【正文】 保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性而且不降低服務(wù)質(zhì)量，很多路由協(xié)議的設(shè)計(jì)中使用了分簇的思想。首先確定節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)路由。如有就選擇離目標(biāo)區(qū)域最近的節(jié)點(diǎn)作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)事件列表到達(dá)事件區(qū)域的路徑，或者節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇鄰居轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。然而，路徑建立時(shí)的興趣消息擴(kuò)散要執(zhí)行一個(gè)泛洪廣播操作，時(shí)間和能量消耗非常大。 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 12 快速收斂性 由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，要求路由協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，提高帶寬和節(jié)點(diǎn)能量等有限資源的利用率和消息傳輸效率。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議負(fù)責(zé)在匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。 集成調(diào)試器 快速地驗(yàn)證仿真或者發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問(wèn)題， OPNET 本身有自己的調(diào)試工具 ——OPNET Debugger。幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景組成項(xiàng)目，用來(lái)比較不同的設(shè)計(jì)方案。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通常有三個(gè) 模塊 組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫(kù)，在電信、航天航空、軍事、 系統(tǒng)集成 、大學(xué)、咨詢服務(wù)、行政機(jī)關(guān)等方面被廣泛應(yīng)用。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一套新型的適合自身的路由協(xié)議，對(duì)我們提出了設(shè)計(jì)可靠、講究能量效率， 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 7 且能保證網(wǎng)絡(luò)能量消耗平衡的路由協(xié)議要求。 無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為，目前新領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，是涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，還有很多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和探索，下面就列舉部分關(guān)鍵技術(shù)： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù) 對(duì)于無(wú)線自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)具有極其重要的意義。 匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力就相對(duì)較強(qiáng)，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來(lái)自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 WSN 并不界定網(wǎng)路型態(tài)，就是可以是 star、 mesh、 P2P 或者綜合以上型態(tài)的網(wǎng)路 ， 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 3 但都一定具備下列的功能： Sensors/microcontroller：偵測(cè)、搜集以及處理環(huán)境中包含的資料，例如偵測(cè)濕度、溫度等。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都由數(shù)據(jù)采集模塊 (傳感器、 AID 轉(zhuǎn)換器 )、數(shù)據(jù)處理、控制模塊 (微處理器、存儲(chǔ)器 )、通信模塊 (無(wú)線收發(fā)器 )和供電模塊 (電池、 AC/DC 能量轉(zhuǎn) 換器 )組成?？梢哉f(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，是 21 世紀(jì)最重要技術(shù)之一。其次，在 OPNET 上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 DD 協(xié)議仿真為基礎(chǔ)，在 DD 協(xié)議的模式上，分別進(jìn)行 LEACH 協(xié)議的仿真和 QoS 路由改進(jìn)。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由值得我們?nèi)ヌ剿骱退伎肌? 關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由， OPNET， DD 協(xié)議， LEACH 協(xié)議， QoS 路由， II Abstract Wireless sensor work is a new information acquisition and processingtechnology, its application prospects increasingly attracted widespread attention inacademia and industry. As the research in this field is still in its infancy, there are many sensor work routing technology deficiencies. Therefore, the routing of wireless sensor works is worth exploring and thesis study of wireless sensor works and OPNETbased study of wireless sensor work routing, exploring trends and research directions of wireless sensor routing. First, by using wireless sensor works and its routing principles of learning OPNET simulation platform for wireless sensor work routing existing classification research. Secondly, in the OPNET simulation experiments to DD wireless sensor work protocol simulation, based on a model agreement DD, respectively LEACH routing protocol emulation and QoS continuous research and pare various types of routing mechanism, summarize some of the advantages and disadvantages of LEACH simulation and QoS. Compared to the DD protocol, LEACH protocol can effectively reduce energy consumption, and its life expectancy is about twice the DD agreement. QoS is performed on the DD model improvements, it is a good allocation of resources to support different business needs, the whole work can achieve optimal energy balance, work lifetime is greatly can envision a good wireless sensor work routing should be based on reducing traffic, load balancing, support mobility, fault tolerance, multicast routing, routing security, scalability, QoS routing, crosslayer protocol optimization, bined with IPv6 as trends and research directions. Keywords: wireless sensor work routing, OPNET, LEACH ， DD protocol, QoS routing, 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 1 引 言 近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用變得范圍越來(lái)越廣。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信的方式形成的一個(gè)多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者?；跓o(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 MEMS 的微傳感技術(shù)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置 和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓?fù)涔芾砥?、任?wù)管理器。首先，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，沒(méi)有采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址；此外，節(jié)點(diǎn)能量有限并且大都處于靜止?fàn)顟B(tài)等特點(diǎn)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)不能采用傳統(tǒng)的基于 IP 的路由協(xié)議。 OPNET 簡(jiǎn)介 OPNET 是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。各模塊間通過(guò)數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來(lái)進(jìn)行各種操作，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能。 對(duì)協(xié)議編程的全面支持 支持 400 多個(gè)庫(kù)函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡(jiǎn)潔的協(xié)議模型。 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 10 開(kāi)始 定義輸入和輸出 確定系統(tǒng)模型 確定運(yùn)行仿真 選擇需要建模的方面 理解仿真目的 理解系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)果精確？ 是 結(jié)果足夠詳細(xì)？ 結(jié)果統(tǒng)計(jì)可用？ 否 否 否 結(jié)束 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 11 圖 16 OPNET 仿真流程圖 第二章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由概述 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的路由具有很大的差別。 可擴(kuò)展性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是永遠(yuǎn)不變的，而且很容易造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議有可擴(kuò)展性，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。 具體實(shí)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn) A 希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn) A 首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳給除 A 外的其他的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到將數(shù)據(jù)傳到 B為止或者為該數(shù)據(jù)設(shè)定的生命期限變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點(diǎn)擁有此副本為止。同 時(shí)，基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也會(huì)沿著隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。 GEAR（ Geographical and Energy Aware Routing） Y. Yu 等人提出了 GEAR 路由協(xié)議，即根據(jù)時(shí)間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間區(qū)域的優(yōu)化路徑。建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標(biāo)算法發(fā)送消息，即節(jié)點(diǎn)收到消息檢查是否在 自己的角度范圍之內(nèi)，不在就向父節(jié)點(diǎn)傳遞消息，直到消息到達(dá)包含目的位置角度的節(jié)點(diǎn)。二是使用兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則邊界節(jié)點(diǎn)只知道自己處于網(wǎng)絡(luò)邊界不知道自己的精確位置消息。簇首的產(chǎn)生算法可以被分為分布式和集中式兩種。 GAF（ Geographic Adaptive Fidelity） Y. Xu 等人提出的一種利用分簇進(jìn)行通信的路由算法。該協(xié) 議 要 求 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 維 護(hù) 其 鄰 居 信 息 ， 使 用 SNGF （ stateless geographic nondeterministic forwarding）算法尋找路徑，并確保每個(gè)報(bào)文分組能以指定速度轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。分簇式相對(duì)于前兩種方式來(lái)說(shuō)，具備了較好的性能，可以滿足人們對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般要求。在 DD 路由中，數(shù)據(jù) 以“屬性對(duì)”的形式被命名的，如：“區(qū)域 — 湖南文理學(xué)院” 、“編號(hào) —— 0010” 等。其中主要實(shí)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?jī)?chǔ)備，我們能夠動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的能量變化情況。 圖 34 感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 仿真波形 針對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行了仿真觀測(cè)。 total_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。 （ a)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)延遲變化 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 23 （ b）節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化圖 （ c） 各類 mode 剩余能量變化情況 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 24 （ d）節(jié)點(diǎn)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(jìn)行路徑選擇的規(guī)則是，向剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)建立最大梯度，因此，我們選擇對(duì)剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行觀察。 結(jié)果分析 在模型中，我們可以看出定向擴(kuò)散路由協(xié)議的若干特性。 [4] QoS 路由計(jì)算 多約束 QoS 路由選擇通常是 NP完全 問(wèn)題 ,可用去度量相關(guān)性或轉(zhuǎn)化為單一度量來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜度。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(hù)、數(shù)據(jù)聚合和下一跳選擇。梯度建立過(guò)程的含義是在興趣分組的泛洪過(guò)程中，組合利用 MaxMPE 和 MHC 建立兩類梯度，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，最小延遲被優(yōu)先考慮并兼顧能耗均衡，對(duì)于盡力而為業(yè)務(wù)，能耗均衡則被優(yōu)先考慮而兼顧較小的延遲。