分裂無線傳感器網絡路由協議綜述

袁婧

[摘 要]無線傳感器網絡中,由于節點能量與通信距離的限制以及節點受到惡劣天氣與環境變化等因素的影響,節點間的通信會出現間隔性,甚至直接導致分裂網絡的產生。本文在介紹分裂無線傳感器網絡的基礎上,對解決分裂網絡節點或區域間通信問題的路由算法進行了綜述,著重介紹了一些具有代表性的路由協議。

[關鍵詞]無線傳感器網絡 網絡分裂 路由協議

引言

隨著傳感技術、微機電系統、無線通信等各類技術的進步,無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)也得到快速發展。無線傳感器網絡是由成千上萬個微小傳感器節點所組成的一種特殊的無線自組織網絡(Ad hoc網絡)[1]。這些體積微小的傳感器具有傳感、數據處理和短距離無線通信等多種功能,可以輕松的實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息。無線傳感器網絡擴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]。無線傳感器網絡的應用前景非常廣泛,目前主要運用在國防軍事、環境監測、城市交通、空間探索、智能家居、災難救援等多個領域。

一、分裂無線傳感器網絡路由協議

理想的無線傳感器網絡應當是所有節點都處于可連通的狀態,大部分經典路由算法也是基于這一假設所提出的。但是當無線傳感器網絡投入到實際應用中之后,由于傳感節點的能量和通信距離的限制、以及受到惡劣天氣與環境等其它因素的影響,節點間的通信會出現間隔性,導致網絡間斷性連通,或者直接導致分裂網絡的產生。所謂分裂網絡就是指一個網絡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絡,某一子網中的任一節點都無法與另一子網中的節點交換信息。適用于分裂無線傳感器網絡的路由協議所要解決的問題就是在網絡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)基于消息復制的路由協議

這類路由算法的主要思想就是在網絡中出現通信機會時采用信息復制的方式來轉發數據包。當源節點需要發送數據包到某個無直接通信鏈路的目的節點時,它會復制多個副本傳送給它的鄰居節點。這種路由策略通過提高數據包的冗余度來增加端到端傳輸的成功概率,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制數據庫的技術來解決間斷性連通網絡的路由問題。算法規定網絡中任意兩個節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知網絡的拓撲信息,就可確保信息到達目的節點,但是由于一些不必要的信息復制,大量的網絡資源被浪費。Spray-and-Wait算法對傳染路由算法進行了改進,它預先限定網絡中的報文副本數量,在傳輸過程中只進行有限次的復制,提高了網絡資源的利用率。Spray-and-Wait算法主要包括數據包的“噴灑”(spray)和“等待”(wait)兩個階段。

(二)基于節點移動的路由協議

這類路由策略通常在網絡中設置個別可以主動移動的特殊節點,這些特殊節點可以控制自身的移動方向和速度,按照預定的路線在互相無法通信的節點或區域間移動,以“存儲攜帶轉發”的報文傳輸模式工作。近年來,國內外學者在將可管理的移動節點引入分裂網絡以實現數據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]和信息數據騾(Data Mules)算法。

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

二、結束語

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

參考文獻

[1]D Estrin, R Govindan, J Heidemann。Next century challenges: scalable coordination in sensor networks[A]Proceedings of the 5th annual ACM/IEEE international Conference on Mobile Computing and network [C] NY,USA:ACM Press,1999, 263-270

[2]孫利民,李建中,陳渝等。無線傳感器網絡[M]北京:清華大學出版社, 2005

[3]Vahdat A, Becker D。Epidemic routing for partially connected ad hoc networks[J]CS-2000-06[R]Durham, NC: Duke University 2000

[4]Spyropoulos T, Psounis K。Raghavendra C S. Spray and wait: An efficient routing scheme for intermittently connected mobile networks[A]//Proc of the ACM SIGCOMM Workshop on Delay-Tolerant Networking(WDTN 2005)[C] New York: ACM, 2005,pp: 252-259

[5]Wenrui Zhao, Ammar M.H. Message ferrying: proactive routing in highly-partitioned wireless ad hoc networks[A]The Ninth IEEE Workshop on Future Trends of Distributed Computing Systems, 2003[C]FTDCS 2003. Proceedingspp:308314, 28-30 May 2003

[6]Zhao W, Ammar M, Zegura E. A message ferrying approach for data delivery in sparse mobile ad hoc Networks[A]//Proc of the ACM MOBIHOC[C] New York: ACM, 2004,pp:187-19

[7]Zhao W, Ammar M, Zegura E. Controlling the mobility of multiple data transport ferries in a delay-tolerant network[A]//Proc of the IEEE INFOCOM. Piscataway[C], NJ:IEEE, 2005, pp:1407-1418

[8]Tariq M M B, Ammar M, Zegura E. Message ferry route design for sparse ad hoc networks with mobile nodes[A]//Proc of the ACM MOBIHOC 2006[C] New York: ACM, 2006,pp:37-48

[9]Yi-hua Zhu, Wan-deng Wu, Victor C.M. Leung. Energy-efficient Tree-based Message Ferrying Routing Schemes for Wireless Sensor Networks [J] Mobile Networks and Applications (in press)