[发明专利]一种无线传感网络中快速路由的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络中的路由方法及装置，尤其涉及一种无线传感网络中的快速路由方法及装置。

背景技术

目前，智慧城市的建设以及物联网产业的迅猛发展，使得大规模无线传感网络的应用和移动节点与静态节点混合并存情况更加普遍，这些都对无线传感网络提出了更高的要求。在此种背景下，传感器节点的数量可能达到几百万个。网络经常有新节点加入或已有节点失效，网络拓朴结构变化快，人很少干预其运行。传感器必须具有相应的通信协议必须具有可重构和自适应性、高健壮性和容错性。在这方面的研究中，目前尚存在几个值得思考的问题：比如，如何实现精简协议族、如何实现节点的自组织和重配置、如何设计异构的网络路由协议、如何设计适用于移动的网络路由协议以及网络安全问题。尤其是，当网络有一种紧急的消息或者高优先级的消息需要在尽可能短的时间内传输到网关时，需要有一种能够支持该消息发送的特有路由协议支持。

现有的无线传感网络的传统路由协议主要有：

1、扩散法(Flooding)

扩散法是一种传统的最基本的网络路由协议，不需要知道网络拓朴结构和使用任何路由算法。节点将数据副本广播给每个邻居节点，邻居节点又将其传输给各自的每个邻居节点，直到将数据传输到目标节点为止。优点：①实现简单；②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；③适用于健壮性要求高的场合。缺点：①存在信息爆炸(Implosion)问题；②出现部分重叠(Overlap)现象；③盲目使用资源。

2、闲聊法

Hedeniemi S等人提出的Gossiping闲聊法是扩散法的改进版本。节点随机选择某一个邻居节点转发分组，而不是用广播，如果一个节点第二次收到它的邻居节点的数据副本，则将此数据发回邻居节点。优点：节约能量， 避免了“内爆”问题。缺点：仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资源问题，而且数据传输平均时延拉长，传输速度变慢。

3、以数据为中心的路由协议

以数据为中心的路由协议是基于查询和对目标数据的命名之上的，通过数据聚合减少重复的数据传送。以数据为中心路由还可分为：事件驱动模式和查询驱动模式。其中，SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation)是由Kaulik等提出的第一种以数据为中心的自适应通信路由协议。节点仅广播采集数据的属性描述信息（元数据meta-data）而不是数据本身，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。优点：①元数据的传输耗能相对较少；②只广播其它节点没有的数据，减少了能耗；③不维护邻居节点信息，适应节点移动的情况。缺点：健壮性差。会出现“数据盲点”，进而影响整个网络信息的收集。不适用于高密度节点分布的情况。

4、谣传路由(rumor routing)

Boulis等人提出的谣传路由是Directed Diffusion的一个改进。节点的代理消息、汇聚节点的查询消息各自沿随机路径传播。当两条路径交叉在一起时，形成一条完整路径。优点：避免了大量扩散过程，显著节省能量。适用于数据传输量较小的情况。缺点：如果网络拓朴结构频繁变动，性能大幅下降。

5、MTE（Minimum Transmission Energy）

当节点经中转到目的节点的传输能量小于它的最短路径的传输能量时，选择该中转节点转发数据。优点：简单、开销小，每个节点只需要找到通往Sink节点的下一跳节点，然后把数据发给它。缺点：节点之间负载不平衡，靠近汇聚节点的节点因路由任务过重很快耗尽能量而死亡，缩短了整个网络的生命。

6、基于地理位置的路由协议

基于地理位置的路由协议利用位置信息传送数据到指定区域而不是整个网络，来降低能耗。这方面的协议主要是来源于移动Ad-hoc网络，设计时考虑了节点的移动性。但是它们在节点移动很少或者根本不移动的情况下也非常适用。其中，GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) GEAR也可以认为是Directed Diffusion方法的一种改进。利用位置信息向某一个特定的区域广播查询请求，根据位置信息和节点能量剩余情况，将数据发回到汇聚节点。优点：避免了扩散传播，节省能源，网络寿命延长。缺点：由于缺乏足够的拓朴信息，路由过程中可能遇到路由空洞，反而降低了路由效率。只适用于节点移动性不强的应用环境。

7、基于服务质量的路由协议