【正文】 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 2 第一章 緒 論 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即 wireless sensor work，簡稱 WSN。 [1] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具具有的眾多 類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、噪聲、濕度、光強(qiáng)度、土壤成分、壓力、移動物體的大小、方向和速度等周邊環(huán)境中多種多樣現(xiàn)象。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳的進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧多采用五層協(xié)議： 應(yīng)用層 、 傳輸層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、物理層 ，是與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)的。 路由控制技術(shù) 保證數(shù)據(jù)的傳輸，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立可靠的路由是路由協(xié)議的目的。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全研究僅僅處于初級階段，要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和安全的威脅，研究新型的安全的優(yōu)化的路由協(xié)議。節(jié)點(diǎn)模型由進(jìn)程模型構(gòu)成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實(shí)的描繪所建模設(shè)備的特性。有限狀態(tài)機(jī)加上標(biāo)準(zhǔn)的 C/C++以及 OPNET 本身提供的 400 多個庫函數(shù)構(gòu)成了Modeler 編程的核心。其中，在進(jìn)程層對每個對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理仿真；在節(jié)點(diǎn)層，對進(jìn)程層的對象進(jìn)行互連形成設(shè)備；在網(wǎng)絡(luò)層，將設(shè)備通過鏈路連接成網(wǎng)絡(luò)，將多個網(wǎng)絡(luò)場景交織在一起，形成工程，就是我們所說的仿真平臺，具體流程如圖 16所示。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，更要能量均衡消耗，實(shí)現(xiàn)簡單而且高效的傳輸，盡可能地延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。但是，擴(kuò)散法存在信息爆炸問題，即能出現(xiàn)一個節(jié)點(diǎn)可能得到數(shù)據(jù)多個副本的情況，并且也會出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，另外，擴(kuò)散法沒有計算各個節(jié)點(diǎn)的能量，不能作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)能量耗盡時，網(wǎng)絡(luò)就會消滅。它的基本思想是時間監(jiān)測區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機(jī)路徑向鄰居節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散傳播。 具體實(shí) 現(xiàn)： SPIN 采用了 3種數(shù)據(jù)包來通信： ADV 用于新數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播； REQ 用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)希望接收數(shù)據(jù)時，發(fā)送該報文； DATA 包含帶有 Metadata 頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文；當(dāng)一個傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個 DATA 數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播式地發(fā)送 ADV 數(shù)據(jù)包，如果一個鄰居希望接收該 DATA 數(shù)據(jù)包，則像該節(jié)點(diǎn)發(fā)送 REQ 數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 DATA數(shù)據(jù)包。每個節(jié)點(diǎn)用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個參數(shù)表示： 具體實(shí)現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個階段：由跳數(shù)建立路由并擴(kuò)展到整個網(wǎng)絡(luò)形成生成樹型結(jié)構(gòu)，再從葉節(jié)點(diǎn)開始反饋?zhàn)訕涞拇笮。礃渲邪墓?jié)點(diǎn)數(shù)目，最后確定每個子節(jié)點(diǎn)的虛擬角度范圍。在平面情況下，節(jié)點(diǎn)通過鄰居節(jié)點(diǎn)位置的平均值計算。簇首的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)，簇首的選取一般基于節(jié)點(diǎn)的剩 余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、簇首的位置和簇內(nèi)的通信代價。一段時間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。 QoS 是一個提供軟實(shí)時端到端速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制及負(fù)載均衡的路由協(xié)議。而坐標(biāo)式彌補(bǔ)了廣播式的不足，可以同時達(dá)到四個衡量標(biāo)準(zhǔn)。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成的感應(yīng)現(xiàn)象的簡要說明為“事件”。 事件 Sink 節(jié)點(diǎn) 梯度 源節(jié)點(diǎn) 事件 Sink 節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn) 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 20 圖 32 sink 節(jié)點(diǎn) 接下來主要介紹 sink 和 sink_gene 進(jìn)程 : 在 sink 進(jìn)程中，我進(jìn)行了一些對 sink 節(jié)點(diǎn)的設(shè)定。他們分別的作用是節(jié)點(diǎn)中的包的建立和對包傳輸進(jìn) 行處理從而建立拓?fù)?，并判斷?jié)點(diǎn)在特定情況下的角色等。 總能量變化： total_energy=TX_RF*CONTROL_MESSAGE。 數(shù)據(jù)延遲反映了網(wǎng)絡(luò)性能的變化，因?yàn)槲覀儾扇×藢κＳ嗄芰孔疃嗟墓?jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的方法，所以，不會出現(xiàn)某個節(jié)點(diǎn)總是傳輸數(shù)據(jù)而將能量快速消耗的情況。因此定向擴(kuò)散協(xié)議比較適合對節(jié)點(diǎn)壽命要求比較高、對時延要求比較低的場合。這里 ,以網(wǎng)絡(luò)生存期為優(yōu)化目標(biāo) ,選擇路徑節(jié)點(diǎn)最小剩余能量、時延和時延抖動以及分組丟失率等作為 QoS 路由度量。它提供對任務(wù)與數(shù)據(jù)的命名和操作算子，采用發(fā)布 /訂閱模式 (publish/subscribe)來建立傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效節(jié)點(diǎn)、觀測節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)間的梯度關(guān)聯(lián)，可提供穩(wěn)定的多徑傳遞和路徑子集選擇。 梯度建立過程：興趣分組攜帶上一跳節(jié)點(diǎn)能量、上一跳最大最小剩余能量、跳數(shù)、是否更新 MaxMPE 和是否更新 MHC 標(biāo)志等字段；當(dāng)同序號興趣分組通過多徑到達(dá)某節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)比較自身能量和上一跳節(jié)點(diǎn)的 MaxMPE，取小的為該路徑的 MPE，若此 MPE 比節(jié)點(diǎn)保存的 MaxMPE 大，或雖相等但跳數(shù)少，則更新節(jié)點(diǎn)的 MaxMPE 并保留對應(yīng)的跳數(shù)，置“是否更新 MaxMPE0”標(biāo)志為真；若該路徑跳數(shù)比當(dāng)前 MHC 小，或雖相等但對 應(yīng)的 MPE 大，則更新節(jié)點(diǎn)的 MHC 并保留對應(yīng)的 MPE，置“是否更新 MHC0”標(biāo)志為真；兩標(biāo)志都為假則丟棄該興趣分組，否則向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播該分組。 仿真環(huán)境 在 OPNET 仿真環(huán)境下，我們通過建立網(wǎng)絡(luò)范圍 200 200，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 300，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場景靜止，其發(fā)送接收最大參考距離為 15；節(jié)點(diǎn)采用 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 28 層協(xié)議，帶寬 2Mb/s；觀測節(jié)點(diǎn)一個，位于網(wǎng)絡(luò)場景右上角，目標(biāo)區(qū)域在左下角；仿真過程中假定目標(biāo)區(qū)域節(jié)點(diǎn)通過聚合處理，只有一個傳感節(jié)點(diǎn)返回匹配數(shù)據(jù)；仿 真時間為網(wǎng)絡(luò)生存期結(jié)束。 分組傳輸代價，控制分組與數(shù)據(jù)分組的比率。 表 31 性能比較 結(jié)果分析 DD 提供了可擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制，本文基于 DD 路由協(xié)議，利用路徑上節(jié)點(diǎn)的最小能量和到觀測節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)建立兩類梯度，采用優(yōu)先級調(diào)度法來作為多約束的路由策略，通過構(gòu)造波爾茲曼概率選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展了路徑維護(hù)機(jī)制，得到了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由算法。在分簇路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)常常被劃分成若干個簇。 LEACH 協(xié)議簡介 LEACH（ low energy adaptive clustering hierarchy）按簇將網(wǎng)絡(luò)分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)由一個簇頭和多個節(jié)點(diǎn)組成的，它的網(wǎng)絡(luò)模型如下圖所示。 [5] 其 中： p是節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率； r是目前循環(huán)進(jìn)行的輪數(shù)； G是最近 1/p 輪中還未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)的集合。 圖 38 進(jìn)程模型圖 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 33 創(chuàng)建進(jìn)程模型的方法為： 從 File 菜單中選擇 New，然后從列表中選擇 Process Model，單擊確認(rèn)按鈕。一個節(jié)點(diǎn)通常是由多個模塊組成的，他的行為由他的使用來決定，每個模塊完成節(jié)點(diǎn)的一部分功能。 點(diǎn)擊確定開始狀態(tài)，點(diǎn)擊連接狀態(tài)。 LEACH 協(xié)議的仿真 本論文對 LEACH 協(xié)議進(jìn)行仿真，同時為了能夠比較，我仿真了另外一種簡單的直接傳輸（ Direct Trans）協(xié)議，這個協(xié)議的特點(diǎn)就是不對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，所有節(jié)點(diǎn)直接向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸信號。 [5] 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 31 圖 37 LEACH 協(xié)議結(jié)構(gòu)圖 LEACH 協(xié)議算法分析 LEACH 協(xié)議算法的循環(huán)分為以下三步：一、簇的產(chǎn)生；二、簇的形成；三、簇的路由。這樣節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量； 成員節(jié)點(diǎn)的功能簡單，這樣就減少了路由控制信息的數(shù)量； 分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理簡單，有利于分布式算法，能夠?qū)ο到y(tǒng)變化做出迅速的相應(yīng)變化，具有很好的可擴(kuò)展性，容易克服節(jié)點(diǎn)移動帶來的問題，適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。BE RT RT BE BE 平均 ETE 包延遲 (ms) 3625 19268 5192 24300 24120 25260 規(guī)格化數(shù)據(jù)包收 /發(fā) 分組傳輸率(%) 123/125 703/731 190/192 760/785 839/845 831/853 控制包總數(shù) 2370 14700 11400 49010 38824 39256 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 30 分簇路由仿真與分析 與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的就是他的可擴(kuò)展性。從 I 類網(wǎng)絡(luò)生存期來看，采用實(shí)時業(yè)務(wù)濾器比傳統(tǒng) DD 提高了 50%，而且盡力而為業(yè)務(wù)濾器則提高了 540%；從 II 類網(wǎng)絡(luò)生存期來看 ,采用實(shí)時業(yè)務(wù)濾器僅比傳統(tǒng) DD 提高了 7%，而盡力而為業(yè)務(wù)濾器則提高了 21%。 評價方法 網(wǎng)絡(luò)仿真性能評價指標(biāo)包含端到端延遲、網(wǎng)絡(luò)生存期和延遲抖動、分組傳輸率和分組傳送代價： 網(wǎng)絡(luò)生存期，目的是考查協(xié)議在節(jié)點(diǎn)能量消耗和網(wǎng)絡(luò)能耗均衡等方面的性能，包括I 類和 II 類網(wǎng)絡(luò)生存期。若失效節(jié)點(diǎn)和有效節(jié)點(diǎn)的比率超過給定閾值，則主動發(fā)出鏈路狀態(tài)更新的請求，由觀測節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起梯度更新過程。應(yīng)用層、內(nèi)核、濾器和濾器優(yōu)先級組合的交互過程 ,是擴(kuò)展 DD 的基礎(chǔ)。 QoS 路由維護(hù) 路由更新的頻率和消息的大小應(yīng)在路由開銷和計算準(zhǔn)確性上折衷。 QoS 路由仿真與分析 目前 ,已提出的很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，但是很大一部分都是假定服務(wù)基于單一的盡力而為模型。由圖可以看到，我們在協(xié)議中是以剩余能量為路由選擇參數(shù)的，這可以增加每個節(jié)點(diǎn)的壽命，即剩余能量變化比較平緩 。 總能量支出變化： total_energy_consume+=TX_RF*CONTROL_MESSAGE。具體的設(shè)置如下： define RECV_CONTROL_ENERGY RX_ENERGY*CONTROL_MESSAGE define RECV_DATA_ENERGY RX_ENERGY*DATA_MESSAGE define TRANS_CONTROL_ENERGY TX_RF*CONTROL_MESSAGE define TRANS_DATA_ENERGY TX_RF*DATA_MESSAGE cost 數(shù)組反映了，我們所規(guī)定的節(jié)點(diǎn)在扮演不同類型的角色時，它們的能量消耗情況，這些消耗值是有差別的，個體能量消耗可以根據(jù)要求具體設(shè)置。在進(jìn)程中，我們設(shè)定包間隔是隨機(jī)變量，以模仿在實(shí)際情況中因地形、傳輸方式、地理距離等不可測情況的區(qū)別而造成的時延。 (a) 興趣擴(kuò)散 Sink 節(jié)點(diǎn) 興趣 源節(jié)點(diǎn) 事件 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 19 (b) 路徑選擇 (c) 路徑加強(qiáng)和數(shù)據(jù)傳輸 圖 31 定向擴(kuò)散模式流程 運(yùn)行仿真 在仿真模型中，設(shè)定了一個 sink 節(jié)點(diǎn)和多個感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，這些感應(yīng)節(jié)點(diǎn)有些作為源節(jié)點(diǎn)，有些作為中繼節(jié)點(diǎn)，有些則在某次任務(wù)中暫時不發(fā)揮作用。 通過對定向擴(kuò)散路由的模式分析，了解 DD 路由的運(yùn)做過程，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析； 通過對 QoS 路由策略分析，基于 DD路由（ DirectedDiffusion）對 QoS 路由擴(kuò)展和改進(jìn)，比較傳統(tǒng) DD 與 QoS 路由在不同條件的性能，研究 QoS 路由的優(yōu)勢； 通過對分簇路由協(xié)議中 LEACH 協(xié)議研究和算法的分析，將其與 另一種簡單的直接傳輸（ Direct Trans）協(xié)議進(jìn)行比較，從 OPNET 的分析結(jié)果中研究分簇路由的優(yōu)勢。但是 SPEED協(xié)議在路由過程沒有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命 ,傳輸?shù)膱笪囊矝]有優(yōu)先級機(jī)制 .[2] 比較與分析 表 21 三種協(xié)議性能比較 經(jīng)過上面的簡單介紹，每個協(xié)議在其設(shè)計的時候都有各自的側(cè)重點(diǎn)和最優(yōu)的方面，按照衡量標(biāo)準(zhǔn)可以把以上協(xié)議做簡略的比較并找出相對較好的一類協(xié)議。 GAF 算法即關(guān)掉網(wǎng)絡(luò)中不必要的節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量，同樣可以達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。 具體實(shí)現(xiàn)： LEACH 不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點(diǎn)的選擇、簇首節(jié)點(diǎn)的廣播、簇首節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。 分簇式路由協(xié)議 為了