【正文】 能 量 供 應 模 塊 圖 12 無線傳感器節(jié)點模塊結構 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 5 無線傳感器節(jié)點通常由四部分組成（如圖 12）： 傳感器模塊：用來監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換； 處理器模塊：用來控制 整個傳感器節(jié)點的操作、存儲和處理數據； 無線通信模塊：用來與其他傳感器節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集消息，它有四種狀態(tài)：發(fā)送、接受、空閑、睡眠； 能量供應模塊：用來為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常會采用微電池型。網絡拓撲技術現在研究的主要問題是在滿足網絡聯通度和覆蓋度的前 提下，通過功率控制和骨干網節(jié)點的選擇，剔除節(jié)點之間一些不必要的無線通信鏈路，生成一個高效率的數據轉發(fā)的網絡拓撲結構。另外，在傳感器網絡中，安全的概念也發(fā)生了變化，隱私保護是極其重要，而授權重要性卻降低。各個狀態(tài)再分別進行編程實現。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細程度。 圖 15 OPNET 安裝圖 OPNET 仿真 OPNET 提供了三層機制，分別為：進程層、節(jié)點層、網絡層。 無線傳感器網絡的路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)網絡的協(xié)議，它具有能量優(yōu)先、基于 局部的拓撲信息、以數據為中心和應用相關四個特點，因而，根據具體的應用設計路由機制時，從四個方面衡量路由協(xié)議的優(yōu)劣： 能量高效 傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量問題。它實現簡單，不需要為保持網絡拓撲信息和實現復雜的路由算法消耗計算資源，適用于健壯性要求高的場合。 謠傳路由（ Rumor Routing） 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 13 D. Braginsky 等人提出的適用于數據傳輸量較小的無線傳感器網絡路由協(xié)議。 SPIN 協(xié)議通過協(xié)商完成資源自適應算法，即在發(fā)送真正數據之前，經過協(xié)商壓縮重復的信息，避免冗余數據的發(fā)送；另外， SPIN協(xié)議有權訪問每個節(jié)點的當前能量水平，根據節(jié)點剩余能量水平調整協(xié)議，所以可以延長網絡的生存期。整個網絡節(jié)點形成一個以基站或匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹。一是確定邊界節(jié)點都為信標節(jié)點，則非邊界節(jié)點通過邊界節(jié)點確定自己的位置信息。 LEACH（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） MIT 的 Chandrakasan 等人為無線傳感器設計的一種分簇路由算法，它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點，平均分配整個網絡的能量到每個傳感器節(jié)點，從而可以降低網絡能源消耗，延長網絡的生存時間。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點將采集的數據送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點將信息融合后送給匯聚點。 QoS 路由協(xié)議 除了上述三種路由協(xié)議分類之外，還有一些路由協(xié)議在路由建立時，需要考慮吞吐 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 16 量、端到端時延等 QoS 性能參數，特別是在采集視頻和音頻數據時。 由上表可見，廣播式總是存在一種矛盾，當具有好的擴展性時勢必以差的魯棒性和能量高效為代價，即以犧牲魯棒性換取擴展性和高能量，這同時也嚴重影響了節(jié)點的快速收斂性?？傮w而言，傳播的傳感器網絡中是收集一個物理現象的信息或數據處理信息。 rec 和 trans 分別表示收發(fā)機進程， sink_gene 表示了在 sink 節(jié)點中興趣產生進程， sink 表示對 sink 節(jié)點的控制進程。 感應節(jié)點 如圖 34 所示，在感應節(jié)點的設定中， process 和 trans 兩個進程是核心進程。 Energy_stathandle_ptrremain_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 total_energy_consume+=RECV_CONTROL_MESSAGE_ENERGY。 所以來說，能量與延遲是負增長。 [4] QoS 路由策略分析 QoS 度量選擇 可選 QoS 度量包括時延、帶寬、分組丟失率和網絡吞吐量等，它的選擇反映了網絡特點和應用需求。 [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絡提供了一種以數據為中心，依賴局部梯度(gradient)信息選擇下一跳節(jié)點進行數據擴散和網間數據聚合處理的數據分發(fā)模式。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)點多條路徑跳數的最小值，反映了路徑的最優(yōu)延遲指標。 失 效節(jié)點和有效節(jié)點的比率閾值設置與網絡和應用相關，若取值太大，下一跳數據傳遞失敗的概率越大，可能帶來性能的較大抖動；如果太小，就帶來過大的網絡負載和不必要的能耗。 分組傳輸率，成功接收分組和發(fā)送分組的比率，反映分組傳輸質量。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。 分簇路由協(xié)議因具有管理拓撲方便，能量利用高效和數據融合簡單的優(yōu)點，成為當前研究最熱門的技術之一。接下來我們就以LEACH 協(xié)議為例來講分簇路由協(xié)議。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 T(n)=0。協(xié)議的每個節(jié)點經歷三個階段，即初始化階段、建立階段和穩(wěn)定階段。 節(jié)點模型 OPNET 中節(jié)點模型用于定義每個節(jié)點的工作。單擊選中鏈路，單擊右鍵改變顏色 和其他狀態(tài)。 下面我們再詳細的介紹建立網絡模型、進程模型和節(jié)點模型的具體方法。 首先， LEACH 算法簇頭的產生過程是分布式算法，即節(jié)點產生一個在 01 之間的隨機數，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 T(n)=0。 LEACH 協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議。隨著傳感器節(jié)點密度的增加，必然會導致網關節(jié)點的負載過重，這種超負載的現象必然會導致傳輸延遲或者是跟蹤監(jiān)測事件不及時。試驗結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，同時可在全網范圍內實現能量資源的充分有效利用，實現網絡能耗均衡。 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。 規(guī)則 2(節(jié)點失效通知 )：在節(jié)點能量低于設定閾值后，該節(jié)點就會主動向鄰居節(jié)點發(fā)出失效通知。 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 的改進體現在三個方面：梯度建立、節(jié)點選擇和路徑維護。通過其他輔助信息 (如地理信息等 )或設定更新閾值可限制泛洪范圍和降低泛洪頻率。隨著研究和應用的不斷深入，不同業(yè)務對網絡服務質量 (QoS)提出了不同的要求，如：軍用監(jiān)控傳感器網絡中 ,對某區(qū)域關鍵參數 (如空氣中的放射物質濃度 )的周期性測量，要求傳輸可靠的檢測結果，盡可能低的分組丟失率；而在事件 驅動的敵方目標識別和跟蹤中，實時數據傳輸則對延遲和抖動非常敏感。但是選擇的路徑不一定就是最佳路徑，所以數據傳輸的延時可能會比較長。 total_energy_consume+=TX_RF*DATA_MESSAGE。關于能量轉化問題， 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 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。 圖 33 sink_gene 進程 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 21 在興趣設定過程中，我們將包 格式設定包括了發(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的必要屬性。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。 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”、數據消息、“梯度”以及路徑加強。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 絡存在的時間有緊密的聯系。 具體實現：當劃分好固定的虛擬網格之后，網絡中每個節(jié)點利用 GPS 接受卡指示的位置信息將節(jié)點本身與虛擬網格中某個點關聯映射起來。二是傳輸數據的穩(wěn)定階段。通過將整個無線傳感器網絡區(qū)域分為若干個簇，每個簇中選 舉一個簇頭，通過 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 15 多跳通信及數據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。關鍵是利用某些知道自己位置信息的信標節(jié)點確定全局坐標系及其他節(jié)點在坐標系中的位置。如果數據包已經到達目標區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴散方式發(fā)布該數據。 SPIN（ Sensor Protocols for Information via Negotiation） W. Heinzelman 等人提出的一種自適應的 SPIN 路由協(xié)議。 具體實現：首先是興趣消息擴散，每個節(jié)點都在本地保存一個興趣列表，其中專門存在一個表項用來記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點、數據發(fā)送速率和時間戳等相關信息，之后建立傳輸梯度。 本文根據不同的無線傳感器網絡路由結構和數據傳輸模型 ,對目前的路由協(xié)議作 了以下四種分類：廣播式路由協(xié)議、坐標式 路由協(xié)議 、分簇式路由路由和 QoS 的路由協(xié)議，并對各類路由協(xié)議進行了分析。由于其應用相關性，單一的路由協(xié)議不能滿足各種應用需求 ,因而研究人員提出了多種不同的路由協(xié)議。另外， OPNET 在 Windows 平臺下還支持和編程語言 VC 的聯合調試。這也是 Modeler 建模的重要機制，這種機制對項目的管理和分工很有幫助 。 OPNET Modeler 的主要特性 OPNET Modeler 的主要特性包含以下幾點： 層次化的網絡模型 OPNET Modeler 提供了三層建模機制，分別在進程層、節(jié)點層、網絡層進行由下到上的建模機制。 網絡安全技術 無線傳感器網絡通常都會布置在無人維護、不可控制的環(huán)境情況中，所以傳感器網絡的安全性一直是一個很大的挑戰(zhàn)。與此同時，拓撲技術對路由協(xié)議性能的影響也非常大。匯聚節(jié)點可以是一個 具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給、更多的 Flash 和 SRAM中的所有信息傳輸到計算機系統(tǒng)中，通過匯編軟件，可很便捷地把獲取的信息轉換為匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點所存儲的程序代碼、路由協(xié)議和密鑰等信息，同時也可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點當中。 Radio frequency： gateway 或節(jié)點用以收發(fā)資料。節(jié)點在網絡中可以充當數據的采集者、數據中轉站或組頭、簇頭節(jié)點的角色。 總體而言，該領域的研究目前還處于起步階段，傳感器網絡路由技術還存在很多的不足，在很多領域還無法實現。通過不斷地研究對比各類路由機制，總結仿真實驗中 LEACH 和 QoS 的一些優(yōu)缺點。由于該領域的研究還處于起步階段，傳感器網絡路由技術還有諸多的不足。我們可以展望一個好的無線傳感器網絡路由應是以減少通信量、負載均衡、支持移動性、容錯性、組播路由、路由安全、可擴展性、 QoS 路由、跨層協(xié)議優(yōu)化、與 IPv6 結合為發(fā)展趨勢和研究方向。