無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的WiME系統(tǒng)路由設(shè)計及應(yīng)用

3 路由方式的選擇

　　所有的機器人導(dǎo)航都需要解決這樣的一個問題：機器人如何獲知通往目的地的道路。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線節(jié)點之間的信息通信路由也是一個首先要解決的問題。如前所述，由于地理信息固定，在WiME中空間路徑規(guī)劃和信息通信路由完全可以以相同的方式工作。因此下面以路徑規(guī)劃來說明這樣一個路由存儲和查詢方式的選擇問題。
　
　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線節(jié)點由于能量受限，采用的是低功耗嵌入式處理器，其計算能力和存儲空間都有限。WiME也不例外，一般無法直接存儲路徑信息或者將地圖信息存儲在節(jié)點上從而在需要時計算出最優(yōu)路徑。為此，首先考慮下面的4種方法。

　　方法1：作為一種常用的方法，可以查詢整個地圖的路徑信息。由于房間數(shù)n眾多(認為n不小于1000)，路徑數(shù)據(jù)巨大(存在n(n-1)／2條路徑)，這樣的地圖可以由1臺或多臺主服務(wù)器提供。任何一個無線節(jié)點或鄰近的有限多個節(jié)點都滿足不了這樣的存儲量。一個自然的方法是將全局地圖存儲到服務(wù)器上，機器人終端在必要時從服務(wù)器上下載路徑信息。這類似于GPS設(shè)備的工作方式。

　　方法2：根據(jù)使用的廣播式無線路由通信協(xié)議，建立一條到目標點的無線通信鏈路，并利用建立的這條通信線路作為地理導(dǎo)航線路。

　　方法3：利用動態(tài)路徑規(guī)劃的思想，每個節(jié)點存儲與自身相關(guān)的一定范圍內(nèi)的地理信息，并生成最優(yōu)路徑信息。

　　方法4：每個節(jié)點存儲全局節(jié)點分布的地理信息和連接關(guān)系，在需要時與臨近的節(jié)點協(xié)同計算出最優(yōu)路徑。這是借鑒了計算機網(wǎng)絡(luò)中分布式計算的概念。

每種方法各有其優(yōu)劣。第1種方法修改容易，增加或刪除節(jié)點只需要在主服務(wù)器端更新。第2種方法不需要事先知道節(jié)點的地理位置信息，整個路徑信息是動態(tài)建立和修改的。第3種方法可以隨著道路情況動態(tài)調(diào)整最優(yōu)路徑。由于節(jié)點能夠?qū)崟r觀察到道路信息，可以引入?yún)?shù)來反映當前周邊道路狀況，比如道路的堵塞程度，并由此動態(tài)維護這樣一個包含自身及臨近區(qū)域的最優(yōu)路徑表。但是這3種方法都是在多跳通信的情況下完成的，返回完整的路徑信息需要較多的通信帶寬和較長的通信延時，這對通信協(xié)議的魯棒性提出了挑戰(zhàn)。第4種方法的存儲量相對要小，與節(jié)點個數(shù)同數(shù)量級，但是多節(jié)點協(xié)同的最優(yōu)路徑的實時分布式計算對于無線傳感器節(jié)點無疑是一個困難的問題。畢竟當前的分布式計算仍然局限在計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。如何將分布式計算和最新的網(wǎng)格計算的思想運用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上，可能會成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的下一個方向。

　　在本設(shè)計的WiME中并沒有主機這個概念，每個無線移動節(jié)點同時充當了主機和路由器——這是一個Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)。Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由方式可以分為兩大類：基于路由表的路由和基于按需建立路由的路由。由于龐大的路徑數(shù)據(jù)量和極為有限的存儲空間，上面的方法2、方法3和方法4都采用了基于按需建立路由的路由方式；而方法1雖然是通過服務(wù)器的方式提供了基于路由表的路由，但是有限的服務(wù)器的數(shù)量并不適合這樣一個龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。難道真的不能在每個無線節(jié)點上存儲這樣一個全局路由表，實現(xiàn)真正的基于路由表的路由方式嗎？

綜合考慮，本文提出了下面的方法——查詢目標方向。這類似于人們在大街上問路，對方會告知該往哪個方向走；走到下一岔口時，又只好重新問路；最終可以成功到達目的地，而被詢問者并不能提供這條路線的完整路徑，所能提供的只是一個大概方向。

　　相比而言，這種方法利用到了室內(nèi)相對固定的地理信息的先驗知識；每個節(jié)點只需要存儲自身到目標點的方向信息，其存儲量只是O(n)；查詢時也避免了多跳通信的發(fā)生，而且沒有增加額外的通信負擔，顯然更適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點。因此，WiME系統(tǒng)中的路徑查詢采用了這種方法，通信路由也基于這種方式建立 4 Bloom Filter

　　4.1 路由信息的存儲和查詢

　　在參考文獻[3]中，作者提出了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)帶有語義的路由，其具體方法是在每個節(jié)點存儲了一個語義檢索表，檢索表的每一點對應(yīng)一個區(qū)域分類。每個節(jié)點只存在有限的幾個區(qū)域分類或稱為“路由可能”。這樣，當發(fā)生包含足夠?qū)傩缘恼Z義信息的路由查詢輸入時，節(jié)點調(diào)用自己的規(guī)則引擎，通過計算匹配到檢索表中的某一點，并從其對應(yīng)的區(qū)域信息獲取通往該區(qū)域的下一跳的信息。這與本沒計中的這種單步路徑查詢的方法有相似之處。本設(shè)計中也有這樣的一種規(guī)則引擎，即下文所要介紹的Bloom Filter。所不同的是，在本設(shè)計中，檢索表不是一個，而是多個；檢索表中的元素不再指示區(qū)域或路由的類別，而是指示輸入是否在當前路由表中；而且查詢輸人不是抽象的語義信息，而是人名、房間號或單位名稱等這樣的含有明確語義的地理空間標識。

　　下面可以看到，采用Bloom Filter不僅可以解決路由的分類和查詢問題，而且可以進一步降低資源有限的無線傳感器節(jié)點中的路徑信息的數(shù)據(jù)量。進而在WiME的設(shè)計中，對每一個分組使用計數(shù)型Bloom Filter實現(xiàn)了路由信息的動態(tài)修改。下面介紹基本的Bloom Filter和計數(shù)型Bloom Filter這兩種“規(guī)則引擎”。