【正文】 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)施模式無(wú)關(guān) ,可在滿足不同業(yè)務(wù)資源需求的同時(shí)，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(diǎn)組合而成節(jié)點(diǎn)的集合。 LEACH 算法是一種周期性自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴ǎ恳粋€(gè)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(cè)區(qū)域廣播成簇頭的消息，然后節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的位置和簇頭的強(qiáng)弱決定加入哪個(gè)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(qiáng)制狀態(tài)，綠色為強(qiáng)制狀態(tài)。創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)模型需要定義。如下圖 38所示。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到消息后就會(huì)在自己的時(shí)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(diǎn)發(fā)送的消息后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)融 合算法來(lái)處理數(shù)據(jù)，最后直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。在簇的建立階段相鄰節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)的形成簇，隨機(jī)地生成簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。 分簇路由機(jī)制有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 成員節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間是關(guān)閉通行模塊的，只有簇頭節(jié)點(diǎn)在融合了所有成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后與基站長(zhǎng)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(diǎn)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(cè)節(jié)點(diǎn)興趣泛洪周期 300s；傳感節(jié)點(diǎn)興趣匹配后產(chǎn)生 280個(gè)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(jī)制基礎(chǔ)上定義如下規(guī)則來(lái)提供對(duì)失效鏈路的快速本地修復(fù)和節(jié)點(diǎn)失效通知： 規(guī)則 1(路徑快速本地修復(fù) )：若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間的鏈路代價(jià)標(biāo)為無(wú)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(diǎn)信息處理流程。另外，能力有限的傳感節(jié)點(diǎn)采用依靠鄰居節(jié)點(diǎn)信息的分布式計(jì)算。這些都是我們?cè)诩茉O(shè)實(shí)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(chǎng)景中我們?cè)O(shè)置了，在一個(gè)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)符合 sink 發(fā)送的興趣，分析數(shù)據(jù)傳輸過程中時(shí)延和能量的變化。 total_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 在我們的仿真中，我們?cè)O(shè)定了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總能量值以及在某些特殊情況下的節(jié)點(diǎn)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(gè)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(lái)“引導(dǎo)”事件。 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 18 第三章 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器路由仿真 為了比較無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)劣，探索無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢(shì)，本文選取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)比較有代表性的路由在 OPNET 軟件上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。與 MANET 的 DSR和 AODV 協(xié)議相比， SPEED 在端到端時(shí)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(gè)網(wǎng)格里選出一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇首節(jié)點(diǎn)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(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最大的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記自己為邊界節(jié)點(diǎn)。 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(diǎn)精確位置信息。 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 14 具體實(shí)現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，先檢查是否有鄰居比它更接近目標(biāo)區(qū)域。 具體實(shí)現(xiàn)：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表和一個(gè)事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，在事件列表中增加一個(gè)表項(xiàng)并根據(jù)概率產(chǎn)生一個(gè)代理消息，代理消息是一個(gè)包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)，收到代理消息的節(jié)點(diǎn)檢查表項(xiàng)進(jìn)行更新和增加表項(xiàng)的操作。該協(xié)議通過將來(lái)自不同源節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)系統(tǒng)的生存期。 魯棒性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點(diǎn)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(jì)過程中必須考慮軟硬件的高容錯(cuò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須依據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的路由協(xié)議，使之有效地保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的正常實(shí)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(gè)人的需要添加或 者修改已有的源碼。在過程層次模擬單個(gè)對(duì)象的行為，在節(jié)點(diǎn)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(wú)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(wú)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(jiǎn)單并且健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)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(cè)、媒體訪問、 差錯(cuò)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(tái) 移動(dòng)管理平臺(tái) 任務(wù)管理 平臺(tái) 基于 OPNET 的無(wú)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(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件； 能量管理器是管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮到節(jié)省能量； 移動(dòng)管理器檢測(cè)并且注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理器在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡、調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理之外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，并與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、可靠性、動(dòng)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(diǎn)布置、自組織方式等特點(diǎn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。我們可以大膽的預(yù)見到，將來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)無(wú)處不在，將會(huì)完全融入我們的生活。首先，通過學(xué)習(xí) OPNET 仿真平臺(tái)的使用和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由原理，對(duì)現(xiàn)有的無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 OPNET 為基礎(chǔ)，研究和探索無(wú)線傳感器路由及其發(fā) 展趨勢(shì)和研究方向。在環(huán)境監(jiān) 測(cè)、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(duì)象和觀察者構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)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(diǎn) 任務(wù)管理節(jié)點(diǎn) 用戶 互聯(lián)網(wǎng) 和衛(wèi)星 E D 監(jiān)測(cè)區(qū)域 傳感器節(jié)點(diǎn) C B A 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 4 傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力、存儲(chǔ)能力和通信的能力都相對(duì)較弱，通過小容量電池供電。這些管理器使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效方式進(jìn)行協(xié) 同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)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(wú)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(jì)。 簡(jiǎn)單明了的建模方法 Modeler 建模過程分為 3 個(gè)層次：過程層次、節(jié)點(diǎn)層次以及網(wǎng)絡(luò)層次。 OPNET 的核心已經(jīng)存儲(chǔ)了眾多協(xié) 議 ，因此對(duì)于很多協(xié)議，無(wú)需進(jìn)行額外的編程。盡管它和無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)都是無(wú)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(shí)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(diǎn)廣播興趣消息，伴隨興趣消息在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)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(shí)就會(huì)形成一條基站或匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間監(jiān)測(cè)區(qū)域的完整路徑。把 GEAR 劃分為廣播式路由協(xié)議有點(diǎn)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)更新，如節(jié)點(diǎn)加入和節(jié)點(diǎn)失效。引入兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并通過邊界節(jié)點(diǎn)交換信息建立全局坐標(biāo)系。與節(jié)點(diǎn)直接與匯聚節(jié)點(diǎn)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(dòng) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，也可以適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 SPEED 中的路由模塊 SNGF 和其它四個(gè)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(diǎn)的地理位置信息；延遲估計(jì)模塊主要計(jì)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(diǎn)發(fā)送回送消息來(lái)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(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(duì)被命名數(shù)據(jù)的興趣的形式建立拓?fù)涞?。?jié)點(diǎn)的能量也是可以耗盡的，我們?cè)O(shè)定了一個(gè)標(biāo)識(shí)符以及對(duì)一些特定時(shí)刻的記 錄，這些將會(huì)在對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理的時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化。 total_energy=RECV_DATA_ENERGY。 下面來(lái)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(gè)最優(yōu)路徑就是最節(jié)能的；第二，通過監(jiān)測(cè) 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 25 屬性的變化來(lái)對(duì)路徑進(jìn)行評(píng)估，然后對(duì)特定的路徑進(jìn)行加強(qiáng)或者削弱；第三，在 OPNET 平臺(tái)上，定向擴(kuò)散路由的一些參數(shù)是隨機(jī)設(shè)置的，而在實(shí)際的監(jiān)測(cè)中，它們都將是特定的一些值，而梯度也會(huì)因此被賦予具體。本章對(duì)多約束度量采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度法：將入選 QoS 度量依需求按優(yōu)先級(jí)排序，路徑選擇按優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行，下一級(jí)度量計(jì)算基于前一級(jí)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(jī)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(jí)組合的形式設(shè)計(jì)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(cè)是傳統(tǒng) DD 的路徑維護(hù)進(jìn)行路徑增強(qiáng)或者抑制的方式 ,但沒有提供對(duì)失效節(jié)點(diǎn)的快速修復(fù)，而且對(duì)故障節(jié)點(diǎn)的多次發(fā)送嘗試會(huì)消耗當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量并增加了分組的端到端 時(shí)延。設(shè)置節(jié)點(diǎn)能量為 14000 單位，發(fā)送、接收一個(gè)分組消耗 5單位。從平均時(shí)延來(lái)看，實(shí)時(shí)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(gè)簇都是有一個(gè)簇頭和一些簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)組成的，低一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的簇頭就是高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，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(jī)制的功能。 [5] 最后，數(shù)據(jù)傳輸算法：簇形成后，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的地理位置來(lái)選擇加入哪個(gè)簇就向那個(gè)簇發(fā)送加入消息，簇頭收到加入消息就會(huì)向其他簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 TDMA 和 CDMA 編 BS 簇 簇頭節(jié)點(diǎn) 簇成員節(jié)點(diǎn) 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 32 碼的定時(shí)消息。 Edit Enter Execs 和 Edit Exit Execs 設(shè)置輸入