经典无线传感器网络路由算法研究

　　【摘要】随着无线传感器网络（WSN）的快速发展和科学技术的不断进步，路由算法的服务质量（QoS）要求也逐渐提高，如何满足无线传感器网络的服务质量成为了当前的科学研究重点。本文以经典的QoS路由算法的研究和基于数据分级技术的QoS路由算法为主要研究内容，总结了数个经典的路由算法，通晓其优缺点，为其他各项科研工作做好了铺垫，具有充分的实际意义。
　　【关键词】无线传感器网络（WSN）；服务质量（QoS）；路由算法
　　一、课题研究的目的及意义
　　伴随着信息技术的高速发展，无线传感器网络已经成为了当前国际上一个备受关注的研究热点。无线传感器网络的主要任务就是收集网络中的数据。但是如何在资源有限，节点密集的无线传感器网络中，为用户提供更好的服务呢？这是一个最重要的问题，需要研究人员去探索。因此，设计一个公平可靠，能够节约节点能量，保证服务质量（QualityofServer，QoS）需求的传输路由协议是很必要的。
　　有关QoS的有效定义，ITUT标准化组织是在E。800种这样描述的，QoS是一种服务性能的综合体现，这种服务性能决定了网络在很大程度上满足业务用户的要求。目前，国内外学者基于无线传感器网络提出了很多满足QoS的路由协议，为无线传感器网络的发展做出了巨大贡献，无线传感器网络中的可靠性、有效性、健壮性、安全性和及时性都有了一些提升，现有的SAR协议、SPEED协议、MMSPEED协议和EQP协议等都满足一部分QoS，吞吐量、延迟、抖动和数据丢包率等参数的需求〔1〕。但仍旧有很多的问题，例如传统的协议都经常会有可扩展性差，路由开销较大等问题，并不能够满足现代无线传感器网络的需求。
　　由于无线传感器可能部署在环境恶劣，或人迹罕至的地方，所以网络节点一般采用电池供电，导致能源非常有限的，一旦电池耗尽，该节点将失去工作能力。于是节能一直是一个老生常谈的问题。在一般的通信环境中，节点的能源消耗分成两部分：节点间通讯能量消耗和进行计算能量消耗，而且传输一个比特所消耗的能量是在节点内部运算一条指令消耗的能量的很多倍〔2，3〕。因此，在无线传感器网络节点和通信协议的设计中，需要对能量均衡问题提出了苛刻的要求，需增加内部计算，减少节点间的通信，努力提高各节点的利用效率。
　　二、国内外研究现状及技术发展趋势
　　近年来，无线传感器网络越来越受到人们的重视，越来越多的人投入到该领域的研究中，但是由于无线传感器是一门交叉学科，涉及到的研究范围比较广泛，需要解决的问题比较多，因此，无线传感器网络中的QoS研究还没有占有主导地位。
　　我国对于无线传感器网络技术的研究几乎是与其他发达国家同时起步的，研究水平处于世界前列，并不比其他发达国家落后。早在1999年，中国科学院就开始了无线传感器网络相关的研究，中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中首次提到了无线传感器网络的相关研究，随着研究工作的不断深入和发展，中国科学院上海微系统所于2001年建立了微系统研究与发展中心，主要来领导中国科学院关于无线传感器网络的研究工作，是国内最早展开无线传感器网络研究的单位之一，该中心联合了中国科学技术大学、微电子所、软件所、半导体所以及声学所等十余家科研单位和高校，经过几年的努力，在无线传感器网络的体系构架、协议栈、标准化、协同处理、组网、多种传感器及阵列等关键技术上取得了重大突破。目前我国的无线传感器网络研究已经形成了以应用为驱动的特殊发展模式，在技术标准、应用服务、产业规模等方面己经走在了世界的前列，无线传感器网络的巨大发展前景和商业价值将对我国的社会、经济，甚至人们的生活方式都产生重大影响〔5，6〕。
　　1）对现有QoS路由算法进行分析
　　SAR协议是最早将QoS的概念引入到路由决策当中来的路由协议，一个以Sink节点的单跳邻居节点为根的树。通过使用生成树，可以形成从Sink节点到传感器的多条路径，然后选择其中的一条来进行数据的传输。主要满足了可靠性，但这种算法主要的问题就是任何局部的故障都会引起一个本地的自动路径恢复程序，路由开销较大，可扩展性差。
　　SPEED协议是另外一种为无线传感器网络设计QoS路由协议，它提供了端到端软实时的传输保证。这个协议要求每个节点都要维护它的邻居节点的信息并通过地理转发机制来寻找路径。SPEED协议中有一个叫做无状态非确定转发机制（SNGF）的路由模块，它用来选择满足传输速率要求的下一跳节点。
　　SPEED協议首先交换接点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理位置信息和传输速率信息作出路由决定，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阀值之上。该算法保证了实时性，基于地理位置，拥有可扩展性好等优点，但平面的拓扑设计不足以满足大规模的无线传感器网络系统。
　　EQR协议为了保证路由的及时性，使用了一种节点排队机制如图1所示，节点会对接收到的数据包进行检测，根据类型要求将其排放在相应的队列中；节点会对所有可用路径的延迟进行估算，同时参考QoS的具体需求来确定带宽比例。EQR的优点是不仅可以对实时数据的传输提供QoS支持，而且可以应对实时传输过程中数据流量突发性地增长对非实时数据传输的影响。
　　【参考文献】
　　〔1〕V。CaR。Gungor；GerhardP。Hancke。IndustrialWirelessSeneorNetworks〔M〕。CRC。2013，4。
　　〔2〕庄锁法，龚俭。网络拓扑发现综述〔J〕。计算机技术与发展，2012，（10）：8083，91。
　　〔3〕刘永帅。无线传感器网络拥塞控制的研究〔D〕。燕山大学，2012。
　　〔4〕刘鑫。基于传感器节点缓冲区大小的拥塞避免算法〔D〕。山东大学，2007。
　　〔5〕李海永，李晓，张岩。无线传感器网络簇内分级数据融合算法〔J〕。计算机工程，2011，37（12）：8284。
　　〔6〕钱志鸿，王义君。面向物联网的无线传感器网络综述〔J〕。电子与信息学报，2013，35（1）：215227。