控制算法為了達到節點間負載均衡的目的，實行對各個節點進行監測和控制的策略，在實際運行中能有效緩解擁塞問題。目前常見的兩種算法是TADR 和QU-RPL。TADR 是一種流量感知動態路由算法，其巧妙利用了勢能場概念建立了混合虛擬勢能場，利用空閑節點緩解數據包的擁塞。QU-RPL 是一種基于隊列利用率的算法，其通過節點間的利用率和路由器的跳數進行路由選擇，實現了負載均衡的目標。

2.2 基于預測的擁塞控制

基于預測的擁塞控制算法主要功能是將節點隊列狀態進行分析，預測擁塞是否發生，系統根據預測結果對路由決策進行及時調整。目前常見的預測性算法有分布式預測性擁塞控制算法、排隊網絡模型預測性擁塞控制算法、主動隊列管理算法和指數平滑法等。指數平滑法考慮了包括跳數、剩余能量、轉發率等多個因素進行模糊邏輯確定各因素的權重，根據權重的不同對全部因素進行擁塞預測。

2.3 基于流量感知的擁塞控制

基于流量感知的擁塞控制算法具有主動感知節點流量的功能，通過節點不同的流量狀態進行轉發策略的確定，有效提升了無線傳感網絡的數據吞吐量，同時保障了數據傳輸的安全性?；诹髁扛兄乃惴ㄝ^多，主要包括針對可變流量模式的iQueue-MAC算法、水流相似性的TER算法、主動隊列管理算法AQM 等。無論是哪種流量感知算法，都對數據的安全性有一定的保障。

3 無線傳感網絡節點定位

無線傳感網絡節點定位算法根據是否需要測距分為基于測距的定位算法和免測距定位算法?；跍y距的算法需要對未知節點和數據傳出節點之間的位置進行測算，通常通過無線信號角度或傳播時間來進行。由于需要對各變量進行多次測量所以其部署成本較高。免測距定位算法雖然在部署成本上低于測距算法，但是其定位精度相比于測距算法較差。

定位技術是否是最優的不僅取決于一般性的精度指標，還取決于無線傳感網絡的特殊性能指標，特殊性指標主要包括：位置精度、覆蓋范圍、刷新速度，定位服務的技術性指標主要包括：功耗、節點密度、擴張性和魯棒性。定位技術中最重要的指標就是位置精度，精度高低直接影響節點位置信息的準確與否，定位精度的高低往往與成本存在密切聯系，超聲波的精度高達分米級但是成本很高。覆蓋范圍與位置精度是相互矛盾的，覆蓋范圍越廣其位置精度就越差，所以定位技術中一大難點就是實現高精度大范圍的定位，無線和藍牙的精度只有3 m，覆蓋范圍可達100 m。刷新速度指的是定位信息更新一次的時間間隔，不同的應用場景對刷新速度的需求不同，對于移動的物體往往要求較高的刷新速度以保障操作者實時掌握物體的移動情況。節點密度在不同的定位技術中存在很大差異，節點密度越大則單次定位的能耗越大，這就要求設計者在設計協議時避免節點密度過大的協議出現。擴展性和魯棒性指的是某個節點的加入、離開甚至出錯時不影響其他節點的定位，體現了系統的抗干擾能力。

3.1 基于測距的定位算法

測距算法在定位中需要進行未知節點角度測量和測量結果統計計算兩個步驟。信號測量為統計計算提供數據基礎，目前常用的信號測量技術有信號強度指示、到達時間、到達時差和達到角度4 種。信號強度指示的基礎是無線信號強度與點到信號源的距離平方呈正相關。到達時間的基礎是通過達到時間計算信號的傳輸時間，通過光速得到節點間的距離。到達時差的計算理論與到達時間類似，不同的是其根據速度不同的信號達到同一節點的時間差值進行計算。到達角度計算依據是不同位置的接受裝置收到信號的相位與節點位置有關，計算信道到達角度可以確定節點位置。

接收信號強度法RSSI（Received Signal Strength Indicator）是依據信號衰減和距離之間存在的特殊關系，通過測量信號強度反饋接收機和發射機之間距離信息的方法。信號傳播時間可以分為到達時間TOA（Time Of Arrival）、往返傳播時間RTOF（Roundtrip Time Of Flight）和到達時間差TDOA（Time Difference Of Arrival）。到達時間TOA 在定位中對發射機和接收機的時間要求極高，一旦時間出現偏差將對定位引入很大的誤差。往返傳播時間RTOF 中發射機和接收機屬于不同時鐘域，所以時間可以不同步。到達時間差TDOA 使用的是超聲波和射頻信號兩種傳播速度不同的信號。接收信號相位差法PDOA（Phase Difference Of Arrival）通過信號的相位差獲取傳播時間進而進行定位。

3.2 節點位置計算方法

在獲取了計算節點的相關參數以后，需要對數據進行處理得到節點位置的坐標。通常使用的計算數據是信號強度、到達時間和信號角度，計算方法主要有三角測量法、三邊測量法和概率法。三角測量法利用節點的方位角進行定位，其計算依據是得到三角形的兩個底角和底邊長，可以計算頂點到底邊的距離。三邊測量法根據獲得的RSSI值進行距離計算，最終得到未知節點的坐標。

3.3 免測距的定位算法

免測距定位算法相比于測距定位節省了一部分測量裝備，降低了成本，目前常見的免測距定位算法有錨節點近似算法、連接算法和事件驅動算法?；阱^節點近似算法在定位區域設置了許多具有發射功能的錨節點和參考節點，通過這種方式可以大致推算未知節點附近的錨節點數量，再利用質心法確定節點位置?；谶B接的算法是利用全網絡的連接信息進行定位分析，其中以距離矢量路由為核心的DV-hop 算法最為著名，此方法適用于同向的傳感網絡中，在復雜網絡中的定位精確度有待提高。事件驅動算法根據不傳輸定位數據的節點在外部停留產生的光束持續時間對節點進行定位，常見的有燈塔算法和聚光燈算法。

DV-hop 算法定位分為以下3 個步驟：首先計算節點到錨節點之間的跳數，其次計算出節點到錨節點之間的距離，最后得出未知節點的坐標。錨節點將自己的位置信息轉發至所有節點，節點進行接受并轉發，這就使得每個網絡節點都能獲取自身到錨節點的跳數，從而計算得到每個錨節點的最小跳數。當一個錨節點接收到相應的跳數和位置信息后就可以根據平均每跳距離公式進行計算節點到錨節點之間的距離。最后未知節點獲取距離值達3 個或3 個以上，就可以根據最小二乘法或三邊定位法對未知節點的坐標進行計算。

質心定位算法同樣依據錨節點周期性的廣播自身信息（錨節點ID 號和坐標信息），最終由未知節點與錨節點形成多邊形，未知節點為次多邊形的幾何中心。質心定位算法依托于網絡的連通性信息，實現起來較為簡單，但是其對錨節點的密度要求較高，所以錨節點自身的位置對定位效果存在不可忽視的影響，也導致了此方法的定位精度較差。

不定型定位算法（Amorphous）先假定每個傳感器節點的連通度是已知的，然后考慮跳數不能直接表示直線距離，最后根據特定公式離線計算。其實，不定型定位算法在計算過程中也采用DV-hop 算法類似的方法計算節點間跳數，但是跳數在不定型定位算法中被稱為梯度數。

4 結語

定位技術主要由基于測距和無需測距兩大類組成，基于測距的定位技術包括接收信號強度法RSSI、到達時間TOA（Time Of Arrival）、往返傳播時間RTOF、到達時間差TDOA 和接收信號相位差法PDOA，基于無需測距的定位技術包括DV-hop 算法、質心定位算法和不定型定位算法。無線傳感網絡是集合了通信、計算機、傳感器等多項技術于一體的綜合性學科，它面臨的主要問題是數據傳輸的安全和能量的有效利用，應著重在此兩項問題上進行突破。