4.3　无线传感器网络网络层关键问题

无线传感器网络能实现区域内的数据监控，具有非常广阔的应用前景，但是由于无线传感器网络节点能耗、处理器速度、存储空间和无线信道带宽的限制，要实现大规模的应用还有许多需要克服的问题。目前无线传感器网络的路由协议是根据具体应用的需求来设计的，采用多种策略来实现具体的功能，但不管何种应用，无线传感器网络路由协议总具有以下几个特点。

• 由于节点的电池不可替换，高效、均衡地利用能量是好的路由协议所必须考虑的首要因素；

• 无线传感器网络中路由协议应尽量精简，无复杂的算法，无大量的冗余数据需要存储，控制开销少；

• 网络间的互联通过Sink节点来完成，其余节点不提供网外的通信；

• 网络中无中心节点，多采用基于数据或基于位置的路由算法机制；

• 为了应对节点的移动或失效，一般采用多路径备选。

尽管无线传感器网络路由协议的研究已经取得了较大的进展，但还有一些问题需要解决，下面就简要列出几个挑战。

1）节能

能量受限包括两方面的含义：一方面是指节点能量储备低，不可替换；另一方面是指无线传感器网络能量消耗过大。对于第一个方面，无线传感器网络节点通常是一次部署、独立工作的，所以可维护性非常低，但无线传感器网络又往往需要工作比较长的时间，这是一对矛盾。无线传感器网络中数据通信模块最为耗能，因此在路由协议中尽量减少数据通信量成了首要考虑的目标。例如，可在数据查询或者数据上报中采用某种过滤机制，抑制节点上传不必要的数据；采用数据融合机制，在数据传输到Sink节点前就完成可能的数据计算。

2）高扩展性

通常来说，无线传感器网络能够支持数千甚至上万个节点同时工作。网络规模越大意味着路由协议的收敛时间越长，网络的管理越不容易实现，而且由于无线传感器网络无法采用传统的全局控制路由算法来精确计算并优化路由，而是根据本地拓扑信息实现路由的局部优化。如何将路由的局部优化拓展到全局最优是路由算法面临的一个重要挑战，而且随着网络规模的扩大，在能量有限的情况下如何确保无线传感器网络的路由稳定性也成了一个必须要考虑的问题。

3）容错性

当网络规模很大时，无线传感器网络的无线信道冲突，节点的移动或者失效等会引起网络拓扑结构的频繁变化，使网络的稳定性下降、节点的出错率变高。路由协议利用节点的网络信息计算路由，以确保在路由出现故障时能够尽快恢复，并采用多路径传输来提高数据传输的可靠性。

4）数据融合技术

在一般的数据传输网络中，网络层协议提供点到点的报文转发功能以支持传输层实现端到端的分组传输；而无线传感器网络的目的是获取有效的信息，并不需要实现端到端的分组传输，通信只是一种辅助手段。在无线传感器网络的运行过程中，节点感知到的数据往往在逐次转发过程中不断地被加工处理，以达到降低网络开销、节省能量的目的。也就是说，数据在传输过程中已经被修改，并不是原封不动地从源端传送到目的端，这与传统网络以实现端到端无失真的数据传输的目标是不同的。在无线传感器网络中，节点没有必要将数据以端到端的形式传送给中心处理节点，只要有效数据最终汇集到Sink节点就达到了目的。因此，为了减少流量和能耗，在数据传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文并转发给下一跳，这就是数据融合的基本含义。采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调整。

5）通信量分布不均匀

无线传感器网络是一个数据采集网络，数据由节点搜集之后统一传送给Sink节点，因此以Sink节点为中心呈一个扩散区域，越靠近Sink节点的节点，其通信流量也就越大，负载也就越重，寿命也就越短。更加灵活地使用路由策略让各个节点分担数据传输，平衡节点的剩余能量，延长整个网络的生命周期就变得更加重要。例如，层次路由协议中采用的动态簇首，在路由选择中采用随机路由而非稳定路由，在路径选择中考虑节点的剩余能量。

除此之外，无线传感器网络还有许多需要克服的问题，如冗余设计、网络服务质量、安全性能等，在以后的协议设计中，还将考虑与其他技术的结合应用。