无线传感器网络TTDD路由协议的研究

冯乐++史家雄++惠亮

摘要：无线传感器网络由于电源能量有限、通信能力有限、节点计算能力有限、传感器节点数量大且分布范围广、网络动态性强、感知数据流巨大、以数据为中心等特点，使得无线传感器网络路由设计围绕节约节点能量消耗，延长网络生命周期而展开。该文针对TTDD数据传输路径过长的问题，研究TTDD协议的改进算法，即CODE协议和E-TTDD协议的设计思想与算法步骤，通过数学方法计算了三种算法的通信能量开销，并通过MATLAB仿真进行了比较，结果显示了改进算法在能量消耗方面的优越性。

关键词：无线传感器网络；路由协议；双层数据分发协议；栅格结构

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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

无线传感器网络（WSN）技术被认为是21世纪能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，该技术有巨大的发展潜力，而且应用领域十分广泛，可以应用于建筑环境中对部分物理量进行检测控制、环境监测、军事国防领域、交通安全管理、矿山安全检测等领域。其核心无线传感器网络涉及计算机、通信、自动控制和人工智能等多学科[1，2]。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，传感器节点一般采用电池，能量资源有限。因此，如何减少能耗，有效节约能量，延长网络的生命周期是无线传感器网络路由协议设计的主要目标。本文具体研究TTDD路由协议的算法思想和具体步骤，针对TTDD数据传输路径过长的问题研究了CODE协议和E-TTDD协议，通过对比能量消耗和最短路径来对三种路由协进行最优配置。

2 无线传感器网络的路由协议

无线传感器网络是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络[3]。它由无线传感器节点、中心节点（sink节点）、传输网络和远程监控中心4个基本部分组成，其组成结构如图1所示。

2.1无线传感器网络路由协议的性能指标

无线传感器网络中路由协议的设计目标是：使用积极有效的能量管理技术来延长网络生命周期；提高路由的容错能力，形成可靠数据转发机制。评价一个无线传感器路由协议设计性能的好坏，一般包含网络生命周期、传输延迟、路径容错性、可扩展性等性能指标[4]。

2.2网络路由的设计思路

无线传感器网络的有效性和整体性在很大程度上取决于网络的路由技术。路由设计技术中.包含优化能量消耗及均衡能量消耗的内容。

在无线传感器网络中，可以使用合理选择分支节点来实现传输路径的优化，达到能量使用优化的管理。在将相同的数据发往不同的节点时，为节省节点消耗的能量，不采用分别单独发送的方式，而将数据先发送至一个中间节点，在中间节点处再将数据分别发送到不同节点，该中间节点就是分支节点。可见通过采用分支节点，能够使传输所需要的整体距离缩短，从而达到节省传输能量的目的。

3 TTDD路由协议

3.1 TTDD路由协议模型

TTDD主要解决大规模无线传感网络潜在的多个数据源节点对多个移动中心节点的可扩展的高效数据分发问题[5]。数据源节点就是产生感知数据而需要报告有关激励因素的传感器节点，激励因素是一个目标或者感兴趣的一个事件。中心节点就是从线传感网络中收集这些数据报告的用户。激励因素和中心节点的数量可能随时间的推进而变化。如图2所示，模拟布置一无线传感网络来检测其中小车的移动情况。图中小圈为传感器；两辆小车为检测目标，当产生激励事件时，周围的传感器检测数据，由其中一个传感器产生数据，开始作为源节点；图中小人为中心节点，认为是可以移动的。

假定每个中心节点需要连续将其位置信息广播到整个传感器场中，这样所有传感器节点都得到通知其随后数据报告的发送方向。然而，中心节点的移动性是大规模线传感网络数据分发带来困难，多中心节点频繁的位置更新不仅会加重无线传输的碰撞，而且导致迅速消耗传感器节点有限的电池能量。

TTDD是一个层次路由协议，是基于以下假设提出的：

1）具有相同属性的传感器节点分布在一个区域内，传感器节点之间进行短距离无线通信，远距离节点通过中间节点采用多跳转发数据。

2）每个传感器节点都知道自己的位置信息，但是中心节点可能不知道自己的位置信息。

3）一旦有事件发生，事件周围的传感器节点会收集并处理信息，然后由其中一个作为源节点发送报告。

4）中心节点通过查询网络收集数据，在无线网络中，中心节点的位置和数目是可变的。

TTDD能够使用简单的贪婪地理转发路由来建立和维护栅格结构，并且维持较低的开销。对每个数据源节点采用栅格结构，从多个中心节点发出的查询消息被限制在本地蜂窝内，因此避免了多个中心节点全网泛洪的过度能耗和网络开销，中心节点在大于其蜂窝范围移动而离开位置时，重新进行本地数据查询泛洪，查询消息将传递到达新的分发节点。沿着源节点方向传递，查询消息最终被某个已经接收源节点发送数据的分发节点所接收而不再进一步转发。然后分发节点沿着查询消息传递路径的反方向向下朝中心节点转发数据。这样，即使中心节点连续移动，高层数据转发递增式变化，中心节点仍然能够连续接收到数据。而且由于栅格点上的传感器节点参与数据分发。所以其他传感器节点不需要维护状态。因此，TTDD能够扩展到大量的源节点和中心节点。

3.2 查询请求与数据转发

源节点将自己的位置作为栅格上的一个交叉点，给其四个相邻交叉点发送数据通知消息，将二维传感器网络分成蜂窝栅格。其具体构建是以源节点为交点，做一条水平直线和一条垂直直线，并且分别以[α]为间距作上述两条直线的水平线，以此把平面划分成大小为[α×α]的方格。图3所示，为源节点A建立的栅格结构。

每条数据通知消息最终被其所指定的最近交叉点的一个传感器节点所接收，该传感器节点存储节点信息，然后将该信息转发给相邻交叉点（不包括将该消息发送来的那个相邻交叉节点），这种数据通知消息的递进式传播通知交叉点最近的所有传感器节点称为给定源节点的分发节点（图3中黑点所示）。

TTDD协议的转发包括两个过程，即查询转发和数据转发。查询转发过程提供了到达sink节点的路径信息，确保源节点的数据沿着查询消息转发路径的相反方向从源节点开始通过两层传递到达sink节点。其中低层在sink节点当前位置的蜂窝内，高层由网格上的分发节点组成。

中心节点在蜂窝内泛洪查询消息，寻找附近的分发节点，查询区域为一个蜂窝般大小。中心节点查询消息时说明泛洪的最大距离，因此会在离中心节点最大距离左右的节点上停止查询消息的泛洪。中心节点泛洪消息传递到一个本地分发节点，这个节点被称为直接分发节点，至此，低层查询结束。高层传输由分发节点完成，由于直接分发节点接收过上行分发节点发送来的数据通知消息，因此知道其位置，故转发查询消息到栅格上的上行分发节点。将从中心节点指向源节点的方向称为上行方向，同理将源节点指向中心节点的方向称为下行方向。上行分发节点又进一步朝源节点方向上行转发查询消息，直到查询消息到达源节点或者是接收到源节点发送数据的分发节点（比如接收到其他中心节点的查询消息后返回数据）为止。两层查询数据转发过程如图3所示。

图3 源节点A的栅格结构

3.3 通信能量消耗分析

这个部分我将用数学方法简单计算网络的通信能量消耗情况。我们先分析最坏情况下的能量消耗。

假设网络覆盖区域为A，其中均匀分布N个传感器节点，因此每边大约[N]个传感器节点。此外有k个sink节点，以平均速度v移动着，在时间T内从源节点接收d个数据包。查询信息和数据信息的长度为l。TTDD将整个传感区域划分为正方形网格，每个单元格的边长为a，每个单元格中有n=（Na2）/A个节点。每个移动sink通过了m个单元格，m取（1+vT/a）的上限整数。对与静止的sink而言，m=1。若sink的移动通过了m个单元格，即sink更新了m次，则在两个连续的sink更新中，接收了d/m个数据包。

TTDD协议中，查询请求在本地单元格中泛洪，找到直接分发节点后沿着网格边界向源节点转发查询信息。本地单元格泛洪会消耗nl的能量，查询信息如果沿直线方向从sink发送给源节点会消耗[（cN）l]（0

同样的分析方法可以得出，从源节点发送d/m个数据包到sink需消耗[2（cN）d/m]的能量。对于k个sink节点，更新m次后，查询信息与数据发送一共消耗的能量为：

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

此外，网络任务更新时消耗的能量为Nl，源节点将网络分割为a[×]a的单元网格，每个网格中有n=（Na2）/A个节点，则网格建立时的能量消耗为[（4Nl）/n]。

综上所述，TTDD的通信能量总消耗为：

[COTTDD=Nl+4Nl/n+kmnl+kc（ml+d）2N] （2）

4 TTDD的协议改进

4.1 TTDD的改进协议CODE

CODE同TTDD一样将网络区域划分正方形网格，CODE在每个网格中选取一个节点作为中间节点（coordinator）去存储和转发数据，这就是CODE与TTDD最大的区别。TTDD的传输路径是沿着网格边界，可以看成是网格的四个顶点的DN（分发节点）之间的数据传输，而CODE则是网格之间的传输。如图5。

与TTDD一样假设在一个正方形传感区域中，平均分布着N个节点，有k个sink节点，以平均速度v移动着，在时间T内从源节点接收d个数据包。查询信息和数据发送信息的长度为[l]。TTDD将整个传感区域划分为正方形网格，每个单元格的边长为a。

CODE与TTDD协议通信能量消耗的区别在于数据传输路径的不同，众所周知两点之间直线最短，CODE的传输路径基于网格，由图6可知CODE的传输路径非常接近sink和源节点两点间的连线，所以查询信息的传输路径最优时的节点能量消耗为c[N][l]（0

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

4.2TTDD的改进协议E-TTDD

E-TTDD的网格初始化过程和TTDD相同，区别同样在于数据传输路径的不同。图7给出了E-TTDD算法的结构组建原理图，在网格建立完成后，把源节点和sink附近的节点连接成一条直线，然后以这条直线为中心做两条平行线，两线的间隔为[β]，在两线之间的区域内根据本地竞选机制选举转发节点。其中[0<β≤2α]。

根据E-TTDD的工作原理可知sink查询的最佳路径为sink与源节点之间的连线，因此，sink查询路径节点的能量开销为c[N][l]（0

从源节点发送数据包到sink花费的能量，以及网格建立和网络任务更新消耗能量都与TTDD相同，所以可知E-TTDD的通信能量消耗为：

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

5 仿真比较分析

基于之前推导的通信能量消耗公式（1），（2），（3），使用MATLAB软件仿真比较其山栅格边长、区域内传感器数量、中心节点数量以及中心节点移动等对能量开销的影响。分别如图9，10，11，12。

初始设定在区域面积A为2000m[×]2000m的场景中设置N=400个传感器，中心节点k=4，查询消息、数据通知消息长度l=1，周期内中心节点共从源节点接收d=10个数据分组。在实际运用过程中还要考虑很多其他的参数，如sink的移动速度，网络节点的分布密度等等。

从以上不同场景的仿真结果可见，在CODE、E-TTDD和TTDD三种协议中，E-TTDD的能量消耗是最少的。这是因为E-TTDD的传输路径是最短的，因此，在转播数据时，E-TTDD占用最少的节点，所以它的网络使用时间是最长的。传输路径的长短还会导致数据的传输时延，在sink移动速度不是很快时，CODE和E-TTDD的能量消耗相当，三种协议的数据传输成功率是相当的，但E-TTDD的传输路径最短，所以它的传输时延是最短的，其次是CODE。当sink移动速度加快时，由于CODE要在单元格中选择一个中间节点作为coordinator去存储和转发数据，而E-TTDD也要利用转发节点竞选机制去寻找新的路径，这些都增加了数据传输的时延，所以当sink移动速度加快时，TTDD协议在传输时延上要比两种改进协议短些，但三种协议的数据传输成功率都是相当的。

6 结论

本文认为TTDD协议虽然能量消耗相对较高，但是路径选择便捷，在大范围，比较复杂的区域进行数据探测时有其独特的优势。E-TTDD和CODE在平坦空旷的环境中使用将会发挥他们数据传输路径短的优势。目前无线传感器网络还处于实验室阶段，它的实际应用正在不断完善，基于sink移动的路由协议应该是以后研究的方向。

参考文献：

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[4] 陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009：160-174.

[5] 万常情.无线传感器网络TTDD协议的研究与改进[J].电脑知识与技术，2009，5（7）：1578-1580.