經典無線傳感器網絡QoS路由算法研究

吳赫

【摘 要】隨著無線傳感器網絡（WSN）的快速發展和科學技術的不斷進步，路由算法的服務質量（QoS）要求也逐漸提高，如何滿足無線傳感器網絡的服務質量成為了當前的科學研究重點。本文以經典的QoS路由算法的研究和基于數據分級技術的QoS路由算法為主要研究內容，總結了數個經典的路由算法，通曉其優缺點，為其他各項科研工作做好了鋪墊，具有充分的實際意義。

【關鍵詞】無線傳感器網絡（WSN）；服務質量（QoS）；路由算法

一、課題研究的目的及意義

伴隨著信息技術的高速發展，無線傳感器網絡已經成為了當前國際上一個備受關注的研究熱點。無線傳感器網絡的主要任務就是收集網絡中的數據。但是如何在資源有限，節點密集的無線傳感器網絡中，為用戶提供更好的服務呢？這是一個最重要的問題，需要研究人員去探索。因此，設計一個公平可靠，能夠節約節點能量，保證服務質量（Quality of Server，QoS）需求的傳輸路由協議是很必要的。

有關QoS的有效定義，ITU-T標準化組織是在E.800種這樣描述的，QoS是一種服務性能的綜合體現，這種服務性能決定了網絡在很大程度上滿足業務用戶的要求。目前，國內外學者基于無線傳感器網絡提出了很多滿足QoS的路由協議，為無線傳感器網絡的發展做出了巨大貢獻，無線傳感器網絡中的可靠性、有效性、健壯性、安全性和及時性都有了一些提升，現有的SAR協議、SPEED協議、MMSPEED協議和EQP協議等都滿足一部分QoS，吞吐量、延遲、抖動和數據丟包率等參數的需求[1]。但仍舊有很多的問題，例如傳統的協議都經常會有可擴展性差，路由開銷較大等問題，并不能夠滿足現代無線傳感器網絡的需求。

由于無線傳感器可能部署在環境惡劣，或人跡罕至的地方，所以網絡節點一般采用電池供電，導致能源非常有限的，一旦電池耗盡，該節點將失去工作能力。于是節能一直是一個老生常談的問題。在一般的通信環境中，節點的能源消耗分成兩部分：節點間通訊能量消耗和進行計算能量消耗，而且傳輸一個比特所消耗的能量是在節點內部運算一條指令消耗的能量的很多倍[2，3]。因此，在無線傳感器網絡節點和通信協議的設計中，需要對能量均衡問題提出了苛刻的要求，需增加內部計算，減少節點間的通信，努力提高各節點的利用效率。

二、國內外研究現狀及技術發展趨勢

近年來，無線傳感器網絡越來越受到人們的重視，越來越多的人投入到該領域的研究中，但是由于無線傳感器是一門交叉學科，涉及到的研究范圍比較廣泛，需要解決的問題比較多，因此，無線傳感器網絡中的QoS研究還沒有占有主導地位。

我國對于無線傳感器網絡技術的研究幾乎是與其他發達國家同時起步的，研究水平處于世界前列，并不比其他發達國家落后。早在1999年，中國科學院就開始了無線傳感器網絡相關的研究，中國科學院《知識創新工程試點領域方向研究》的“信息與自動化領域研究報告”中首次提到了無線傳感器網絡的相關研究，隨著研究工作的不斷深入和發展，中國科學院上海微系統所于2001年建立了微系統研究與發展中心，主要來領導中國科學院關于無線傳感器網絡的研究工作，是國內最早展開無線傳感器網絡研究的單位之一，該中心聯合了中國科學技術大學、微電子所、軟件所、半導體所以及聲學所等十余家科研單位和高校，經過幾年的努力，在無線傳感器網絡的體系構架、協議棧、標準化、協同處理、組網、多種傳感器及陣列等關鍵技術上取得了重大突破。目前我國的無線傳感器網絡研究已經形成了以應用為驅動的特殊發展模式，在技術標準、應用服務、產業規模等方面己經走在了世界的前列，無線傳感器網絡的巨大發展前景和商業價值將對我國的社會、經濟，甚至人們的生活方式都產生重大影響[5，6]。

1）對現有QoS路由算法進行分析

①SAR協議是最早將QoS的概念引入到路由決策當中來的路由協議，一個以Sink節點的單跳鄰居節點為根的樹。通過使用生成樹，可以形成從Sink節點到傳感器的多條路徑，然后選擇其中的一條來進行數據的傳輸。主要滿足了可靠性，但這種算法主要的問題就是任何局部的故障都會引起一個本地的自動路徑恢復程序，路由開銷較大，可擴展性差。

②SPEED協議是另外一種為無線傳感器網絡設計QoS路由協議，它提供了端到端軟實時的傳輸保證。這個協議要求每個節點都要維護它的鄰居節點的信息并通過地理轉發機制來尋找路徑。SPEED協議中有一個叫做無狀態非確定轉發機制（SNGF）的路由模塊，它用來選擇滿足傳輸速率要求的下一跳節點。

SPEED協議首先交換接點的傳輸延遲，以得到網絡負載情況；然后節點利用局部地理位置信息和傳輸速率信息作出路由決定，同時通過鄰居反饋機制保證網絡傳輸速率在一個全局定義的傳輸速率閥值之上。該算法保證了實時性，基于地理位置，擁有可擴展性好等優點，但平面的拓撲設計不足以滿足大規模的無線傳感器網絡系統。

③EQR協議為了保證路由的及時性，使用了一種節點排隊機制如圖1所示，節點會對接收到的數據包進行檢測，根據類型要求將其排放在相應的隊列中；節點會對所有可用路徑的延遲進行估算，同時參考QoS的具體需求來確定帶寬比例。EQR的優點是不僅可以對實時數據的傳輸提供QoS支持，而且可以應對實時傳輸過程中數據流量突發性地增長對非實時數據傳輸的影響。

【參考文獻】

[1] V. Ca R. Gungor； Gerhard P. Hancke. Industrial Wireless Seneor Networks [M]. CRC .2013，4.

[2] 莊鎖法，龔儉. 網絡拓撲發現綜述[J]. 計算機技術與發展，2012，（10）：80-83，91.

[3] 劉永帥. 無線傳感器網絡擁塞控制的研究[D]. 燕山大學， 2012.

[4] 劉鑫. 基于傳感器節點緩沖區大小的擁塞避免算法[D]. 山東大學， 2007.

[5] 李海永， 李曉， 張巖. 無線傳感器網絡簇內分級數據融合算法[J]. 計算機工程， 2011， 37（12）：82-84.

[6] 錢志鴻， 王義君. 面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J]. 電子與信息學報， 2013， 35（1）：215-227.endprint