無線傳感器網絡路由專利申請分析

董玉慧　何芳玉　紀云

【摘要】 無線傳感器網絡路由技術中，由于硬件和能量條件的限制，提高數據傳輸可靠性、均衡網絡能耗等研究一直是其研究熱點，也是制約無線傳感器網絡產業應用的關鍵技術。本文針對目前無線傳感器網絡路由技術的幾類研究方向出發，梳理了路由技術在專利申請方面的研究進展。

【關鍵詞】 無線傳感器網絡 能量 路由 專利

一、 引言

無線傳感器網絡（WSNs）是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，這些傳感器在在微小體積內通常集成了信息采集、數據處理和無線通信等多種功能，它可以實現協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域里被監測對象的信息，并發送給觀察者，從而實現用戶對目標區域的感知。目前，WSNs已被廣泛應用于軍事、工業、家庭、醫療健康和環境監測等諸多領域，傳感器節點采集到的數據需要及時、可靠地傳輸給用戶，其直接影響到用戶的感知能力，因此，本文將主要關注用于實現數據傳輸的WSNs路由技術在專利申請方面的研究進展。

二、 WSNs路由技術簡介

無線傳感器網絡中，由于受硬件和能量條件限制，節點之間往往無法直接通信，通常需要借助中間節點以多跳方式將數據傳送到目的節點，通常，路由協議就是指將數據包從源節點通過可用的路徑發送到目標節點。無線傳感器網絡具有規模大、能量受限、以數據為中心、與應用環境相關等特征，單一的路由協議不能適用于各種應用環境，因此設計出多種路由協議，根據這些路由協議所采用的網絡結構或對各種特征的敏感度不同，可以將其分成不同類型，如分簇、能量感知、多路徑等路由協議。

三、WSNs路由技術發展路線

在這一章節我們將會結合技術發展路線來詳細介紹各技術分支的提出的背景及各技術分支的工作原理及其優缺點。

圖1 WSNS路由技術發展路線圖

能耗一直是WSNs路由技術研究的重點，傳感器節點的能量主要消耗在信息感知、數據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絡的能耗均衡，延長網絡壽命。而且根據傳感器節點各部分能量消耗情況可知，通信消耗的能量遠遠大于其它過程所消耗的能量，處于睡眠狀態時節點所消耗的能量最小，如果節點在沒有數據需要傳輸時能夠迅速轉入睡眠狀態，就能節省很多不必要的能耗，因此提出了關于睡眠調度機制的專利申請。

隨著無線多媒體傳感器網絡（WMSNs）的提出，為了實現在滿足QoS情況下最小化能耗的目的，出現了針對WMSNs的基于QoS路由技術的專利申請。而且對WMSNs來說，傳統的單路徑路由協議有著難以改善的缺點，例如帶寬受限、存在一定的傳輸延遲而不能保證視頻服務質量，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，隨著通信技術的發展越來越迅速，研究者們研發出了一類新型的傳感器節點，若將它們應用在水下環境中，則可構成水下傳感器網絡。由于水下環境的復雜性，要求其路由協議具有良好的魯棒性能，原來適用于陸地傳感器網絡的路由協議無法直接應用于水下環境中，因此出現了針對水環境的UASNs的路由協議的設計，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路由技術的一種重要分支，這是由于WSNs被廣泛應用于許多領域來處理敏感的信息，應用場景包括軍事、工業、家庭、醫療健康和環境監測等領域，采用有效的密鑰管理技術、信任管理等增加安全機制的方法，以應對面臨的安全威脅問題。下面將詳細介紹圖1中所示的各路由分支的工作原理：

（1）能量感知路由：該類路由根據節點的可用能量或傳輸路徑上的能量要求，選擇數據轉發的路徑，重點在于最優能量消耗路徑以及延長網絡生命周期等。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：與平面路由中節點之間處于平等的關系不同，分簇路由中選擇某些特定的節點作為簇頭節點組成小范圍的骨干網，而各個簇頭又構建自身的子網，并且負責子網與外網之間的通信，即保證了網絡的連通，又能夠節省大量的節點能量，適用于大規模的WSNs，由于簇內節點能夠長時間關閉通信模塊減少能量消耗，所以能夠顯著延長網絡的生命周期。（3）基于地理位置信息路由：假定傳感器節點能夠知道自身地理位置或者計算得到自身地理位置，節點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，比如將感知數據或者查詢請求發送到指定方向從而減少泛洪帶來的數據無效傳輸的問題，也可以直接使用地理位置信息來實現路由。（4）基于QoS的路由：實現路由發現和維護的同時，還力求滿足網絡的QoS需求。一些協議在建立路由路徑的同時，還考慮節點的剩余能量、每個數據包的優先級、估計端到端的時延，從而為數據包選擇一條最合適的發送路線。（5）多路徑路由：將源節點到目標節點之間的單一的一條路徑擴充到多條路徑，并可以根據需要選擇如何使用這些路徑。可以選用多條路徑并發傳輸如圖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據如圖1中的申請CN101442787A，以提高傳輸可靠性和實現負載均衡。（6）基于睡眠調度路由：讓各個傳感器節點之間輪換進行工作，使得節點在需要的時候工作，不需要的時間睡眠，整個過程仍然保證網絡的連通性，能夠很大程度上降低網絡能量消耗。