??? 摘 要：傳感器網絡" title="傳感器網絡">傳感器網絡" title="無線傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡">無線傳感器網絡是由大量具有感知、計算和通信能力的能量有限的微型傳感器節點" title="傳感器節點">傳感器節點組成。為了建立有效的數據傳輸路徑，節約能耗和帶寬，延長網絡生存期，設計能量有效的數據分發" title="數據分發">數據分發方案是至關重要的。針對無線傳感器網絡中節點是否可移動的三種情況，分析了目前提出的主要數據分發方案。
??? 關鍵詞： 無線傳感器網絡； 數據分發； 能量有效
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??? 無線傳感器網絡是由大量具有感知、計算和通信能力的低成本低功耗的微型傳感器組成，用于實時感知和采集網絡覆蓋區域內的感知對象的信息，在軍事國防、醫療健康、環境監測、搶險救災、防恐反恐、動物習性以及交通流量監測等領域都具有廣闊的應用前景，特別適合應用于人不宜到達的惡劣環境和危險區域。無線傳感器網絡常常由成百上千個傳感器協同工作，傳感器網絡中的節點一般可分成兩類：一是傳感器節點，也稱為源節點，這些節點可對觀察范圍內的感知對象產生原始數據，并可存儲、處理和傳輸數據,這些節點靠不能補充的電池供電，能量有限;二是網關節點，也稱為sink節點（或基站），這些節點用于實現傳感器網絡與Internet的連接，往往數量有限，但能量能夠得到補充。研究表明，傳感器網絡中數據通信需要消耗大量能量，如何建立有效的數據傳輸路徑，節約節點的傳輸能耗，延長網絡生存期，設計能量有效的數據分發方案是至關重要的。
1 數據分發的分類
??? 根據源節點與sink節點是否可移動，數據分發可分為三類：
(1)固定源節點與固定sink節點間的數據分發。源節點與sink節點一旦配置好，它們的位置就不再改變，直到網絡終止，這是使用最廣泛的數據分發。
(2)固定源節點與移動sink節點間的數據分發。用戶使用PDA移動設備在感知區域內移動，通過查詢源節點來獲取有關對象的當前狀態或近來目標活動的概況。
(3)移動源節點與移動sink節點間的數據分發。可用于監測和跟蹤移動目標的傳感器網絡。
2 數據分發方案
有效可靠的數據分發關鍵在于建立數據分發的路徑，通常要考慮節點的剩余能量、所處的地理位置、網絡拓撲、當前環境和節點狀態等因素。數據分發方案主要用于優化數據分發路徑，使其盡量接近最佳路徑，以減少能量消耗" title="能量消耗">能量消耗和網絡擁塞，有效延長網絡壽命。針對數據分發的三種分類，需要使用不同的數據分發方案，才能確保有效的數據傳輸。
2．1 源與sink節點均固定的數據分發方案
源與sink節點均固定的傳感器網絡應用最為廣泛，常用于環境監測、搶險救災、防恐反恐以及交通流量監測等，吸引了許多研究者的關注，提出了以下典型的數據分發方案：
(1)基于外部存儲的數據分發方案ES(External Storage-based data dissemination scheme)[1]，這是使用最廣泛的一種方案，它依賴于一個位于傳感器網絡外部的集中式基站，該基站用于收集和存儲感知數據。這種方案必須把源節點的所有感知數據傳送給基站，在查詢過多時，非常低效。
(2)基于數據中心存儲的數據分發方案DCS(Data-Centric Storage-based data dissemination scheme)[2]，事件的感知數據被存儲在網絡中的某些節點上，不管什么查詢，數據都使用預定義的方式傳送。這種方案缺乏適應性，可能會引起很多不必要的數據傳輸，查詢效率較低。
? (3)基于本地存儲的數據分發方案LS(Local Storage-based data dissemination scheme)，源節點只有收到sink節點的查詢時，才發送數據給sink節點，這樣可以避免傳輸不必要的感知數據。這種方案需要一個sink-source的匹配機制，使sink節點容易找到持有所需數據的源節點，大多數采用匹配機制遵循flood-response的模式，需要在網絡中泛洪某些控制消息。由于大范圍的網絡泛洪，可能會引起嚴重的網絡阻塞和大量的能量消耗。
(4)基于索引的數據分發方案(index-based data dissemination scheme)[3]，這種方案克服了以上幾種方案存在的問題。在這種方案中，負責監測某對象的源節點定期產生該監測對象的感知數據，并存儲到存儲節點上，存儲節點可能是該源節點，也可能是鄰近的某個節點。同時，存儲節點的位置信息(稱為索引)，要增加到索引節點上。當sink節點想查詢某個被監測對象產生的感知數據時，就發送一條查詢消息給有關的索引節點，索引節點收到該消息后轉發查詢請求給相應的存儲節點，由存儲節點直接發送查詢結果給sink節點。其基本思想如圖1所示。這種數據分發方案避免了發送不需要的感知數據，也不需要把控制信息泛洪到整個網絡，改善了整個系統的性能，但是增加了維護索引節點的額外費用。
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(5)多級數據分發方案(multi-resolution data dissemination scheme)[4]，綜合了LS和DCS數據分發方案的技術。其基本思想是在數據源中選擇一個頭節點，代表源節點在最近的注冊節點上進行注冊。sink節點把查詢發送到所有注冊節點上，從注冊節點再把查詢發送到所有匹配的頭節點，當頭節點收到查詢后，在數據源內選擇一組節點進行查詢。由于sink節點的位置包含在它分派的查詢中，查詢節點可以直接把感知數據發送給sink節點，其基本思想如圖2所示。這種數據分發方案避免了查詢泛洪，能有效減少能量消耗。但是在數據源中只是基于感知范圍參數來選擇查詢節點，沒有考慮數據的分布情況。
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2.2 源節點固定而sink節點不固定的數據分發方案
源節點固定，而sink節點可以移動的傳感器網絡應用廣泛。每個移動的sink節點，只要定期報告它們的當前位置，就可從源節點處接收到感知數據。但頻繁的位置更新需要消耗大量能量，而帶寬和電池能量是嚴格受限的。針對這種傳感器網絡的特點，研究者提出了一些數據分發方案，其中比較典型的有以下幾種：
(1)TTDD(Two-Tier Data Dissemination)數據分發方案[5]。該方案是把監測區域分成一些均勻的網格單元，把最靠近網格邊界的傳感器節點稱為分發節點，用來轉發數據。當監測某個事件的源節點把事件泛洪到網絡中時，對該事件感興趣的sink節點在其所在單元內泛洪查詢，最近的分發節點收到該查詢時，把查詢轉發給鄰近的分發節點，轉發處理一直持續到查詢到達源節點或擁有相應數據的分發節點。在查詢轉發期間，建立發送數據給sink節點的反向路徑。TTDD使用局部查詢泛洪，有效防止了在大規模網絡中的消息爆炸。然而網格構建和維護將導致相當大的開銷，帶寬和能量的使用效率低，而且局部泛洪仍然會浪費大量能量。
(2)EDDA(Efficient Data Dissemination and Aggregation)數據分發方案[6]，這也是基于網格的數據分發方案，但EDDA克服了TTDD中存在的問題。在EDDA中，相同數據類型的源節點共享一個網格結構來分發它們的感知數據，同時網格共享也提高了數據聚合的機會，而且用單目標廣播消息取代了局部泛洪。在EDDA中，sink使用hash函數來獲取鄰近的直接分發節點的位置，然后通過單目標廣播把查詢發送給該節點。但EDDA仍然要在監測區域上構建和維護網格。
(3)HDDS(Hierarchical Data Dissemination schemes)數據分發方案[7]。HDDS通過構建不均勻的網格來分發數據。源節點在其配置領域的網格F內選擇一個節點作為分發節點d，負責把源節點的感知數據傳送給F內的任意sink節點。由于傳感器節點的存儲容量有限，d只能為有限個(k個)sink服務，當d收到k+1個sink的預約消息時，需要新增一層分發節點來處理。數據由d逐次轉發給由其增加的分發節點，直到轉發給sink代理為止。在HDDS中，數據從源到移動sink的發送路徑，只有在發送查詢期間才建立，且數據發送路徑接近于最短路線，能夠更有效地減少總能量的消耗，但構建不均勻網格作為分發節點的覆蓋區域也要消耗能量。
(4)ODDD(On-Demand Data Dissemination)數據分發方案[8]。在ODDD方案中，源節點不需要提前構建一個虛擬網格，因此，ODDD減少了在整個網絡上創建和維護虛擬網格結構的費用。當源節點監測到某類型d的感知數據時，使用hash函數計算出網格點的位置，并把數據聲明消息發送給最靠近該網格點位置的節點N，如果存在d的分發路徑，就使用它來傳播數據聲明消息；否則，N變成d的一個網格點，沿著X軸轉發數據聲明消息。當sink節點想獲取類型d的數據時，它應用同一個hash函數計算出直接分發點，并把查詢發送給它，直接分發點沿著Y軸轉發該查詢。如果網格點收到查詢，它將檢查廣播列表，查看是否已包含查詢中指定的數據聲明。如果包含，則該網格點沿著數據聲明消息相反的路徑轉發查詢給相應的源節點，源節點一旦收到該查詢，就開始沿著查詢聲明的相反路徑把數據發送給sink，數據的轉發先沿著X軸，再沿著Y軸到達sink節點。
2．3 源與sink節點均不固定的數據分發方案
當源節點和sink節點可以移動時，前面介紹的數據分發方案都不是很有效。參考文獻[9]提出了基于動態代理樹的數據分發方案(Dynamic Proxy Tree-based data dissemination scheme)，其基本思想是每個源節點或sink節點對應于一個固定的節點，稱為源代理或sink代理，監測同一目標的源代理和查詢該源的sink代理形成一棵代理樹，通過代理樹，源節點可以把感知數據定期發送給它的代理，繼而再轉發給代理樹中的多個sink代理，每個sink節點可以查詢它的代理來獲取數據。這種數據分發方案的關鍵是當源或sink代理改變時，如何有效重建代理樹，參考文獻[9]提出了兩種調整代理樹的分布式在線方案：一種是最短路徑方案SP(Shortest Path-based scheme)；另一種是跨度范圍方案SR(Spanning Range-based scheme)。由于SR需要的控制消息比SP少，因此，SR優于SP。
不同應用的無線傳感器網絡，需要設計不同的能量有效地數據分發方案，才能有效地利用有限的能量，更好地延長傳感器節點和網絡的生存時間。
參考文獻
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