基于地理位置的無線傳感器網絡路由協議研究進展

摘要：在分類總結近年來提出的各種具有代表性的基于地理位置信息的路由協議的基礎上，分析了現有的下一跳節點選擇策略存在的不足，著重討論了貪婪路由算法中局部最優化問題的解決方法，指出了目前基于地理位置信息的無線傳感器網絡路由協議亟待解決的問題。

關鍵詞：無線傳感器網絡；地理位置；局部最優化問題；貪婪路由

中圖分類號：TP393．04文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)01－0018－04

無線傳感器網絡是由大量集成有信息采集、數據處理和無線通信等功能的節點通過無線通信的方式組成的多跳自組織網絡。其旨在協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，讓觀察者知道何時何地發生何種事件[1]。無線傳感器網絡中，很多應用需要用到地理位置信息。例如，在大面積環境探測中需要知道感興趣事件發生的地點；森林火災災情監測中，需要知道火災發生的地域；在軍事戰場態勢監測中，不僅要及時了解戰場各種事件發生與否，同時也要知道該事件發生的地域，以便迅速采取有效行動。無線傳感器網絡中所感知的信息具有地域性。地理位置信息服務具有很重要的作用；同時地理位置信息作為路由選擇的依據，對數據的轉發具有很強的導向性。

無線傳感器網絡路由協議負責尋找一條傳輸路徑，將數據分組從數據源節點通過網絡多跳轉發至目標節點。國內外已經在這個方面做了許多工作，并取得了一定的成果，相繼提出了flooding、gossiping[2]、SPIN[3]、directed diffusion[4]、rumor[5]、LEACH[6]及從Ad hoc網繼承過來經過改進的DSDV[7]、AODV[8]、DSR[9]等協議。這些協議大多是通過路由探測包獲得網絡中節點之間的連接關系和鏈路特性來確定路由并存儲路由表。基于鏈路狀態建立的端到端的路由會因路由中的一個或幾個節點的失效、移動而經常中斷，需要不斷地進行路由維護。它不適應網絡拓撲動態變化快的情況。層次化路由策略是局部的先應式路由與全局的反應式路由的結合，以期達到提高數據傳輸效率和網絡可擴展性的目的。但是，盡管融合了上述兩種路由機制，它仍然需要維護那些正在使用的端到端的路由信息，所能承受的網絡動態變化也有限。

基于地理位置信息的路由協議能夠很好地解決上述問題。隨著定位技術的發展，節點可以方便地獲得本身、鄰節點及目標節點的地理位置信息。節點利用這些位置信息，避免路由探測包的盲目泛洪，進行有效的路由發現和路由維護，甚至可以基于無狀態的分布式的非端到端的數據轉發。其中以地理位置信息為基礎的貪婪路由算法在整個數據傳輸中不需要建立端到端的基于全局鏈路狀態的路由，不需要存儲路由信息表，也不需要發送路由更新信息，只要求網絡中每個節點準確地存儲周圍鄰節點的狀態信息即可節省能量的消耗，降低節點的內存、處理要求；同時能提供很好的數據傳輸保證，具有良好的網絡可擴展性和魯棒性。

近年來，已有一些學者開展了基于地理位置信息的路由協議方面的研究工作，并取得了一定的進展。

1前提條件:位置服務

基于地理位置路由協議的實施要基于以下三個前提條件：節點知道自己的地理位置；節點知道所有一跳鄰節點的地理位置信息；節點能夠獲得目標節點的地理位置。一般可以通過GPS及各種定位算法來獲得本節點的地理位置；節點間通過信標交換可獲得所有一跳鄰節點的地理位置信息；最后一個前提條件是整個基于地理位置信息路由協議的關鍵所在，也是難點所在。對于目標節點靜止的網絡系統來說，可通過目標節點的一次性泛洪廣播來通告所有節點；對于目標節點運動的情況，需要通過位置服務來獲取目標節點的地理位置信息。其中比較典型的位置服務算法有DREAM[10]、GLS[11]、virtual homezone[12]、quorum based location service[13]。在DREAM算法中，每個移動節點均要維護一個位置信息的數據庫，記錄網絡中各個移動節點的位置信息。每個節點周期性地接收來自其他移動節點的hello報文，更新自己的位置信息數據庫。DREAM的定位性和魯棒性最強，但擴展性差，不適用于大規模的無線傳感器網絡。GLS算法是一種新的跟蹤移動節點位置的分布式位置服務。通過與地理轉發的結合，GLS可以很好地擴展到大規模的無線傳感器網絡。每個節點周期性地向小部分節點(它的server)發送更新包，報告其當前位置。由于GLS采用分布式位置服務器，并不指定特定的節點作為服務器，某一節點出錯不會對整個網絡造成太大影響。GLS也具有很強的擴展性。

2地理位置路由協議分類

根據節點在發送數據前是否需要建立路由，可以將基于地理位置信息的路由協議分為位置輔助路由協議和基于位置信息的路由協議兩類。其中基于位置信息的路由協議又可以分為定向區域泛洪和貪婪路由算法，如圖1所示。

2．1位置輔助路由協議

位置輔助路由算法與DSDV、AODV、DSR的區別在于，路由請求分組的發送不需要進行全面泛洪，而是在地理位置信息的導向下進行有限制的區域性泛洪，增強路由發現的目標性，減少了大量無用分組的傳遞，是基于路由請求分組全網泛洪協議的改進。其典型算法為LAR[14]。該算法源節點S通過位置服務獲得目標節點D在t0時刻的位置L：(Xd，Yd)和平均移動速度V，于是可以估計出t1時刻D出現的區域。該區域是一個以(Xd，Yd)為中心，以r=v(t1-t0)為半徑的圓，稱為期望域。根據期望域就可以限制路由搜索在一定的區域內，這個區域稱為尋找域。只有尋找域內的節點才轉發路由請求分組，從而減少路由尋找的開銷。如果在規定時間內沒有找到合適的路徑，S擴大尋找域重新發送路由請求分組。隨著尋找域的擴大，路由發現的可能性相應增加，當尋找域擴大到全網范圍就成了一般的泛洪算法。該算法的關鍵在于尋找域的限定。過小的尋找域將降低路由發現成功的概率，出現無法建立路由的情況；過大的尋找域將會帶來過大的控制開銷。文獻[14]中給出了限定尋找域的兩種方法。方法1的尋找域是由源節點S和期望區域確定的矩形，如圖2所示；方法2中，源節點S到目標節點的距離為DISTs，如果節點I到目標節點的距離DISTi滿足α(DISTs)+β≥ DISTi(α和β為待定參數)，則節點I包含在尋找域內參與路由發現，如圖3所示。

該協議減少了參與路由請求分組轉發的節點，但仍然是基于鏈路狀態建立的端到端的路由，對網絡拓撲動態性變化快的網絡不太適用。

2．2基于位置信息的路由協議

基于位置信息的協議節點在發送數據前不需要尋找路由、不需要保存路由表，節點直接根據自己、鄰節點及目標節點的位置信息制定數據轉發策略。根據轉發策略的不同，可以分為貪婪路由、定向泛洪路由和分層路由三類。在前兩種路由協議中，源節點將數據分組傳送給一個（貪婪路由）或多個（定向區域泛洪）距離目標節點更近的鄰節點；分層網絡結構下，網絡的不同層次采用不同的路由協議，在某些層次的路由轉發需要位置信息的支持。 

2．2．1定向區域泛洪

在定向區域泛洪路由協議中，節點將向目標節點方向的所有鄰節點轉發數據分組。該算法具有很好的魯棒性，但是它將加重網絡負載。

DREAM是一種典型的定向區域泛洪路由協議。協議中源節點和每個中間節點分別計算自己到目標節點的方向。基于目標節點的移動信息可以確定期望域，方法與LAR一樣。由期望域就可以確定一個夾角范圍，稱為轉發域。中間節點將數據分組轉發給轉發域的所有一跳鄰節點，直到數據分組成功遞交給目標節點。該算法的關鍵就在于轉發域的確定：從S作到期望域的兩條切線，兩條切線內即夾角[v-α，v+α]間的區域就是確定的轉發域，如圖4所示。

DREAM算法能保證無環路由，具有較好的魯棒性。每次數據分組轉發都是發送給目標節點方向的多個節點，類似于提供了到目標節點的多條路徑，某條鏈路分組的丟棄不會影響到其他鏈路上的分組。相對于位置輔助路由算法，DREAM算法控制分組中只有位置更新分組和ACK分組，攜帶信息少，并且位置更新分組發布的周期依據節點的移動速度確定，控制分組的數目和傳播范圍均得到了進一步優化。但是，雖然限制了到目標節點的泛洪范圍，在節點數目多、數據量大的網絡中，數據分組在轉發區域內進行泛洪，將會消耗大量的能量。

2．2．2貪婪路由算法

該類算法只需要本節點、所有鄰節點及目標節點的地理位置信息，是一種僅需少量存儲的算法。源節點將數據傳給距離目標節點更近的鄰節點，依此下去，直至目標節點。對于中間節點S，通常會有多個鄰節點距離目標節點更近。這些離目標節點更近的鄰節點集合稱為N（S）。基于不同的度量標準在N（S）中選擇下一跳節點，所得到的貪婪算法具有不同的性能。目前主要提出的下一跳節點選擇策略有以下四種：a）Most nearest to destination就是從N（S）中選擇距離D最近的節點，如圖5中的節點B，從而可使到達目標節點的跳數最少，減少了在節點中因排隊、處理而帶來的時延。如果信號能量足夠大，節點一跳傳輸范圍的半徑將越大。但是半徑越大，節點相互干擾的可能性越大，同時也帶來了較大的能量消耗。由于所選擇節點處于通信的邊緣，它的移動極易造成路由的中斷。b）針對這一問題，文獻[15]提出了另外一種機制，即most nearest within radius。在這種機制下，節點S從N（S）中選擇距離自己最近的鄰節點作為下一跳節點，如圖5中的節點A，從而降低了節點間相互干擾的可能性。這種算法存在的缺點就是常常出現離中間節點S非常近的節點被選中，增加了到目標節點的跳數。它雖然減少了通信能量消耗，但是大大增加了通信的跳數。c）Compass routing[16]提出另一種選擇機制。從N（S）中選擇節點F，使得∠FSD最小，從而可以縮小數據分組傳送的范圍。但該選擇策略會出現環路由[17]。d）為了克服這一缺點，文獻[18]提出了一種randomized compass路由算法。該算法將中間節點與目標節點的連線分為兩側區域，隨機地從N（F）中選取一側區域中角度最小的節點作為下一跳節點。文獻[19]中所選取的點如圖5中的節點E，使得向目標節點方向邁進的步進最大。該算法具有無環路的特點。

a）貪婪路由算法的優點。無須維護全局網絡的鏈路狀態信息，每個節點只需要知道周圍鄰節點的位置信息；每一次轉發都是局部決策，可以進行無狀態的完全分布式的非端到端的數據轉發；不需要存儲路由信息表，也不需要發送路由更新信息，只要求準確地存儲周圍鄰節點的狀態信息即可，不但節省了能量的消耗，同時也降低了節點的內存、處理要求；提供很好的數據傳輸保證，具有良好的網絡可擴展和魯棒性。

b）貪婪路由算法缺點。在地理環境因素的影響和網絡節點密度低的情況下，會出現節點找不到距離目標節點更近的鄰節點來作為下一跳節點的現象，這種情況稱為局部最優化問題，也稱為通信空洞。第3章將對該問題的解決方法進行總結闡述。目前的下一跳選擇策略所選擇的節點不一定滿足數據傳輸的QoS要求，同時能量的消耗也不平衡。改進方法是在基于地理貪婪的背景下，通過概率轉發、隨機選取、競爭轉發等方法選擇下一跳節點的方法均衡傳輸業務，避免擁塞的發生和能量消耗不平衡的現象。通過狀態最佳門限過濾，優先選擇時延低、傳輸速率高、能量狀態好的節點作為下一跳節點，保證數據分組所經歷的路徑具有一定的可靠性和實時性。

2．3分層路由算法[20]

分層路由可以減少網格中節點處理事件的復雜度，其擴展性好，適合大規模網絡。典型的基于位置信息的分層路由算法有終端路由和網格路由，這兩種算法都是基于兩層路由。其中一層采用基于位置信息的路由協議。

2．3．1終端路由(terminodes routing)[20，21]

該協議結合了TLR(terminode local routing)和TRR(terminode remote routing)兩種路由算法。 TLR使用距離矢量信息確定路由并轉發數據分組，但是分組轉發的范圍(跳數)有限，其上限稱為本地半徑。距離節點S的跳數不大于本地半徑的所有節點都是S的TLR可達節點。對于TLR算法不可到達的節點，采用TRR算法轉發數據分組。TRR類似于源路由協議，源節點給出一個到目標節點的路由估計。它由一系列的anchor來標志，在源節點發送的每一個數據分組的包頭中攜帶一個anchor列表。數據分組將沿著anchor標志的路徑傳輸。通過結合TRR和TLR可避免路由環路。該協議的分組遞交成功率和路由開銷均比DSR協議有所改進。每個節點在轉發數據分組時僅依靠本節點或其他少數節點的信息，因此該協議可擴展性好。

2．3．2網格路由(grid routing)[20，22]

在grid中，網絡的覆蓋區域被劃分為小的方形區域，每個區域稱為一個網格。每個網格中選擇一個節點作為該網格所有節點的群首(leader)，負責轉發數據分組。在每個網格中，節點運行群首選擇協議來維護該網格的群首。以往的路由協議都是逐跳查找路由，grid協議采用逐網格查找路由的方式。它采用類似于LAR的尋找域來縮小路由搜索范圍進行路由尋找。僅有網格的群首才能轉發路由請求分組。轉發數據分組不使用節點ID標志節點，而是采用網格ID。網格群首的選擇是動態的，當原先的群首離開該網格時，就會選出新的群首，以此來維護路由。相對于DSR、AODV、LAR等協議所確定的路由中有一個節點失效或移動而導致整個路由中斷的情況不同，一個網格中其他節點可以作為后備節點。只要網格中有節點，經歷該網格的路由就不會因單個節點的失效和移動而中斷。該算法增加了路由生存時間，使得路由對節點的移動不太敏感，降低了路由維護的控制開銷。

3局部最優化問題及解決方法

在貪婪路由算法中，當某一中間節點按照下一跳選擇策略在鄰節點中沒有找到下一跳節點時，便出現了局部最優化現象，如圖6所示，即所謂的通信空洞。該節點成了空洞節點，算法得不到收斂。

為了解決這個空洞問題，已有很多學者做了許多工作，所采用的方法主要有以下幾種：

a)增大發射功率。通過增大發射功率來增加鄰節點以找到符合下一跳選擇策略的下一跳節點，以解決局部最優化問題。該方法對于較小的通信空洞比較有效，但在較大空洞的情況下不能起效，并且將會消耗該節點大量的能量，使其過早地失效。

b）移動節點填補。文獻[23]中指出局部最優化問題出現時，對于具有移動節點的無線傳感器網絡可以通過節點的移動來填補空洞，建立有效的前向通路。 

c）丟失分組。GEDIR[17]中一旦出現局部最優化問題，就會丟棄數據分組。該文獻認為網絡拓撲結構不斷發生變化，局部最優化問題是暫時的。如果當局部最優化問題出現頻繁，或節點移動性不強、網絡拓撲變化慢、空洞存在的時間較長時，這種方法會導致數據分組的大量丟失。

d)區域泛洪。當節點遇到局部最優化問題時，并不丟棄數據分組，而是進行區域性的泛洪。f GEDIR 和c GEDIR便是此類算法。局部最優化問題在數據轉發中出現較早時，該算法就演變成類似于DREAM定向泛洪算法，使更多的節點參與了數據轉發，數據量急劇增加，從而造成能量的大量消耗。 

e)啟動路由尋找機制。GRA[24]啟動路由發現機制搜索從空洞節點到目標節點的路由。當收到路由回復消息時，在路由表中保存該路由條目以減少將來可能發生的泛洪。局部最優化問題在數據轉發中出現較早的情況，該方法就演變成與AODV、DSR類似的基于拓撲的算法。

f）面遍歷算法。使用基于右手法則的FACE 1、FACE 2算法可以使數據分組在空洞的邊界上進行傳送。當到達的節點距離目標節點比發生局部最優化問題的節點距離目標節點更近時，便恢復使用貪婪路由算法。其典型的算法有compass routing、GPSR[25]及其改進的 GOAFR+[26]。

g）DUA（距離更新算法）。文獻[27]采用反向路由距離更新算法來繞過解決局部最優化問題。通過增加空洞節點的虛擬距離來滿足貪婪算法下一跳節點選擇策略的條件，走出空洞節點。

h）反饋避免算法。前面的方法c）~f)都是當數據分組到達空洞節點時采取方法走出該空洞。如果能事先檢測出空洞或在傳輸過程中遇到空洞進行標記，使得后續的數據分組直接繞過空洞節點進行傳輸，將具有降低時延的優點。SPEED[28]中采用的壓力反饋路由算法、反向壓力路由變更機制用來避免擁塞和路由空洞。

i）空洞檢測算法。空洞具有邊界性和一定的形狀。無線傳感器網絡周期性地進行空洞檢測，將空洞的形狀和邊界節點的位置信息用鏈表的方法存儲下來，即每一個邊界節點只記憶上游和下游節點。當數據分組到達某一個邊界節點時，便利用這些事先檢測好的空洞相關信息沿著邊界繞過空洞。文獻[29]使用TENT方法檢測節點是否是空洞節點，使用BOUNDHOLE算法來檢測空洞邊界并存儲空洞邊界的相關信息，幫助數據分組有效地繞過空洞。該方法對于靜止的拓撲結構較穩定的網絡比較適用。

4亟待解決和深入研究的問題

利用地理位置信息的路由協議在可擴展性、對動態拓撲的適應能力和節省能量方面均優于以往的基于鏈路連接性的協議，應用前景廣闊。然而，對于利用地理位置信息的路由協議，仍需要進一步關注和研究。

1）定位精度對協議性能的影響目前常用的兩種獲取位置信息的方式是GPS和利用信號強度估計相對坐標。節點可通過GPS接收機獲得自己當前的地理位置信息，但是具有一定的誤差，一般在15 m左右。網絡中的節點一跳通信范圍一般是幾十到一兩百米，這樣大的位置誤差會嚴重影響路由算法的正確性。同樣，在無線環境中，信號受衰減、噪聲干擾等影響，利用信號強度估計節點相對坐標在實際應用中受到很大限制。因此，需要分析位置誤差對協議性能的影響，并改進協議使其能更好地適應誤差環境。

2）信標交換的頻率對鄰節點狀態信息的維護和引入的控制開銷的影響目前一般采用信標周期性地發送來維護鄰節點的狀態信息。這種方法對于拓撲結構穩定的網絡來說是行之有效的方法，但是該方法不能對動態變化快的網絡作出及時準確的反應。為了能在具有移動節點的主動式傳感器網絡中應用基于地理位置信息的路由協議，信標交換的頻率應該與節點的移動速率、與周圍鄰節點的距離和狀態信息的動態變化有關。如何在盡量減少控制開銷的情況下準確反映鄰節點的狀態信息還有待于更深入的研究。

3）在貪婪式路由算法中如何制定最佳的下一跳節點選擇策略目前提出的下一跳節點選擇策略存在不足。考慮了減少跳數來降低時延，但沒有考慮節省能量；或相反，考慮能量的節省卻大大犧牲了數據傳輸的時延；同時在能量消耗上也沒有考慮進行均衡，在QoS上沒有給予支持。如何考慮各因素，權衡各因素的影響，針對具體應用制定下一跳節點選擇策略是值得進一步研究的內容。

4）地理位置信息與QoS相結合隨著多媒體應用的普及，QoS路由已成為無線傳感器網絡研究領域的一個重要課題。由于無線傳感器網絡自身的特點，實現QoS路由是非常困難的。基于地理位置信息的路由中下一跳節點選擇時應考慮下一跳節點的傳輸時延、傳輸帶寬等與QoS相關的狀態參量，改善現有QoS路由性能。目前，已提出一些位置輔助的QoS路由協議，然而在國內外眾多研究中，尚未涉及如何在基于地理位置信息的路由協議中保證QoS。如何在節省能量的情況下，保證數據包又快又好地傳送至目標節點，有待于深入研究。 

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