馮樂++史家雄++惠亮

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于電源能量有限、通信能力有限、節(jié)點計算能力有限、傳感器節(jié)點數(shù)量大且分布范圍廣、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強、感知數(shù)據(jù)流巨大、以數(shù)據(jù)為中心等特點，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計圍繞節(jié)約節(jié)點能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期而展開。該文針對TTDD數(shù)據(jù)傳輸路徑過長的問題，研究TTDD協(xié)議的改進算法，即CODE協(xié)議和E-TTDD協(xié)議的設(shè)計思想與算法步驟，通過數(shù)學(xué)方法計算了三種算法的通信能量開銷，并通過MATLAB仿真進行了比較，結(jié)果顯示了改進算法在能量消耗方面的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；雙層數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議；柵格結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）09-0044-04

The Research of Wireless Sensor Network based on TTDD Routing Protocol

FENG Le， SHI Jia-xiong， HUi Liang

（ACTRI AVIC，Xi an 710065，China）

Abstract：With the factors of widely distributing， dynamic network， restricted communication ability， greatness data stream and focus on the data， the design of the routing protocols are put weight on how saving the consume of energy and extending the live of the networks. This paper analyzes the basic principle and systems simulation design on TTDD， in order to solve the problem exists in the condition of data transmission path is too long in TTDD， another two modified methods are presented， CODE and E-TTDD， and we compare the three protocols communication energy consumption through mathematical calculation. The results of the simulation by MATLAB show the superiority of the improved TTDD.

Key words：wireless Sensor Network； routing protocols； TTDD； grid

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)被認為是21世紀能夠?qū)π畔⒓夹g(shù)、經(jīng)濟和社會進步發(fā)揮重要作用的技術(shù)，該技術(shù)有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ覒?yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可以應(yīng)用于建筑環(huán)境中對部分物理量進行檢測控制、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防領(lǐng)域、交通安全管理、礦山安全檢測等領(lǐng)域。其核心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及計算機、通信、自動控制和人工智能等多學(xué)科[1，2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點一般采用電池，能量資源有限。因此，如何減少能耗，有效節(jié)約能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的主要目標。本文具體研究TTDD路由協(xié)議的算法思想和具體步驟，針對TTDD數(shù)據(jù)傳輸路徑過長的問題研究了CODE協(xié)議和E-TTDD協(xié)議，通過對比能量消耗和最短路徑來對三種路由協(xié)進行最優(yōu)配置。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個節(jié)點組成的面向任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)[3]。它由無線傳感器節(jié)點、中心節(jié)點（sink節(jié)點）、傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)控中心4個基本部分組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能指標

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的設(shè)計目標是：使用積極有效的能量管理技術(shù)來延長網(wǎng)絡(luò)生命周期；提高路由的容錯能力，形成可靠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制。評價一個無線傳感器路由協(xié)議設(shè)計性能的好壞，一般包含網(wǎng)絡(luò)生命周期、傳輸延遲、路徑容錯性、可擴展性等性能指標[4]。

2.2網(wǎng)絡(luò)路由的設(shè)計思路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性和整體性在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)。路由設(shè)計技術(shù)中.包含優(yōu)化能量消耗及均衡能量消耗的內(nèi)容。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以使用合理選擇分支節(jié)點來實現(xiàn)傳輸路徑的優(yōu)化，達到能量使用優(yōu)化的管理。在將相同的數(shù)據(jù)發(fā)往不同的節(jié)點時，為節(jié)省節(jié)點消耗的能量，不采用分別單獨發(fā)送的方式，而將數(shù)據(jù)先發(fā)送至一個中間節(jié)點，在中間節(jié)點處再將數(shù)據(jù)分別發(fā)送到不同節(jié)點，該中間節(jié)點就是分支節(jié)點。可見通過采用分支節(jié)點，能夠使傳輸所需要的整體距離縮短，從而達到節(jié)省傳輸能量的目的。

3 TTDD路由協(xié)議

3.1 TTDD路由協(xié)議模型

TTDD主要解決大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)潛在的多個數(shù)據(jù)源節(jié)點對多個移動中心節(jié)點的可擴展的高效數(shù)據(jù)分發(fā)問題[5]。數(shù)據(jù)源節(jié)點就是產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)而需要報告有關(guān)激勵因素的傳感器節(jié)點，激勵因素是一個目標或者感興趣的一個事件。中心節(jié)點就是從線傳感網(wǎng)絡(luò)中收集這些數(shù)據(jù)報告的用戶。激勵因素和中心節(jié)點的數(shù)量可能隨時間的推進而變化。如圖2所示，模擬布置一無線傳感網(wǎng)絡(luò)來檢測其中小車的移動情況。圖中小圈為傳感器；兩輛小車為檢測目標，當產(chǎn)生激勵事件時，周圍的傳感器檢測數(shù)據(jù)，由其中一個傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)，開始作為源節(jié)點；圖中小人為中心節(jié)點，認為是可以移動的。

假定每個中心節(jié)點需要連續(xù)將其位置信息廣播到整個傳感器場中，這樣所有傳感器節(jié)點都得到通知其隨后數(shù)據(jù)報告的發(fā)送方向。然而，中心節(jié)點的移動性是大規(guī)模線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)帶來困難，多中心節(jié)點頻繁的位置更新不僅會加重?zé)o線傳輸?shù)呐鲎?，而且?dǎo)致迅速消耗傳感器節(jié)點有限的電池能量。

TTDD是一個層次路由協(xié)議，是基于以下假設(shè)提出的：

1）具有相同屬性的傳感器節(jié)點分布在一個區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點之間進行短距離無線通信，遠距離節(jié)點通過中間節(jié)點采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

2）每個傳感器節(jié)點都知道自己的位置信息，但是中心節(jié)點可能不知道自己的位置信息。

3）一旦有事件發(fā)生，事件周圍的傳感器節(jié)點會收集并處理信息，然后由其中一個作為源節(jié)點發(fā)送報告。

4）中心節(jié)點通過查詢網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，在無線網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點的位置和數(shù)目是可變的。

TTDD能夠使用簡單的貪婪地理轉(zhuǎn)發(fā)路由來建立和維護柵格結(jié)構(gòu)，并且維持較低的開銷。對每個數(shù)據(jù)源節(jié)點采用柵格結(jié)構(gòu)，從多個中心節(jié)點發(fā)出的查詢消息被限制在本地蜂窩內(nèi)，因此避免了多個中心節(jié)點全網(wǎng)泛洪的過度能耗和網(wǎng)絡(luò)開銷，中心節(jié)點在大于其蜂窩范圍移動而離開位置時，重新進行本地數(shù)據(jù)查詢泛洪，查詢消息將傳遞到達新的分發(fā)節(jié)點。沿著源節(jié)點方向傳遞，查詢消息最終被某個已經(jīng)接收源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的分發(fā)節(jié)點所接收而不再進一步轉(zhuǎn)發(fā)。然后分發(fā)節(jié)點沿著查詢消息傳遞路徑的反方向向下朝中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這樣，即使中心節(jié)點連續(xù)移動，高層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)遞增式變化，中心節(jié)點仍然能夠連續(xù)接收到數(shù)據(jù)。而且由于柵格點上的傳感器節(jié)點參與數(shù)據(jù)分發(fā)。所以其他傳感器節(jié)點不需要維護狀態(tài)。因此，TTDD能夠擴展到大量的源節(jié)點和中心節(jié)點。

3.2 查詢請求與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

源節(jié)點將自己的位置作為柵格上的一個交叉點，給其四個相鄰交叉點發(fā)送數(shù)據(jù)通知消息，將二維傳感器網(wǎng)絡(luò)分成蜂窩柵格。其具體構(gòu)建是以源節(jié)點為交點，做一條水平直線和一條垂直直線，并且分別以[α]為間距作上述兩條直線的水平線，以此把平面劃分成大小為[α×α]的方格。圖3所示，為源節(jié)點A建立的柵格結(jié)構(gòu)。

每條數(shù)據(jù)通知消息最終被其所指定的最近交叉點的一個傳感器節(jié)點所接收，該傳感器節(jié)點存儲節(jié)點信息，然后將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰交叉點（不包括將該消息發(fā)送來的那個相鄰交叉節(jié)點），這種數(shù)據(jù)通知消息的遞進式傳播通知交叉點最近的所有傳感器節(jié)點稱為給定源節(jié)點的分發(fā)節(jié)點（圖3中黑點所示）。

TTDD協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)包括兩個過程，即查詢轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。查詢轉(zhuǎn)發(fā)過程提供了到達sink節(jié)點的路徑信息，確保源節(jié)點的數(shù)據(jù)沿著查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑的相反方向從源節(jié)點開始通過兩層傳遞到達sink節(jié)點。其中低層在sink節(jié)點當前位置的蜂窩內(nèi)，高層由網(wǎng)格上的分發(fā)節(jié)點組成。

中心節(jié)點在蜂窩內(nèi)泛洪查詢消息，尋找附近的分發(fā)節(jié)點，查詢區(qū)域為一個蜂窩般大小。中心節(jié)點查詢消息時說明泛洪的最大距離，因此會在離中心節(jié)點最大距離左右的節(jié)點上停止查詢消息的泛洪。中心節(jié)點泛洪消息傳遞到一個本地分發(fā)節(jié)點，這個節(jié)點被稱為直接分發(fā)節(jié)點，至此，低層查詢結(jié)束。高層傳輸由分發(fā)節(jié)點完成，由于直接分發(fā)節(jié)點接收過上行分發(fā)節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)通知消息，因此知道其位置，故轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息到柵格上的上行分發(fā)節(jié)點。將從中心節(jié)點指向源節(jié)點的方向稱為上行方向，同理將源節(jié)點指向中心節(jié)點的方向稱為下行方向。上行分發(fā)節(jié)點又進一步朝源節(jié)點方向上行轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息，直到查詢消息到達源節(jié)點或者是接收到源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的分發(fā)節(jié)點（比如接收到其他中心節(jié)點的查詢消息后返回數(shù)據(jù)）為止。兩層查詢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖3所示。

圖3 源節(jié)點A的柵格結(jié)構(gòu)

3.3 通信能量消耗分析

這個部分我將用數(shù)學(xué)方法簡單計算網(wǎng)絡(luò)的通信能量消耗情況。我們先分析最壞情況下的能量消耗。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域為A，其中均勻分布N個傳感器節(jié)點，因此每邊大約[N]個傳感器節(jié)點。此外有k個sink節(jié)點，以平均速度v移動著，在時間T內(nèi)從源節(jié)點接收d個數(shù)據(jù)包。查詢信息和數(shù)據(jù)信息的長度為l。TTDD將整個傳感區(qū)域劃分為正方形網(wǎng)格，每個單元格的邊長為a，每個單元格中有n=（Na2）/A個節(jié)點。每個移動sink通過了m個單元格，m?。?+vT/a）的上限整數(shù)。對與靜止的sink而言，m=1。若sink的移動通過了m個單元格，即sink更新了m次，則在兩個連續(xù)的sink更新中，接收了d/m個數(shù)據(jù)包。

TTDD協(xié)議中，查詢請求在本地單元格中泛洪，找到直接分發(fā)節(jié)點后沿著網(wǎng)格邊界向源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)查詢信息。本地單元格泛洪會消耗nl的能量，查詢信息如果沿直線方向從sink發(fā)送給源節(jié)點會消耗[（cN）l]（0

同樣的分析方法可以得出，從源節(jié)點發(fā)送d/m個數(shù)據(jù)包到sink需消耗[2（cN）d/m]的能量。對于k個sink節(jié)點，更新m次后，查詢信息與數(shù)據(jù)發(fā)送一共消耗的能量為：

[km[nl+2（cN）l+2（cN）d/m]=kmnl+kc（ml+d）2N] （1）

此外，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)更新時消耗的能量為Nl，源節(jié)點將網(wǎng)絡(luò)分割為a[×]a的單元網(wǎng)格，每個網(wǎng)格中有n=（Na2）/A個節(jié)點，則網(wǎng)格建立時的能量消耗為[（4Nl）/n]。

綜上所述，TTDD的通信能量總消耗為：

[COTTDD=Nl+4Nl/n+kmnl+kc（ml+d）2N] （2）

4 TTDD的協(xié)議改進

4.1 TTDD的改進協(xié)議CODE

CODE同TTDD一樣將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分正方形網(wǎng)格，CODE在每個網(wǎng)格中選取一個節(jié)點作為中間節(jié)點（coordinator）去存儲和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這就是CODE與TTDD最大的區(qū)別。TTDD的傳輸路徑是沿著網(wǎng)格邊界，可以看成是網(wǎng)格的四個頂點的DN（分發(fā)節(jié)點）之間的數(shù)據(jù)傳輸，而CODE則是網(wǎng)格之間的傳輸。如圖5。

與TTDD一樣假設(shè)在一個正方形傳感區(qū)域中，平均分布著N個節(jié)點，有k個sink節(jié)點，以平均速度v移動著，在時間T內(nèi)從源節(jié)點接收d個數(shù)據(jù)包。查詢信息和數(shù)據(jù)發(fā)送信息的長度為[l]。TTDD將整個傳感區(qū)域劃分為正方形網(wǎng)格，每個單元格的邊長為a。

CODE與TTDD協(xié)議通信能量消耗的區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳輸路徑的不同，眾所周知兩點之間直線最短，CODE的傳輸路徑基于網(wǎng)格，由圖6可知CODE的傳輸路徑非常接近sink和源節(jié)點兩點間的連線，所以查詢信息的傳輸路徑最優(yōu)時的節(jié)點能量消耗為c[N][l]（0

[COCODE=kmnl+kc（ml+d）N+Nl+（4Nl） /n] （4-1）

4.2TTDD的改進協(xié)議E-TTDD

E-TTDD的網(wǎng)格初始化過程和TTDD相同，區(qū)別同樣在于數(shù)據(jù)傳輸路徑的不同。圖7給出了E-TTDD算法的結(jié)構(gòu)組建原理圖，在網(wǎng)格建立完成后，把源節(jié)點和sink附近的節(jié)點連接成一條直線，然后以這條直線為中心做兩條平行線，兩線的間隔為[β]，在兩線之間的區(qū)域內(nèi)根據(jù)本地競選機制選舉轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。其中[0<β≤2α]。

根據(jù)E-TTDD的工作原理可知sink查詢的最佳路徑為sink與源節(jié)點之間的連線，因此，sink查詢路徑節(jié)點的能量開銷為c[N][l]（0

從源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包到sink花費的能量，以及網(wǎng)格建立和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)更新消耗能量都與TTDD相同，所以可知E-TTDD的通信能量消耗為：

[COE-TTDD=kmN（2βα-β2/2）l/A+kcN（ml+d）+Nl+（4Nl） /n]（3）

5 仿真比較分析

基于之前推導(dǎo)的通信能量消耗公式（1），（2），（3），使用MATLAB軟件仿真比較其山柵格邊長、區(qū)域內(nèi)傳感器數(shù)量、中心節(jié)點數(shù)量以及中心節(jié)點移動等對能量開銷的影響。分別如圖9，10，11，12。

初始設(shè)定在區(qū)域面積A為2000m[×]2000m的場景中設(shè)置N=400個傳感器，中心節(jié)點k=4，查詢消息、數(shù)據(jù)通知消息長度l=1，周期內(nèi)中心節(jié)點共從源節(jié)點接收d=10個數(shù)據(jù)分組。在實際運用過程中還要考慮很多其他的參數(shù)，如sink的移動速度，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布密度等等。

從以上不同場景的仿真結(jié)果可見，在CODE、E-TTDD和TTDD三種協(xié)議中，E-TTDD的能量消耗是最少的。這是因為E-TTDD的傳輸路徑是最短的，因此，在轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)時，E-TTDD占用最少的節(jié)點，所以它的網(wǎng)絡(luò)使用時間是最長的。傳輸路徑的長短還會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸時延，在sink移動速度不是很快時，CODE和E-TTDD的能量消耗相當，三種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率是相當?shù)?，但E-TTDD的傳輸路徑最短，所以它的傳輸時延是最短的，其次是CODE。當sink移動速度加快時，由于CODE要在單元格中選擇一個中間節(jié)點作為coordinator去存儲和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而E-TTDD也要利用轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點競選機制去尋找新的路徑，這些都增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，所以當sink移動速度加快時，TTDD協(xié)議在傳輸時延上要比兩種改進協(xié)議短些，但三種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率都是相當?shù)摹?/p>

6 結(jié)論

本文認為TTDD協(xié)議雖然能量消耗相對較高，但是路徑選擇便捷，在大范圍，比較復(fù)雜的區(qū)域進行數(shù)據(jù)探測時有其獨特的優(yōu)勢。E-TTDD和CODE在平坦空曠的環(huán)境中使用將會發(fā)揮他們數(shù)據(jù)傳輸路徑短的優(yōu)勢。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還處于實驗室階段，它的實際應(yīng)用正在不斷完善，基于sink移動的路由協(xié)議應(yīng)該是以后研究的方向。

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