經(jīng)典無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由算法研究

吳赫

【摘 要】隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，路由算法的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求也逐漸提高，如何滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量成為了當(dāng)前的科學(xué)研究重點(diǎn)。本文以經(jīng)典的QoS路由算法的研究和基于數(shù)據(jù)分級(jí)技術(shù)的QoS路由算法為主要研究?jī)?nèi)容，總結(jié)了數(shù)個(gè)經(jīng)典的路由算法，通曉其優(yōu)缺點(diǎn)，為其他各項(xiàng)科研工作做好了鋪墊，具有充分的實(shí)際意義。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）；服務(wù)質(zhì)量（QoS）；路由算法

一、課題研究的目的及意義

伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了當(dāng)前國(guó)際上一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)就是收集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。但是如何在資源有限，節(jié)點(diǎn)密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為用戶提供更好的服務(wù)呢？這是一個(gè)最重要的問題，需要研究人員去探索。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)公平可靠，能夠節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，保證服務(wù)質(zhì)量（Quality of Server，QoS）需求的傳輸路由協(xié)議是很必要的。

有關(guān)QoS的有效定義，ITU-T標(biāo)準(zhǔn)化組織是在E.800種這樣描述的，QoS是一種服務(wù)性能的綜合體現(xiàn)，這種服務(wù)性能決定了網(wǎng)絡(luò)在很大程度上滿足業(yè)務(wù)用戶的要求。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了很多滿足QoS的路由協(xié)議，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可靠性、有效性、健壯性、安全性和及時(shí)性都有了一些提升，現(xiàn)有的SAR協(xié)議、SPEED協(xié)議、MMSPEED協(xié)議和EQP協(xié)議等都滿足一部分QoS，吞吐量、延遲、抖動(dòng)和數(shù)據(jù)丟包率等參數(shù)的需求[1]。但仍舊有很多的問題，例如傳統(tǒng)的協(xié)議都經(jīng)常會(huì)有可擴(kuò)展性差，路由開銷較大等問題，并不能夠滿足現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

由于無線傳感器可能部署在環(huán)境惡劣，或人跡罕至的地方，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，導(dǎo)致能源非常有限的，一旦電池耗盡，該節(jié)點(diǎn)將失去工作能力。于是節(jié)能一直是一個(gè)老生常談的問題。在一般的通信環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)的能源消耗分成兩部分：節(jié)點(diǎn)間通訊能量消耗和進(jìn)行計(jì)算能量消耗，而且傳輸一個(gè)比特所消耗的能量是在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部運(yùn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)能量均衡問題提出了苛刻的要求，需增加內(nèi)部計(jì)算，減少節(jié)點(diǎn)間的通信，努力提高各節(jié)點(diǎn)的利用效率。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們的重視，越來越多的人投入到該領(lǐng)域的研究中，但是由于無線傳感器是一門交叉學(xué)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(wǎng)絡(luò)中的QoS研究還沒有占有主導(dǎo)地位。

我國(guó)對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究幾乎是與其他發(fā)達(dá)國(guó)家同時(shí)起步的，研究水平處于世界前列，并不比其他發(fā)達(dá)國(guó)家落后。早在1999年，中國(guó)科學(xué)院就開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究，中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中首次提到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究，隨著研究工作的不斷深入和發(fā)展，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所于2001年建立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，主要來領(lǐng)導(dǎo)中國(guó)科學(xué)院關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作，是國(guó)內(nèi)最早展開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的單位之一，該中心聯(lián)合了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、微電子所、軟件所、半導(dǎo)體所以及聲學(xué)所等十余家科研單位和高校，經(jīng)過幾年的努力，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)架、協(xié)議棧、標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)同處理、組網(wǎng)、多種傳感器及陣列等關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破。目前我國(guó)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)形成了以應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)的特殊發(fā)展模式，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用服務(wù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面己經(jīng)走在了世界的前列，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大發(fā)展前景和商業(yè)價(jià)值將對(duì)我國(guó)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)，甚至人們的生活方式都產(chǎn)生重大影響[5，6]。

1）對(duì)現(xiàn)有QoS路由算法進(jìn)行分析

①SAR協(xié)議是最早將QoS的概念引入到路由決策當(dāng)中來的路由協(xié)議，一個(gè)以Sink節(jié)點(diǎn)的單跳鄰居節(jié)點(diǎn)為根的樹。通過使用生成樹，可以形成從Sink節(jié)點(diǎn)到傳感器的多條路徑，然后選擇其中的一條來進(jìn)行數(shù)據(jù)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(huì)引起一個(gè)本地的自動(dòng)路徑恢復(fù)程序，路由開銷較大，可擴(kuò)展性差。

②SPEED協(xié)議是另外一種為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)QoS路由協(xié)議，它提供了端到端軟實(shí)時(shí)的傳輸保證。這個(gè)協(xié)議要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)它的鄰居節(jié)點(diǎn)的信息并通過地理轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來尋找路徑。SPEED協(xié)議中有一個(gè)叫做無狀態(tài)非確定轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(jié)點(diǎn)。

SPEED協(xié)議首先交換接點(diǎn)的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況；然后節(jié)點(diǎn)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(shí)通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閥值之上。該算法保證了實(shí)時(shí)性，基于地理位置，擁有可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但平面的拓?fù)湓O(shè)計(jì)不足以滿足大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

③EQR協(xié)議為了保證路由的及時(shí)性，使用了一種節(jié)點(diǎn)排隊(duì)機(jī)制如圖1所示，節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)類型要求將其排放在相應(yīng)的隊(duì)列中；節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)所有可用路徑的延遲進(jìn)行估算，同時(shí)參考QoS的具體需求來確定帶寬比例。EQR的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸提供QoS支持，而且可以應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)傳輸過程中數(shù)據(jù)流量突發(fā)性地增長(zhǎng)對(duì)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

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