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摘 要： 無線傳感器的組成模塊封裝在一個外殼內，在工作時它將由電池或振動發電機提供電源，構成無線傳感器網絡節點，由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微型節點，通過自組織的方式構成網絡。本文是一篇 學術期刊論文發表 范文，主要論述了無線傳
無線傳感器的組成模塊封裝在一個外殼內，在工作時它將由電池或振動發電機提供電源，構成無線傳感器網絡節點，由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微型節點，通過自組織的方式構成網絡。本文是一篇學術期刊論文發表范文，主要論述了無線傳感器網絡TTDD路由協議的研究。
摘要：無線傳感器網絡由于電源能量有限、通信能力有限、節點計算能力有限、傳感器節點數量大且分布范圍廣、網絡動態性強、感知數據流巨大、以數據為中心等特點，使得無線傳感器網絡路由設計圍繞節約節點能量消耗，延長網絡生命周期而展開。該文針對TTDD數據傳輸路徑過長的問題，研究TTDD協議的改進算法，即CODE協議和E-TTDD協議的設計思想與算法步驟，通過數學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，結果顯示了改進算法在能量消耗方面的優越性。
關鍵詞：無線傳感器網絡,路由協議,雙層數據分發協議,柵格結構
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
無線傳感器網絡(WSN)技術被認為是21世紀能夠對信息技術、經濟和社會進步發揮重要作用的技術，該技術有巨大的發展潛力，而且應用領域十分廣泛，可以應用于建筑環境中對部分物理量進行檢測控制、環境監測、軍事國防領域、交通安全管理、礦山安全檢測等領域。其核心無線傳感器網絡涉及計算機、通信、自動控制和人工智能等多學科[1，2]。
無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，傳感器節點一般采用電池，能量資源有限。因此，如何減少能耗，有效節約能量，延長網絡的生命周期是無線傳感器網絡路由協議設計的主要目標。本文具體研究TTDD路由協議的算法思想和具體步驟，針對TTDD數據傳輸路徑過長的問題研究了CODE協議和E-TTDD協議，通過對比能量消耗和最短路徑來對三種路由協進行最優配置。
2 無線傳感器網絡的路由協議
無線傳感器網絡是由多個節點組成的面向任務的無線自組織網絡[3]。它由無線傳感器節點、中心節點(sink節點)、傳輸網絡和遠程監控中心4個基本部分組成，其組成結構如圖1所示。
2.1無線傳感器網絡路由協議的性能指標
無線傳感器網絡中路由協議的設計目標是：使用積極有效的能量管理技術來延長網絡生命周期;提高路由的容錯能力，形成可靠數據轉發機制。評價一個無線傳感器路由協議設計性能的好壞，一般包含網絡生命周期、傳輸延遲、路徑容錯性、可擴展性等性能指標[4]。
2.2網絡路由的設計思路
無線傳感器網絡的有效性和整體性在很大程度上取決于網絡的路由技術。路由設計技術中.包含優化能量消耗及均衡能量消耗的內容。
在無線傳感器網絡中，可以使用合理選擇分支節點來實現傳輸路徑的優化，達到能量使用優化的管理。在將相同的數據發往不同的節點時，為節省節點消耗的能量，不采用分別單獨發送的方式，而將數據先發送至一個中間節點，在中間節點處再將數據分別發送到不同節點，該中間節點就是分支節點。可見通過采用分支節點，能夠使傳輸所需要的整體距離縮短，從而達到節省傳輸能量的目的。
3 TTDD路由協議
3.1 TTDD路由協議模型
TTDD主要解決大規模無線傳感網絡潛在的多個數據源節點對多個移動中心節點的可擴展的高效數據分發問題[5]。數據源節點就是產生感知數據而需要報告有關激勵因素的傳感器節點，激勵因素是一個目標或者感興趣的一個事件。中心節點就是從線傳感網絡中收集這些數據報告的用戶。激勵因素和中心節點的數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絡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，當產生激勵事件時，周圍的傳感器檢測數據，由其中一個傳感器產生數據，開始作為源節點;圖中小人為中心節點，認為是可以移動的。 假定每個中心節點需要連續將其位置信息廣播到整個傳感器場中，這樣所有傳感器節點都得到通知其隨后數據報告的發送方向。然而，中心節點的移動性是大規模線傳感網絡數據分發帶來困難，多中心節點頻繁的位置更新不僅會加重無線傳輸的碰撞，而且導致迅速消耗傳感器節點有限的電池能量。
TTDD是一個層次路由協議，是基于以下假設提出的：
1)具有相同屬性的傳感器節點分布在一個區域內，傳感器節點之間進行短距離無線通信，遠距離節點通過中間節點采用多跳轉發數據。
2)每個傳感器節點都知道自己的位置信息，但是中心節點可能不知道自己的位置信息。
3)一旦有事件發生，事件周圍的傳感器節點會收集并處理信息，然后由其中一個作為源節點發送報告。
4)中心節點通過查詢網絡收集數據，在無線網絡中，中心節點的位置和數目是可變的。
TTDD能夠使用簡單的貪婪地理轉發路由來建立和維護柵格結構，并且維持較低的開銷。對每個數據源節點采用柵格結構，從多個中心節點發出的查詢消息被限制在本地蜂窩內，因此避免了多個中心節點全網泛洪的過度能耗和網絡開銷，中心節點在大于其蜂窩范圍移動而離開位置時，重新進行本地數據查詢泛洪，查詢消息將傳遞到達新的分發節點。沿著源節點方向傳遞，查詢消息最終被某個已經接收源節點發送數據的分發節點所接收而不再進一步轉發。然后分發節點沿著查詢消息傳遞路徑的反方向向下朝中心節點轉發數據。這樣，即使中心節點連續移動，高層數據轉發遞增式變化，中心節點仍然能夠連續接收到數據。而且由于柵格點上的傳感器節點參與數據分發。所以其他傳感器節點不需要維護狀態。因此，TTDD能夠擴展到大量的源節點和中心節點。
3.2 查詢請求與數據轉發
源節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送數據通知消息，將二維傳感器網絡分成蜂窩柵格。其具體構建是以源節點為交點，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，為源節點A建立的柵格結構。
每條數據通知消息最終被其所指定的最近交叉點的一個傳感器節點所接收，該傳感器節點存儲節點信息，然后將該信息轉發給相鄰交叉點(不包括將該消息發送來的那個相鄰交叉節點)，這種數據通知消息的遞進式傳播通知交叉點最近的所有傳感器節點稱為給定源節點的分發節點(圖3中黑點所示)。
TTDD協議的轉發包括兩個過程，即查詢轉發和數據轉發。查詢轉發過程提供了到達sink節點的路徑信息，確保源節點的數據沿著查詢消息轉發路徑的相反方向從源節點開始通過兩層傳遞到達sink節點。其中低層在sink節點當前位置的蜂窩內，高層由網格上的分發節點組成。
中心節點在蜂窩內泛洪查詢消息，尋找附近的分發節點，查詢區域為一個蜂窩般大小。中心節點查詢消息時說明泛洪的最大距離，因此會在離中心節點最大距離左右的節點上停止查詢消息的泛洪。中心節點泛洪消息傳遞到一個本地分發節點，這個節點被稱為直接分發節點，至此，低層查詢結束。高層傳輸由分發節點完成，由于直接分發節點接收過上行分發節點發送來的數據通知消息，因此知道其位置，故轉發查詢消息到柵格上的上行分發節點。將從中心節點指向源節點的方向稱為上行方向，同理將源節點指向中心節點的方向稱為下行方向。上行分發節點又進一步朝源節點方向上行轉發查詢消息，直到查詢消息到達源節點或者是接收到源節點發送數據的分發節點(比如接收到其他中心節點的查詢消息后返回數據)為止。兩層查詢數據轉發過程如圖3所示。
圖3 源節點A的柵格結構
3.3 通信能量消耗分析
這個部分我將用數學方法簡單計算網絡的通信能量消耗情況。我們先分析最壞情況下的能量消耗。
假設網絡覆蓋區域為A，其中均勻分布N個傳感器節點，因此每邊大約[N]個傳感器節點。此外有k個sink節點，以平均速度v移動著，在時間T內從源節點接收d個數據包。查詢信息和數據信息的長度為l。TTDD將整個傳感區域劃分為正方形網格，每個單元格的邊長為a，每個單元格中有n=(Na2)/A個節點。每個移動sink通過了m個單元格，m取(1+vT/a)的上限整數。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，則在兩個連續的sink更新中，接收了d/m個數據包。
TTDD協議中，查詢請求在本地單元格中泛洪，找到直接分發節點后沿著網格邊界向源節點轉發查詢信息。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發送給源節點會消耗[(cN)l](0 同樣的分析方法可以得出，從源節點發送d/m個數據包到sink需消耗[2(cN)d/m]的能量。對于k個sink節點，更新m次后，查詢信息與數據發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，網絡任務更新時消耗的能量為Nl，源節點將網絡分割為a[×]a的單元網格，每個網格中有n=(Na2)/A個節點，則網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的協議改進
4.1 TTDD的改進協議CODE
CODE同TTDD一樣將網絡區域劃分正方形網格，CODE在每個網格中選取一個節點作為中間節點(coordinator)去存儲和轉發數據，這就是CODE與TTDD最大的區別。TTDD的傳輸路徑是沿著網格邊界，可以看成是網格的四個頂點的DN(分發節點)之間的數據傳輸，而CODE則是網格之間的傳輸。如圖5。 與TTDD一樣假設在一個正方形傳感區域中，平均分布著N個節點，有k個sink節點，以平均速度v移動著，在時間T內從源節點接收d個數據包。查詢信息和數據發送信息的長度為[l]。TTDD將整個傳感區域劃分為正方形網格，每個單元格的邊長為a。
CODE與TTDD協議通信能量消耗的區別在于數據傳輸路徑的不同，眾所周知兩點之間直線最短，CODE的傳輸路徑基于網格，由圖6可知CODE的傳輸路徑非常接近sink和源節點兩點間的連線，所以查詢信息的傳輸路徑最優時的節點能量消耗為c[N][l](0 [COCODE=kmnl+kc(ml+d)N+Nl+(4Nl) /n] (4-1)
4.2TTDD的改進協議E-TTDD
E-TTDD的網格初始化過程和TTDD相同，區別同樣在于數據傳輸路徑的不同。圖7給出了E-TTDD算法的結構組建原理圖，在網格建立完成后，把源節點和sink附近的節點連接成一條直線，然后以這條直線為中心做兩條平行線，兩線的間隔為[β]，在兩線之間的區域內根據本地競選機制選舉轉發節點。其中[0<β≤2α]。
根據E-TTDD的工作原理可知sink查詢的最佳路徑為sink與源節點之間的連線，因此，sink查詢路徑節點的能量開銷為c[N][l](0 從源節點發送數據包到sink花費的能量，以及網格建立和網絡任務更新消耗能量都與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、區域內傳感器數量、中心節點數量以及中心節點移動等對能量開銷的影響。分別如圖9，10，11，12。
初始設定在區域面積A為2000m[×]2000m的場景中設置N=400個傳感器，中心節點k=4，查詢消息、數據通知消息長度l=1，周期內中心節點共從源節點接收d=10個數據分組。在實際運用過程中還要考慮很多其他的參數，如sink的移動速度，網絡節點的分布密度等等。
從以上不同場景的仿真結果可見，在CODE、E-TTDD和TTDD三種協議中，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，在轉播數據時，E-TTDD占用最少的節點，所以它的網絡使用時間是最長的。傳輸路徑的長短還會導致數據的傳輸時延，在sink移動速度不是很快時，CODE和E-TTDD的能量消耗相當，三種協議的數據傳輸成功率是相當的，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點作為coordinator去存儲和轉發數據，而E-TTDD也要利用轉發節點競選機制去尋找新的路徑，這些都增加了數據傳輸的時延，所以當sink移動速度加快時，TTDD協議在傳輸時延上要比兩種改進協議短些，但三種協議的數據傳輸成功率都是相當的。
6 結論
本文認為TTDD協議雖然能量消耗相對較高，但是路徑選擇便捷，在大范圍，比較復雜的區域進行數據探測時有其獨特的優勢。E-TTDD和CODE在平坦空曠的環境中使用將會發揮他們數據傳輸路徑短的優勢。目前無線傳感器網絡還處于實驗室階段，它的實際應用正在不斷完善，基于sink移動的路由協議應該是以后研究的方向。
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