WSN可靠路由机制分析

陈 昊

(中国劳动关系学院，北京 100044)

WSN可靠路由机制分析

陈 昊

(中国劳动关系学院，北京 100044)

传统的多路径传输路由来能够提高传输的可靠性，但路径的维护和更新需要消耗大量的资源。机会路由相对于传统的路由策略，适用于无线传感网传输，但面临着同时传播会有冲突的问题。本文结合可靠路由和机会路由，针对带状网络区域，考虑以节点位置信息确定转发候选节点优先级的机会路由能够很好地平衡能耗和可靠传输的关系。

无线传感网；机会路由；可靠传输

0 引言

数据收集是各种监测应用中的首要任务，感知节点需要将采集到的信息可靠地传输到sink节点，这对无线传感网的传输可靠性、生命周期、通信代价等方面提出要求。由于路由策略对这些性能有至关重要的影响，所以，有效的路由机制是一个关键性问题。路由策略通常解决在一些其他性能标注约束下的最小化能量消耗[1]或传输延迟或传输代价[2-4]。然而，由于无线信道的不稳定会导致路由的不确定，影响数据传输的可靠性。因此，最近提出了一种新的适用于无线传感网这类不可靠链路的多路径的无线网络路由机制，即机会路由（OR）[5]-[7]。机会路由相对于传统的路由策略来说，下一跳不是确定的节点，而是一个可能的转发节点候选集，发送节点基于链路质量作出概率性转发决策以减少不确定的无线链路、泛洪延迟和冗余传输。然而，机会路由协议面临着当有多个串音转发者会有同时传播的冲突和能量消耗的问题

1 研究现状

1.1 可靠路由

可靠路由算法的主要功能是使得数据由源节点正确地传输到目的节点。它包括两个方面的功能：第一是为不同的源节点和目的节点对选择一条传输路径；第二是在路由选好以后，将数据正确地由源节点传送到目的节点。可靠路由问题就是找到满足数据可靠传输的路径的问题。

文献[8-10]是通过提高传输速率来实现端到端的低传输时延，保证可靠的路由。SPEED[8]采用邻居反馈策略(NFL)和反向压力路由变更机制(BPR)避免链路拥塞和路由空洞，提高了传输可靠性和速率，但因没有考虑节点的能量消耗情况，大大降低了网络的整体寿命。文献[11]提出将多报文和多路径两种方式相结合，即利用同一份数据沿同一条路径发送多次和沿多条路径同时发送相结合，主要是利用冗余数据的传输保障可靠性。该协议根据期望的可靠性和网络的状况决定转发的份数和路径数，达到较好的可靠性，但在负载增大加重了网络负担。ReInForm[12]也是依靠冗余数据的传输提高可靠性，该协议随机选择多条路径，同时发送同一份数据。协议无需维护路径，但每个节点需要掌握本节点和所有邻居节点到sink的跳步数。MMSPEED[13]是一种同时满足实时性和可靠性的多路径传输协议。然而，此协议同上述协议一样都缺乏对能量因素的考虑。

目前大多数路由算法采用多路径传输方式来实现高可靠性传输，虽然该方式能够提高传输的可靠性，但路径的维护和更新需要消耗大量的资源，影响网络的寿命，同时它们一般也很少考虑链路通信质量因素。

1.2 机会路由

2005年被首次提出了机会主义路由的概念，在很短的时间内，对其研究已经非常广泛，同时大量的算法也相继被提出。确定性路由协议中，为节点选择单一中继节点的理念在机会路由中不再使用，转而通过多个潜在中继节点竞争的方式，自主智能判断进行下一跳转发节点的选择，用多个节点组成的转发列表来替代确定性路由的单一中继节点，达到了充分利用无线信道的广播特性，提高了传输的可靠性。

按照网络结构分类，机会主义路由包括有基础设施支持和无基础设施支持的路由。采用无基础设施支持的机会主义路由技术不包含移动的或者固定的基础设施，在网络之中的通信实体通常是普通节点，且这些节点具有平等的地位，从而使得网络具有更强的稳定性，较低的成本，有利于大规模部署。由于此类路由与无线传感网的特性一致，使得我们对这一类路由更加关注。在无基础设施支持的机会主义路由中，又包含了基于分发的和基于认知的机会主义路由。采用基于分发的路由技术，在将消息依次传播到目的节点时需要通过全网络的扩散，依靠节点间的接触，消息能够最终到达目的节点。在高移动性网络或者中密集网络中，基于分发路由技术的表现显著地优于其他类型路由技术，并能够确保最小的时延，代表的路由算法有OR-EAX、ORETX和GPSR[14]。

机会路由有以下两部分组成：（i）转发候选集选择，确定转发节点集合。（ii）转播优先任务，决定转发候选集合中的优先传输节点。在长城这类监测应用中，其特殊的带状网络结构使得路由策略候选集的选择有别于传统区域。这是受带状区域垂直方向和拐弯处的宽度限制的。这里，定义从源节点到sink节点的直线方向为传输方向，即在选择带状区域的转发候选集时应该考虑传输方向。

然而现有的适用于带状网络结构的解决方案只考虑了传感器的部署，鲜有研究如何在线性拓扑网络结构上部署节点以达到无线传感网的最大的生命周期。给定已知数目的传感器和特定的覆盖要求，研究如何部署能够达到最大化网络生命期和最小化特定应用的代价这两个目标。GUO 等人也研究了在监测石油管道的线性传感器部署问题[15]。然后没有其他的工作聚焦在像带状区域这样的网络结构下的路由策略上。

现有的工作考虑到的机会路由策略都是不考虑传输方向的。在机会路由领域，EXOR[7]，CBF[16]，MRD[17]和OMS[18]已经研究了多种开发无线广播介质的技术和多种保证有效信息投递的机会路由。EXOR是第一个研究路由和MAC技术来实现机会路由策略的实用系统。它广播每一个包，选择最好的接收者去转发。然而，它在节点的转发处理上定义了严格的调度。

有两种典型的机会路由机制，基于地理位置辅助[5-6,19-20]和基于链路状态[7,21]。一个最重要的机会路由机制是GeRaF[5]，地理位置上更靠近目的节点的转发候选集拥有更高的转播优先级。文献[19]提出了移动adhoc网络转发的论点，讨论了三个避免包复制的抑制策略。文献[22]对比了诸如能耗，延迟，丢包率等性能。在无线传感网这个领域，很少有工作聚焦在提供延迟保证和能量消耗的问题上。YU等人提出了多种技术来最小化通信延迟同时能够维护能源效率[23]。最近，DSF[24]提出了一个新的数据转发技术，能够最优化数据传输率，端到端延迟或数据投递的能源消耗。

然而，所有的这些GOR解决方案都盲目的把可获得的下一跳邻居节点作为转发候选者，没有解决方案研究了带状网络结构下的传输方向。此外，机会路由机制还面临着，当有多个数据同时传输时会产生冲突。根据上面的分析，显而易见，带状网络结构的路由与通常的应用环境有着显著的不同。因此，应集中考虑以下两个问题：

（1）已知带状网络结构和传播方向，怎么选择转发候选集。

（2）已知在传播方向上的转发候选集，怎么确定从每个传感器到sink节点的路由策略。从而使在期望的网络负载平衡下总的通信代价最最小，网络生命周期最大。

在以上研究的基础上，提出了在带状网络中方向传输的基本思想。而且，把机会路由机制和传输方向结合在一起，从而达到了在预期网络负载平衡的基础上实现最小化网络通信代价和最大化网络生命周期的目标。

2 高可靠性保障的机会路由策略

在很多应用中，网络的部署具有带状结构特点。比如管道监测[25-26]，水质监测[27]，道路监测，交通监测中，传感器节点通常部署在管线，河流，道路的边缘地带。为便于研究，可以将部署环境抽象为具有代表性的两种网络结构，第一种为直线带状网络，图1所示，传感器节点部署在近似于直线的狭窄的带状区域，sink节点放置在中心。另一种为转弯带状网络，图2至图4所示，与直线带状区域区别的是，存在一个夹角为θ的转弯，0＜θ＜π。在此基础上，以节点位置信息确定转发候选节点优先级的基于地理位置的机会路由（GOR）是最佳选择。

图1 直线带状区域

图2 带拐角的带状区域-工形

图3 带拐角的带状区域-L形

图4 带拐角的带状区域-V形

假设无线传感网被部署在形如石油管道这样的带状区域的网络结构环境中。无线传感器网络通常包含一个sink节点和一系列分散在sink节点周围的源节点传感器。在网络结构处理时，任意传感器节点的位置对定位算法而言都是已知的，sink节点的位置也是已知的。在这个方案中，传感器节点感知环境信息，发送数据到被部署在带状区域中心的sink节点，专家可以根据传感信息做出决策。

在现有的文献下，全方位传输的随机无线网络经常被处理成归一化单元密度的泊松点过程模型[28]。在固定的能量约束下，两个节点只有在恒定的范围r下可以互相通信。转发候选者的成功选择代表了网络的连通性，上述随机模型的连通性已经广泛的被渗流理论模型所研究。因此一个自然而然的获得最优候选集的方法就是用有方向的传输方法映射泊松点过程到一个渗流模型站点。

3 结 论

本文研究了可靠路由和机会路由的现有工作，分析特殊的监测区域带状网络路由的特点，重点研究在带状网络结构上的数据转发的工作的缺乏，给出一个确定最优转发候选集的思想。

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WSN Reliable Routing Protocol Analysis

CHEN Hao
(China Institute of Industrial Relations, Beijing)

The traditional multipath transmission path can improve the transmission reliability, but new path maintenance needs to consume large amounts of resources. Opportunistic routing protocol is more suitable for wireless sensor network transmission, but faces the problem of simultaneous transmission conflict. This paper combines reliable routing and opportunistic routing to consider opportunistic routing with forwarding node priority by node location information. This idea can balance the relationship between energy consumption and reliable transmission.

WSN, Opportunistic routing, Reliable transmission

TP212.9

ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.12.044

中国劳动关系学院院级项目12zy020和一般项目“无线传感网拥塞控制技术的研究与应用”资助。

陈昊，女，副教授，博士，主研方向：无线传感器网络。

本文著录格式：陈昊. WSN可靠路由机制分析[J]. 软件，2016，37（12）：206-209