【正文】 接下來是配置節(jié)點信道和跟蹤文件： $ns_ at $node_($id) startapp ns在 0的時候啟動應(yīng)用，應(yīng)用在 分析。 LEACH 代碼分析 首先對 ，先對默認(rèn)的腳本選項進行初始化： if {$id != $opt(nn_)} { 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 puts nonewline $id //important set node_($id) [new MobileNode/ResourceAwareNode] } else { puts ($opt(nn_) == BS) set node_($id) [new MobileNode/ResourceAwareNode $BS_NODE] } 如果不是簇頭節(jié)點則將 $opt(nn_)1個節(jié)點設(shè)置為一般節(jié)點，將 $opt(nn_)設(shè)置為 BS節(jié)點。整個穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段的工作流程如圖 42所示。簇 首節(jié)點接收來自普通節(jié)點的請求入簇消息 ，并且根據(jù)請求節(jié)點的數(shù)目創(chuàng)建 TDMA時隙表 ， 同時簇首還需要確立簇內(nèi)成員節(jié)點的CDMA (Code Division Multiple Access)編碼方式。 簇 建立階段 LEACH路由算法中的簇首節(jié)點選舉至關(guān)重要 ， 雖然其產(chǎn)生帶有隨機性 ， 但必須滿足以下條件 ： 網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都不能重復(fù)擔(dān)任簇 首 ， 除非其余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在過去的輪轉(zhuǎn)中均已擔(dān)任過簇首。在大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，全局廣播簇頭節(jié)點消耗的能量大量的能耗。上面兩種模型分別為自由空間模型 (free space)和多路徑衰落模型 (multipath fading)。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點采取電池供電，且節(jié)點的電池難以更換。 協(xié)議綜合比較 表 31 協(xié)議比較 協(xié) 議 類型 路由結(jié)構(gòu) 生存時間 節(jié)點定位 傳輸路徑 健壯性 擴展性 節(jié)能策略 移動性 安全機制 QoS 支持 Flooding 平面 短 否 多路徑 好 一般 否 較好 無 無 SPIN 平面 長 否 多路徑 不好 一般 是 好 無 無 DD 平面 長 否 單路徑 好 較好 是 一般 無 無 SAR 平面 長 否 多路徑 好 一般 是 一般 無 有 LEACH 層次 很長 否 單路徑 好 一般 是 簇頭固定 無 無 TEEN 層次 很長 否 單路徑 好 好 是 簇頭固定 無 無 從上表中得知， 各協(xié)議的特點并且 以上所有路由協(xié)議 都 在節(jié)能方面予以了考慮，這也突出了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能的重要性，在一個供給能量有限的 條件 下，節(jié)能對于 整個 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)存活 的 時間 起著至關(guān)重要的作用 。 TEEN 在選擇簇頭節(jié)點的時候 ，隨著簇首節(jié)點的選定， 節(jié)點在發(fā)送數(shù) 據(jù)的時候有 數(shù)據(jù)的硬閾值（ hard threshold，HT）和軟閾值（ soft threshold， ST） 作為參考 參數(shù)。 其 缺點是簇頭節(jié)點的可靠性和穩(wěn)定性對全網(wǎng)性能影響較大，信息的采集和處理也會大量的消耗簇頭的能量。它的特點是確定路由樹時，同時將 QoS 度量、每條路徑上的可利用能量和每個數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級考慮在內(nèi)。 DD協(xié)議 DD[21] (Direct Diffusion)定向擴散路由協(xié)議是一種 基于查詢的路由 協(xié)議， 與 傳統(tǒng) 的路由協(xié)議 截然不同 。這兩個協(xié)議 由于 不需要維護路由信息， 所以沒有 相關(guān)的路由計算，簡單但 存在的缺陷太多，不利于廣泛推廣，需要在此基礎(chǔ)上不斷改進 。 重復(fù)相同的步驟，直至將信息傳輸?shù)侥康墓?jié)點為止，或者直至廣播至所有節(jié)點為止，或者直至改數(shù)據(jù)的生命周期耗盡為零為止。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 第 3 章 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù) 據(jù) 的 采集方式 ， 將路由協(xié)議分 成 平面 和分層這兩種路由協(xié)議 。簇頭節(jié)點用來收集在簇內(nèi)的其他節(jié)點向其發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對其進行融合，再將其融合后的數(shù)據(jù)傳輸給 Sink 節(jié)點，與其進行通信。對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓淮蟛鬏敂?shù)據(jù)較頻繁的系統(tǒng)來說，適用主動路由協(xié)議；對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^并不常用的系統(tǒng)來說，適用按需路由協(xié)議。針對不同的傳感器的特殊性，研究人員針對這個特殊性提出了不同的路由協(xié)議。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是基于無線鏈路連接的，因此我們 需要慎重選擇無線傳輸?shù)氖侄?。在?jié)點的部署方面，我們既可以采取人工方式 ，也可以采取隨機散落的方式將節(jié)點播撒于監(jiān)測區(qū)域中。 （ 4）應(yīng)用相關(guān) WSNs 應(yīng)用環(huán)境千差萬別，而傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強的應(yīng)用相關(guān)性 ，不同應(yīng)用背景下的數(shù)據(jù)通信 的 模式 也 可能存在很大差別，因此不能設(shè)計出一個通用的路由機制，這 就體現(xiàn) 了 傳感器網(wǎng)絡(luò) 具備 應(yīng)用相關(guān)性的 特性 。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 第 2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 在無線傳感器自組織網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計是一個核心內(nèi)容，路由協(xié)議主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，將其從源節(jié)點發(fā)送到目的節(jié)點，有以下兩個方面的功能：一是在傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點間尋找優(yōu)化路徑；二是正確將數(shù)據(jù)包沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 無線通信技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低能耗 并且較短 距離的無線通信技術(shù) [14]。通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，增強了?jié)點間的可連通性， 使得 能量 的 利用率和網(wǎng)絡(luò) 存儲 空間 的 容量等 得到提高 。 設(shè)計的時候要考慮是否易于與其他網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合 、 數(shù)據(jù) 傳輸過程中 的 能量是否被高效利用、是否以數(shù)據(jù)為中心、最好 選擇 基于屬性的尋址和 位置感知方式、數(shù)據(jù)聚集 是否只有在不阻礙無線傳感器節(jié)點 間的協(xié)同工作 時是有效的等問題。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機部署， 這些結(jié)點 可以 自組成網(wǎng) 絡(luò) ， 把在 戰(zhàn)場 上獲得的 信息 進行 收集、傳 送和相互 融合， 并將收集到的信息發(fā)送給終端用戶 。傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通過匯聚節(jié)點相連接，遠(yuǎn)程任務(wù)管理與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信通過協(xié)議的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。 如圖 11 所示， 描述這 整個系統(tǒng)還需 對 外部網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元和用戶進行定義 。因此 ，在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中 不適 用 傳統(tǒng)的路由算法 ， 必須 設(shè)計 新的路由協(xié)議 來解決不同的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 其所需要的 的 獨立功能 。 無線傳感器網(wǎng) 絡(luò) 的 最大的特點是 傳感器 節(jié)點 的 能量 十分 有限并且不可補充 ， 因此 ， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 路由協(xié)議 起著 重要的 作用 。 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 第 1章 緒 論 課題研究背景與意義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks， WSNs) 是當(dāng)今信息 研究 領(lǐng)域 的一個 新熱點， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 通常由大量密集的 微 傳感器 組 成， 是一種具有動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)，但其 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 的 能量、計算和通信能力都比較有限。在需要監(jiān)測的環(huán)境中布置傳感器節(jié)點，這些節(jié)點實時地對周圍環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過簡單的處理，通過無線傳輸方式發(fā)送出去，利用互聯(lián)網(wǎng)傳達(dá)給用戶。 LEACH protocol。最后通過 NS2 仿真對比 LEACH和 LEACHCH 協(xié)議 。 本文闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、體系結(jié)構(gòu) 、節(jié)點結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧 以及關(guān)鍵技術(shù)等 相關(guān)內(nèi)容； 將一些典型的路由協(xié)議進行了分析和比較 ； 在此基礎(chǔ)上 深入分析了 LEACH 協(xié)議，通過分析發(fā)現(xiàn) ， 在 隨機選擇簇頭的方案 上， LEACH 協(xié)議存在以下問題：（ 1）簇頭節(jié)點分布不均勻；（ 2）簇的大小相差較大；（ 3）能量低的節(jié)點可能被選作簇頭；（ 4）簇數(shù)目不能保證為最優(yōu)值。 (3) the nodes with low energy may be selected as cluster head。無線傳感網(wǎng)絡(luò)涉及計算機和通信，人工智能、自動控制等多學(xué)科的綜合技術(shù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 因其寬廣的 應(yīng)用前景 而受到廣泛 的 關(guān)注， 而為了 實現(xiàn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的大范圍覆蓋，必須 通過 多跳中繼的 形式 來 傳送 數(shù)據(jù)，這 就 要 依靠 相 對應(yīng) 路由協(xié)議的支 持 ，因而 路由協(xié)議 也 就 成為 了 當(dāng)前備受矚目的研究 熱點。它充分 結(jié)合 了微電子、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、嵌入式計算、分布式信息 處理技術(shù)等先進技術(shù)。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 路由協(xié)議 占有 舉足輕重 的地位。其 作用是將 覆蓋 網(wǎng)絡(luò) 的 區(qū)域內(nèi) 對 感知對象的監(jiān)測信息協(xié) 同 地 進行 檢 測、處 理和傳 送 ，并將 信息傳輸 給觀察者。 傳輸無線數(shù)據(jù)以及協(xié)同其他節(jié)點工作的作用。 傳 感 器 A / D 轉(zhuǎn) 換 收 發(fā) 器M A C網(wǎng) 絡(luò)定 位 系 統(tǒng)移 動 系 統(tǒng)處 理 器存 儲 器電 源 單 元 自 供 電 系 統(tǒng) 圖 12 傳感 器 節(jié)點的結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點除了包括以上核心單元，還可以包括如 具備定位、移動 和自供 電 特性的 系統(tǒng)等其他輔助單元。 數(shù)據(jù)鏈路層：無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層 的作用是將 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)化 成幀、 進行 幀檢測、對 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 進行檢測 、 進行 介質(zhì)訪問和 對 差錯 的 控制。 該層上支撐服 務(wù) 包括：時 鐘同步 和傳感器節(jié)點定位。在設(shè)計的過程中要減少數(shù)據(jù)冗余，提高能量利用率 ， 建立 的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是指從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點間的 路徑 [12]。 第 三 章介紹 無線傳感 器 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，包括平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議，并詳細(xì)介紹了一些經(jīng)典路由協(xié)議，并對這些協(xié)議進行對比 。因此 在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，設(shè)計出的 路由協(xié)議 要求 節(jié)點 在 只能獲取局部 的 拓?fù)湫畔⒌臈l件下 也能 選擇 出適合 的路徑。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的考慮因素 在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議時，將考慮的因素大致分為以下兩個方面： （ 1） 網(wǎng)絡(luò)特征 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于存在的環(huán)境不同，所以在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議時，主要考慮能量的消耗、節(jié)點的部署和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥兓?。時間傳輸是數(shù)據(jù)在傳輸時具有一定的周期性，固定時間傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量也較固定。 （ 3）評估比較各種潛在路徑的開銷，其中包括跳轉(zhuǎn)的次數(shù)、延遲的時間等。 （ 2）按需 (on Demand)路由協(xié)議：也叫被動路由，顧名思義，就是在源節(jié)點需要向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，源節(jié)點才會開始建立路由。 （ 3）分層路由 協(xié)議：典型的分層路由協(xié)議采用簇的概念對節(jié)點進行層次劃分。 4．依據(jù)路由選擇是否考慮服務(wù)質(zhì)量（ QOS）約束 在建立路由時，從時延、丟包率等參數(shù)中，選擇一條最適合服務(wù)質(zhì)量應(yīng)用要求的路由。 Flooding 協(xié)議及 Gossiping協(xié)議 洪泛 路由協(xié)議 [15]（ Flooding Protocol）是所有路由 技術(shù)中最經(jīng)典、最簡單的傳統(tǒng)路由協(xié)議 ，適用于小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并要求這個網(wǎng)絡(luò)具有較長的存活周期長 。 Gossiping 是在洪泛法（ Flooding）上改進得來的 [17]，它的改進是，當(dāng)一個節(jié)點開始發(fā)送信息時，采用的是隨機發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，當(dāng)有節(jié)點重復(fù)收到信息時，它會將信息返還讓其重新發(fā)送（如圖 33 的 E 節(jié)點，它將信息返回給 B，如圖 33，從而解決了洪泛法的信息爆炸問題。 (2)節(jié)點在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時先檢測自身能量狀況，根據(jù)能量等級調(diào)整工作模式，如能量較低時只接收數(shù)據(jù)而不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。 定向擴散路由 協(xié)議的優(yōu)點 是 具有較好的節(jié)能型， 適用于傳感器節(jié)點收到請求后，需連續(xù)多次向匯聚節(jié)點發(fā)送信息； 缺點是在梯度值建立的過程中話費的代價過大 ，所以不適合在收到請求后只需發(fā)一次少量的信息。 層次路由協(xié)議 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 分層路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為多個簇，在每個簇內(nèi) 又通過一定規(guī)則的選舉產(chǎn)生簇頭 （ cluster head）節(jié)點 [24] 。非簇頭節(jié)點發(fā)送加入信息到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點向簇成員節(jié)點發(fā)送 TDMA 表，簇成員節(jié)點只能在分配的時間間隙內(nèi)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，否則節(jié)點進入休眠狀態(tài)。 (2)隨著簇頭的變化， 用戶通過設(shè) 置 2 個閥門值，從而確定數(shù)據(jù)包傳送的次數(shù) 。因此，本文選擇研究層次路由協(xié)議。 本文和文獻使用相同的無線通信模型 [27]。接收端可以接收到信號的門限值為 CSThresh ，而可以正確解碼的門限值為 RXThresh 。為了平衡全網(wǎng)節(jié)點的能耗 ,LEACH協(xié)議釆用“輪”的模塊化程序設(shè)計思想 ， 全網(wǎng)節(jié)點輪流擔(dān)任簇首節(jié)點 ， 有效地平衡了網(wǎng)絡(luò)的能耗。當(dāng) r 計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18 = 0時 ，所有節(jié)點成為簇 首的概率都為 P，一旦節(jié)點在某輪當(dāng)選為簇 首 ， 那么它在下面的 1/p輪中都不能再次被選舉為簇首 ； 當(dāng) r = (l/p)l時 ， T(n) = 1，網(wǎng)絡(luò)中沒有擔(dān)任過簇 首的節(jié)點在本輪成為簇首的概率為 1。為了降低節(jié)點能耗 ， 在傳遞完監(jiān)測數(shù)據(jù)后 ， 成員節(jié)計算機信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 點關(guān) 閉其信號發(fā)射器 ， 并且進入睡眠狀態(tài)。 (3) LEACH通過選舉簇頭方式，每隔一定的時間就重新選舉簇頭節(jié)點，從而均衡網(wǎng)絡(luò)的