【正文】 ，則邊界節(jié)點只知道自己處于網(wǎng)絡邊界不知道自己的精確位置消息。通過將整個無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)域分為若干個簇，每個簇中選 舉一個簇頭，通過 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 15 多跳通信及數(shù)據(jù)融合來減少傳送到匯聚節(jié)點的信息量，從而節(jié)約能量消耗。簇首的產(chǎn)生算法可以被分為分布式和集中式兩種。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。 GAF（ Geographic Adaptive Fidelity） Y. Xu 等人提出的一種利用分簇進行通信的路由算法。 具體實現(xiàn)：當劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡中每個節(jié)點利用 GPS 接受卡指示的位置信息將節(jié)點本身與虛擬網(wǎng)格中某個點關(guān)聯(lián)映射起來。該協(xié) 議 要 求 每 個 節(jié) 點 維 護 其 鄰 居 信 息 ， 使 用 SNGF （ stateless geographic nondeterministic forwarding）算法尋找路徑，并確保每個報文分組能以指定速度轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點。其中，如何提 能量高效 可擴展性 魯棒性 快速收斂性 廣 播 擴散法 不是 好 不好 不好 DD 是 受限 好 好 謠傳路由 不是 好 不好 不好 SPIN 是 受限 好 好 GEAR 是 受限 好 好 GEM 是 好 好 好 GRWLI 是 好 好 很好 LEACH 是 不好 好 很好 GAF 是 不好 好 很好 坐 標 分 簇 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 17 供有效的節(jié)能，即能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議最首要注重的方面，可擴展性和魯棒性是路由協(xié)議應該滿足的基本要求，而快速收斂性和網(wǎng) 絡存在的時間有緊密的聯(lián)系。分簇式相對于前兩種方式來說，具備了較好的性能，可以滿足人們對傳感器網(wǎng)絡的一般要求。 定向擴散路由仿真與分析 定向擴散（ DirectedDiffusion）路由模式分析 定向擴散包括以下幾個要素：“興趣”、數(shù)據(jù)消息、“梯度”以及路徑加強。在 DD 路由中，數(shù)據(jù) 以“屬性對”的形式被命名的，如：“區(qū)域 — 湖南文理學院” 、“編號 —— 0010” 等。節(jié)點的角色是隨著任務的不同，以及目標狀況不斷變換的。其中主要實現(xiàn)的是能量監(jiān)視功能，首先設(shè)置特定的能量消耗和能量儲備，我們能夠動態(tài)模擬系統(tǒng)的能量變化情況。 圖 33 sink_gene 進程 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 21 在興趣設(shè)定過程中，我們將包 格式設(shè)定包括了發(fā)送者“ send_id” 、類型“ type” 、興趣序號“ sequence” 、時間戳“ timestamp”的屬性，這些都是在興趣擴散后反過來建立梯度網(wǎng)的必要屬性。 圖 34 感應節(jié)點 仿真波形 針對節(jié)點的剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進行了仿真觀測。關(guān)于能量轉(zhuǎn)化問題， 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 22 參考如下語句 [3] 剩余能量變化： Energy_stathandle_ptrremain_energy=TX_RF*CONTROL_MESSAGE Energy_stathandle_ptrremain_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。 total_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。 total_energy_consume+=TX_RF*DATA_MESSAGE。 （ a)節(jié)點數(shù)據(jù)延遲變化 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 23 （ b）節(jié)點數(shù)量變化圖 （ c） 各類 mode 剩余能量變化情況 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 24 （ d）節(jié)點數(shù)據(jù)延遲變化、總能量和剩余能量 圖 35 仿真波形圖 由于我們進行路徑選擇的規(guī)則是，向剩余能量最多的節(jié)點建立最大梯度，因此，我們選擇對剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進行觀察。但是選擇的路徑不一定就是最佳路徑，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r可能會比較長。 結(jié)果分析 在模型中，我們可以看出定向擴散路由協(xié)議的若干特性。隨著研究和應用的不斷深入，不同業(yè)務對網(wǎng)絡服務質(zhì)量 (QoS)提出了不同的要求，如：軍用監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡中 ,對某區(qū)域關(guān)鍵參數(shù) (如空氣中的放射物質(zhì)濃度 )的周期性測量，要求傳輸可靠的檢測結(jié)果，盡可能低的分組丟失率；而在事件 驅(qū)動的敵方目標識別和跟蹤中，實時數(shù)據(jù)傳輸則對延遲和抖動非常敏感。 [4] QoS 路由計算 多約束 QoS 路由選擇通常是 NP完全 問題 ,可用去度量相關(guān)性或轉(zhuǎn)化為單一度量來降低計算復雜度。通過其他輔助信息 (如地理信息等 )或設(shè)定更新閾值可限制泛洪范圍和降低泛洪頻率。它的主 要步驟包括：興趣 (Interest)通告、興趣匹配、梯度建立、路徑維護、數(shù)據(jù)聚合和下一跳選擇。 圖 36 基于 DD 的節(jié)點信息處理流程圖 算法描述 對傳統(tǒng) DD 的改進體現(xiàn)在三個方面：梯度建立、節(jié)點選擇和路徑維護。梯度建立過程的含義是在興趣分組的泛洪過程中，組合利用 MaxMPE 和 MHC 建立兩類梯度，對于實時業(yè)務，最小延遲被優(yōu)先考慮并兼顧能耗均衡，對于盡力而為業(yè)務，能耗均衡則被優(yōu)先考慮而兼顧較小的延遲。 規(guī)則 2(節(jié)點失效通知 )：在節(jié)點能量低于設(shè)定閾值后，該節(jié)點就會主動向鄰居節(jié)點發(fā)出失效通知。因為節(jié)點的通信能耗比重最大，所以不考慮感知能耗。 端到端延遲和延遲抖動，延遲 是分組從源節(jié)點到接收節(jié)點的平均經(jīng)過時間，延遲抖動是同一業(yè)務流之間不同分組的延遲變化量。 與傳統(tǒng) DD 的性能比較 表 31是采用實時業(yè)務濾器和盡力而為業(yè)務濾器的改進算法，與采用默認最小延遲策略的傳統(tǒng) DD 的性能比較，考察其兩類網(wǎng)絡生存期，其中 A為傳統(tǒng) DD 算法、 B為只采用實時業(yè)務濾器的改進算法、 C 只采用盡力而為業(yè)務濾器。試驗結(jié)果表明改進后算法可對兩類業(yè)務提供有保證的差別服務，同時可在全網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)能量資源的充分有效利用，實現(xiàn)網(wǎng)絡能耗均衡。它與 DD的實施模式無關(guān) ,可在滿足不同業(yè)務資源需求的同時，追求能量資源在全網(wǎng)的均衡使用，網(wǎng)絡生存期被大大提高。隨著傳感器節(jié)點密度的增加，必然會導致網(wǎng)關(guān)節(jié)點的負載過重，這種超負載的現(xiàn)象必然會導致傳輸延遲或者是跟蹤監(jiān)測事件不及時。所謂的簇，就是一些有關(guān)聯(lián)的節(jié)點組合而成節(jié)點的集合。 LEACH 協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議。 LEACH 算法是一種周期性自適應分簇拓撲算法，每一個周期循環(huán)地分為簇的建立階段、簇的形成和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。 首先， LEACH 算法簇頭的產(chǎn)生過程是分布式算法，即節(jié)點產(chǎn)生一個在 01 之間的隨機數(shù)，與閥值 T(n)比較，小于閥值 T(n)的可以當選簇頭，但是當過之后就不能再當了，設(shè) T(n)=0。 其次，簇的形成算法：簇頭產(chǎn)生后，簇頭向監(jiān)測區(qū)域廣播成簇頭的消息，然后節(jié)點根據(jù)自己的位置和簇頭的強弱決定加入哪個簇，這就是簇的形成的過程。 下面我們再詳細的介紹建立網(wǎng)絡模型、進程模型和節(jié)點模型的具體方法。 單擊創(chuàng)建狀態(tài)按鈕，單擊鼠標右鍵， Set name 設(shè)置名稱， Make State Forced改變狀態(tài)顏色，紅色為非強制狀態(tài)，綠色為強制狀態(tài)。單擊選中鏈路，單擊右鍵改變顏色 和其他狀態(tài)。創(chuàng)建節(jié)點模型需要定義。 節(jié)點模型 OPNET 中節(jié)點模型用于定義每個節(jié)點的工作。如下圖 38所示。協(xié)議的每個節(jié)點經(jīng)歷三個階段，即初始化階段、建立階段和穩(wěn)定階段。簇內(nèi)節(jié)點收到消息后就會在自己的時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸，簇頭收集簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送的消息后開始進行數(shù)據(jù)融 合算法來處理數(shù)據(jù)，最后直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。當只剩下一個節(jié)點沒有當選簇頭時候，這個節(jié)點必然就會當選，設(shè) T(n)=0。在簇的建立階段相鄰節(jié)點動態(tài)的形成簇，隨機地生成簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進行數(shù)據(jù)融合并且把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點。接下來我們就以LEACH 協(xié)議為例來講分簇路由協(xié)議。 分簇路由機制有以下幾個優(yōu)點： 成員節(jié)點大部分時間是關(guān)閉通行模塊的，只有簇頭節(jié)點在融合了所有成員節(jié)點的數(shù)據(jù)后與基站長距 離聯(lián)系。 分簇路由協(xié)議因具有管理拓撲方便，能量利用高效和數(shù)據(jù)融合簡單的優(yōu)點，成為當前研究最熱門的技術(shù)之一。 算法 性能 A B C 網(wǎng)絡生存期 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 業(yè)務類型 不支持 RTamp。從協(xié)議代價上來看 ,改進后算法有一些增加，原因是更復雜的梯度建立策略 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 29 以及鏈路快速修復機制所導致的協(xié)議控制開銷。分組傳輸 率在各種情景下均較高，原因是節(jié)點靜止且網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定，而 2Mbs 帶寬足以滿足業(yè)務帶寬需要。 分組傳輸率，成功接收分組和發(fā)送分組的比率，反映分組傳輸質(zhì)量。仿真結(jié)果置信度 ，其余主要仿真參數(shù)包括：觀測節(jié)點興趣泛洪周期 300s；傳感節(jié)點興趣匹配后產(chǎn)生 280個數(shù)據(jù)分組包；數(shù)據(jù)分組包數(shù)據(jù)負載 1024Byte。 失 效節(jié)點和有效節(jié)點的比率閾值設(shè)置與網(wǎng)絡和應用相關(guān)，若取值太大，下一跳數(shù)據(jù)傳遞失敗的概率越大，可能帶來性能的較大抖動；如果太小，就帶來過大的網(wǎng)絡負載和不必要的能耗。所以 ,在原有 DD 路徑維護機制基礎(chǔ)上定義如下規(guī)則來提供對失效鏈路的快速本地修復和節(jié)點失效通知： 規(guī)則 1(路徑快速本地修復 )：若當前節(jié)點的下一跳傳輸失敗，則在鄰居信息表中將與此下一跳節(jié)點間的鏈路代價標為無限大，并重新進行下一跳的選擇。路徑最小能量 MPE 是從觀測節(jié)點到傳感節(jié)點某路徑上節(jié)點能量的最小值，它體現(xiàn)了該路徑的能量瓶頸或最長可能接續(xù)時間；最大最小能量 MaxMPE 是從觀測節(jié)點到傳感節(jié)點之間多條路徑的最大值，它是當前節(jié)點與觀測節(jié)點 Directed Diffusion Core App Filter F1 FilterF2 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 27 間 多條路徑的能量瓶頸評價標準；最小跳 MHC 是觀測節(jié)點到傳感節(jié)點多條路徑跳數(shù)的最小值，反映了路徑的最優(yōu)延遲指標。如圖 36 所示是基于 DD 的節(jié)點信息處理流程。 [4] 基于定向擴散路由的 QoS 路由擴展 定向擴散路由（ DD）及其擴展機制 DD 為缺乏全局地址標識的無線傳感器網(wǎng)絡提供了一種以數(shù)據(jù)為中心，依賴局部梯度(gradient)信息選擇下一跳節(jié)點進行數(shù)據(jù)擴散和網(wǎng)間數(shù)據(jù)聚合處理的數(shù)據(jù)分發(fā)模式。另外，能力有限的傳感節(jié)點采用依靠鄰居節(jié)點信息的分布式計算。 [4] QoS 路由策略分析 QoS 度量選擇 可選 QoS 度量包括時延、帶寬、分組丟失率和網(wǎng)絡吞吐量等，它的選擇反映了網(wǎng)絡特點和應用需求。這些都是我們在架設(shè)實際網(wǎng)絡中應該特別留意的方面。 所以來說，能量與延遲是負增長。根據(jù)需求分析，在場景中我們設(shè)置了，在一個范圍內(nèi)的節(jié)點符合 sink 發(fā)送的興趣，分析數(shù)據(jù)傳輸過程中時延和能量的變化。 total_energy_consume+=RECV_CONTROL_MESSAGE_ENERGY。 total_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 Energy_stathandle_ptrremain_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 在我們的仿真中，我們設(shè)定了每個節(jié)點的總能量值以及在某些特殊情況下的節(jié)點能量消耗值。 感應節(jié)點 如圖 34 所示，在感應節(jié)點的設(shè)定中， process 和 trans 兩個進程是核心進程。 在 sink_gene 進程中，我們主要的工作室興趣創(chuàng)建，如圖 33 所示，在進程編輯器中見到的 sink_gene 進程的各個模塊。 rec 和 trans 分別表示收發(fā)機進程， sink_gene 表示了在 sink 節(jié)點中興趣產(chǎn)生進程， sink 表示對 sink 節(jié)點的控制進程。在傳感器網(wǎng)絡之中，這種拓撲結(jié)構(gòu)通過建立梯度來“引導”事件?？傮w而言，傳播的傳感器網(wǎng)絡中是收集一個物理現(xiàn)象的信息或數(shù)據(jù)處理信息。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡路由仿真與研究 18 第三章 基于 OPNET 的無線傳