【正文】 因為節(jié)點的通信能耗比重最大，所以不考慮感知能耗。 與傳統(tǒng) DD 的性能比較 表 31是采用實時業(yè)務(wù)濾器和盡力而為業(yè)務(wù)濾器的改進(jìn)算法，與采用默認(rèn)最小延遲策略的傳統(tǒng) DD 的性能比較，考察其兩類網(wǎng)絡(luò)生存期，其中 A為傳統(tǒng) DD 算法、 B為只采用實時業(yè)務(wù)濾器的改進(jìn)算法、 C 只采用盡力而為業(yè)務(wù)濾器。它與 DD的實施模式無關(guān) ,可在滿足不同業(yè)務(wù)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(luò)生存期被大大提高。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 算法是一種周期性自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴?，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。 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。 單擊創(chuàng)建狀態(tài)按鈕，單擊鼠標(biāo)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)。創(chuàng)建節(jié)點模型需要定義。如下圖 38所示。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(jìn)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。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(jìn)行數(shù)據(jù)融合并且把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點。 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。 算法 性能 A B C 網(wǎng)絡(luò)生存期 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 業(yè)務(wù)類型 不支持 RTamp。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(luò)拓?fù)浞€(wěn)定，而 2Mbs 帶寬足以滿足業(yè)務(wù)帶寬需要。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(fù)載 1024Byte。所以 ,在原有 DD 路徑維護(hù)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(fù)和節(jié)點失效通知： 規(guī)則 1(路徑快速本地修復(fù) )：若當(dāng)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(biāo)為無限大，并重新進(jìn)行下一跳的選擇。如圖 36 所示是基于 DD 的節(jié)點信息處理流程。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。這些都是我們在架設(shè)實際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該特別留意的方面。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=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。 在 sink_gene 進(jìn)程中，我們主要的工作室興趣創(chuàng)建，如圖 33 所示，在進(jìn)程編輯器中見到的 sink_gene 進(jìn)程的各個模塊。在傳感器網(wǎng)絡(luò)之中，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過建立梯度來“引導(dǎo)”事件。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 18 第三章 基于 OPNET 的無線傳感器路由仿真 為了比較無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)劣，探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢，本文選取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個比較有代表性的路由在 OPNET 軟件上進(jìn)行了仿真實驗。與 MANET 的 DSR和 AODV 協(xié)議相比， SPEED 在端到端時延、丟包率及能量消耗上均優(yōu)于二者。其基本思想是網(wǎng)絡(luò)區(qū)被分成固定區(qū)域，形成虛擬網(wǎng)格，每個網(wǎng)格里選出一個簇首節(jié)點在某段時間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇首節(jié)點并不做任何數(shù)據(jù)匯聚或 者融合工作。但利用 LEACH算法選舉出的簇頭分布不均勻，且不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)及能量不均衡的網(wǎng)絡(luò)。三是使用一個信標(biāo)節(jié)點，到信標(biāo)節(jié)點最大的節(jié)點標(biāo)記自己為邊界節(jié)點。 GRWLI（ Geographic Routing Without Location Information） A. Rao 等人提出了建立全局坐標(biāo)系的路由協(xié)議，其前提是需要少數(shù)節(jié)點精確位置信息。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 14 具體實現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，先檢查是否有鄰居比它更接近目標(biāo)區(qū)域。 具體實現(xiàn)：每個傳感器節(jié)點維護(hù)一個鄰居列表和一個事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點監(jiān)測到一個事件發(fā)生時，在事件列表中增加一個表項并根據(jù)概率產(chǎn)生一個代理消息，代理消息是一個包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過的節(jié)點，收到代理消息的節(jié)點檢查表項進(jìn)行更新和增加表項的操作。該協(xié)議通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由達(dá)到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的，因此可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量、 延長系統(tǒng)的生存期。 魯棒性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點的能量耗盡造成傳感器的失效、通信質(zhì)量的降低使網(wǎng)絡(luò)變得不可靠，所以在路由協(xié)議的設(shè)計過程中必須考慮軟硬件的高容錯性，保障網(wǎng)絡(luò)的健壯性 。這使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和MANET 的路由協(xié)議均不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計新的路由協(xié)議，使之有效地保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的正常實施。 系統(tǒng)的完全開放性 Modeler 中源碼全部開放，用戶可以根據(jù)個人的需要添加或 者修改已有的源碼。在過程層次模擬單個對象的行為，在節(jié)點層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 8 成網(wǎng)絡(luò)。通過探頭得到的 仿真 輸出能夠以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察、輸出到第三方的 軟件包 去。傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須考慮有效地使用能量，以數(shù)據(jù)為中心，或者利用地理位置信息進(jìn)行路由。 圖 13 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 各層協(xié)議、管理器的功能如下： 物理層 提供簡單并且健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問、 差錯控制 ； 應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 能 量 管 理 平 臺 移動管理平臺 任務(wù)管理 平臺 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 6 網(wǎng)絡(luò)層 主要負(fù)責(zé)路由生成與 選擇 ； 傳輸層 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要組成部分； 應(yīng)用層 通常包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件； 能量管理器是管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮到節(jié)省能量； 移動管理器檢測并且注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點的路由，使傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理器在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡、調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點除了要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理之外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)點進(jìn)行協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、可靠性、動態(tài)性、以數(shù)據(jù)為中心、集成化、協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)、具有密集的節(jié)點布置、自組織方式等特點。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。我們可以大膽的預(yù)見到，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會無處不在，將會完全融入我們的生活。首先，通過學(xué)習(xí) OPNET 仿真平臺的使用和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由原理，對現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行分類研究。該論文以學(xué)習(xí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 OPNET 為基礎(chǔ)，研究和探索無線傳感器路由及其發(fā) 展趨勢和研究方向。在環(huán)境監(jiān) 測、醫(yī)療、工業(yè)控制、科學(xué)研究、軍事、智能家居、智能辦公環(huán)境等方面都表現(xiàn)出巨大的前景。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為 :軍事、航空、防爆、反恐、醫(yī)療、救災(zāi)、環(huán)境、保健、工業(yè)、家居、商業(yè)等領(lǐng)域。 匯聚節(jié)點 任務(wù)管理節(jié)點 用戶 互聯(lián)網(wǎng) 和衛(wèi)星 E D 監(jiān)測區(qū)域 傳感器節(jié)點 C B A 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 4 傳感器節(jié)點處理能力、存儲能力和通信的能力都相對較弱，通過小容量電池供電。這些管理器使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效方式進(jìn)行協(xié) 同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)去中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且支持多任務(wù)和資源共享，如圖 13所示。而 Ad hoe網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的路由協(xié)議，如基于距離矢量的按需路由 (Ad hoc OnDemand Distance Vector， AODV)協(xié)議等，不完全適用于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)。在 網(wǎng)絡(luò)模型 中的任何地方都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計。 簡單明了的建模方法 Modeler 建模過程分為 3 個層次：過程層次、節(jié)點層次以及網(wǎng)絡(luò)層次。 OPNET 的核心已經(jīng)存儲了眾多協(xié) 議 ，因此對于很多協(xié)議，無需進(jìn)行額外的編程。盡管它和無線自組織網(wǎng)絡(luò)都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò) ，但二者存在著很大的差異。具體表現(xiàn)于傳 感器的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)時間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。 定向路由擴(kuò)散 DD（ Directed Diffusion） 它通過泛洪方式給所有的傳感器節(jié)點廣播興趣消息，伴隨興趣消息在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點到基站或者匯聚節(jié)點的傳輸梯度。當(dāng)查詢消息和代理消息的傳播路徑交叉在一起時就會形成一條基站或匯聚節(jié)點到時間監(jiān)測區(qū)域的完整路徑。把 GEAR 劃分為廣播式路由協(xié)議有點不合適，但是由于它是在利用地理信息的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)發(fā)送到合適的區(qū)域，而且又是基于 DD 提出，這里仍然作為廣播式的一種。另外，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要及時更新，如節(jié)點加入和節(jié)點失效。引入兩個信標(biāo)節(jié)點，并通過邊界節(jié)點交換信息建立全局坐標(biāo)系。與節(jié)點直接與匯聚節(jié)點通信相比，LEACH 協(xié)議降低了 7倍的能耗，與最小傳輸能量路由相比，其降低了 4 到 8 倍的能耗。它最初是為移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計的，也可以適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 SPEED 中的路由模塊 SNGF 和其它四個模塊一起構(gòu)成其協(xié)議的框架，其中信標(biāo)交換模塊主要是搜集節(jié)點的地理位置信息；延遲估計模塊主要計算數(shù)據(jù)包的傳輸延遲并將其發(fā)送給 SNGF模塊；鄰居反饋模 塊 NFL主要提供數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)率并將其返回給 SNGF模塊；反向重路由模塊主要通過向源節(jié)點發(fā)送回送消息來避免路由空洞。所以，以能量高效、可擴(kuò)展性、魯棒性和快速收斂性四個基本標(biāo)準(zhǔn)來衡量路由協(xié)議，分簇式是最佳的選擇。感應(yīng)任務(wù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)里是以對被命名數(shù)據(jù)的興趣的形式建立拓?fù)涞摹９?jié)點的能量也是可以耗盡的，我們設(shè)定了一個標(biāo)識符以及對一些特定時刻的記 錄，這些將會在對節(jié)點進(jìn)行管理的時候發(fā)揮作用。其中，剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲都是局部變量，它們都反映了一個節(jié)點的狀態(tài)變化。 total_energy=RECV_DATA_ENERGY。 下面來分析一下我們得到的仿真波形圖 35。第一，通過建立梯度可是在眾多路徑中建立起唯一的最優(yōu)路徑，而這個最優(yōu)路徑就是最節(jié)能的；第二，通過監(jiān)測 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 25 屬性的變化來對路徑進(jìn)行評估，然后對特定的路徑進(jìn)行加強或者削弱；第三，在 OPNET 平臺上，定向擴(kuò)散路由的一些參數(shù)是隨機設(shè)置的，而在實際的監(jiān)測中，它們都將是特定的一些值，而梯度也會因此被賦予具體。本章對多約束度量采用優(yōu)先級調(diào)度法：將入選 QoS 度量依需求按優(yōu)先級排序，路徑選擇按優(yōu)先級依次進(jìn)行，下一級度量計算基于前一級所得的路徑子集，直到滿足所有 QoS 度量。 DD 默認(rèn)提供基于最小延遲的路由機制，但它定位為一種數(shù)據(jù)分發(fā)模式，適合研究人員以濾器和濾器優(yōu)先級組合的形式設(shè)計新的路由選擇和數(shù)據(jù)聚合處理算法，如 GEAR 和GPSR。 [14] 周期性興趣泛洪和路徑探測是傳統(tǒng) DD 的路徑維護(hù)進(jìn)行路徑增強或者抑制的方式 ,但沒有提供對失效節(jié)點的快速修復(fù)，而且對故障節(jié)點的多次發(fā)送嘗試會消耗當(dāng)前節(jié)點的能量并增加了分組的端到端 時延。設(shè)置節(jié)點能量為 14000 單位，發(fā)送、接收一個分組消耗 5單位。從平均時延來看，實時業(yè)務(wù)濾器能獲得最佳性能。仿真結(jié)果表明，在混合業(yè)務(wù)模式下，它能很好的支持不同業(yè)務(wù)的資源需求分配，可以達(dá)到全網(wǎng)最優(yōu)能耗均衡，而且網(wǎng)絡(luò)生存期大大提高。每個簇都是有一個簇頭和一些簇內(nèi)節(jié)點組成的，低一級網(wǎng)絡(luò)的簇頭就是高一級網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)節(jié)點，由最高的簇頭與基站聯(lián)系。它兼有了路由協(xié)議和拓?fù)淇刂茩C制的功能。 [5] 最后，數(shù)據(jù)傳輸算法：簇形成后，其他節(jié)點根據(jù)自己的地理位置來選擇加入哪個簇就向那個簇發(fā)送加入消息，簇頭收到加入消息就會向其他簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送 TDMA 和 CDMA 編 BS 簇 簇頭節(jié)點 簇成員節(jié)點 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 32 碼的定時消息。 Edit Enter Execs 和 Edit Exit Execs 設(shè)置輸入