【正文】 ork 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。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)。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。 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。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。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。 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)。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。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)。 分簇式路由協(xié)議 為了保證網(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。 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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。 通過(guò)對(duì)定向擴(kuò)散路由的模式分析，了解 DD 路由的運(yùn)做過(guò)程，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析； 通過(guò)對(duì) QoS 路由策略分析，基于 DD路由（ DirectedDiffusion）對(duì) 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(shì)； 通過(guò)對(duì)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(jiǎn)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(shì)。在進(jìn)程中，我們?cè)O(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(cè)情況的區(qū)別而造成的時(shí)延。 總能量支出變化： total_energy_consume+=TX_RF*CONTROL_MESSAGE。 QoS 路由仿真與分析 目前 ,已提出的很多無(wú)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。應(yīng)用層、內(nèi)核、濾器和濾器優(yōu)先級(jí)組合的交互過(guò)程 ,是擴(kuò)展 DD 的基礎(chǔ)。 評(píng)價(jià)方法 網(wǎng)絡(luò)仿真性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包含端到端延遲、網(wǎng)絡(luò)生存期和延遲抖動(dòng)、分組傳輸率和分組傳送代價(jià)： 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。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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的就是他的可擴(kuò)展性。 [5] 基于 OPNET 的無(wú)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。 點(diǎn)擊確定開(kāi)始狀態(tài)，點(diǎn)擊連接狀態(tài)。 圖 38 進(jìn)程模型圖 基于 OPNET 的無(wú)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。 LEACH 協(xié)議簡(jiǎn)介 LEACH（ low energy adaptive clustering hierarchy）按簇將網(wǎng)絡(luò)分為若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)由一個(gè)簇頭和多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的，它的網(wǎng)絡(luò)模型如下圖所示。 表 31 性能比較 結(jié)果分析 DD 提供了可擴(kuò)展的無(wú)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(cè)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)建立兩類梯度，采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度法來(lái)作為多約束的路由策略，通過(guò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由算法。 仿真環(huán)境 在 OPNET 仿真環(huán)境下，我們通過(guò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)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(wú)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(cè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)，位于網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景右上角，目標(biāo)區(qū)域在左下角；仿真過(guò)程中假定目標(biāo)區(qū)域節(jié)點(diǎn)通過(guò)聚合處理，只有一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)返回匹配數(shù)據(jù)；仿 真時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)生存期結(jié)束。它提供對(duì)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(lái)建立傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效節(jié)點(diǎn)、觀測(cè)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。因此定向擴(kuò)散協(xié)議比較適合對(duì)節(jié)點(diǎn)壽命要求比較高、對(duì)時(shí)延要求比較低的場(chǎng)合。 總能量變化： total_energy=TX_RF*CONTROL_MESSAGE。 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(wú)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(lái)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(duì) sink 節(jié)點(diǎn)的設(shè)定。而坐標(biāo)式彌補(bǔ)了廣播式的不足，可以同時(shí)達(dá)到四個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。一段時(shí)間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。在平面情況下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)位置的平均值計(jì)算。 具體實(shí) 現(xiàn)： SPIN 采用了 3種數(shù)據(jù)包來(lái)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(shí)，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播； REQ 用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)希望接收數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送該報(bào)文； DATA 包含帶有 Metadata 頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)文；當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個(gè) 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(gè)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。但是，擴(kuò)散法存在信息爆炸問(wèn)題，即能出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能得到數(shù)據(jù)多個(gè)副本的情況，并且也會(huì)出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，另外，擴(kuò)散法沒(méi)有計(jì)算各個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)消滅。其中，在進(jìn)程層對(duì)每個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理仿真；在節(jié)點(diǎn)層，對(duì)進(jìn)程層的對(duì)象進(jìn)行互連形成設(shè)備；在網(wǎng)絡(luò)層，將設(shè)備通過(guò)鏈路連接成網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景交織在一起，形成工程，就是我們所說(shuō)的仿真平臺(tái)，具體流程如圖 16所示。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。 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。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(guò)程中監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 2 第一章 緒 論 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即 wireless sensor work，簡(jiǎn)稱 WSN。由于該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)還有諸多的不足。 總體而言，該領(lǐng)域的研究目前還處于起步階段，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)還存在很多的不足，在很多領(lǐng)域還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 Radio frequency： gateway 或節(jié)點(diǎn)用以收發(fā)資料。與此同時(shí)，拓?fù)浼夹g(shù)對(duì)路由協(xié)議性能的影響也非常大。 OPNET Modeler 的主要特性 OPNET Modeler 的主要特性包含以下幾點(diǎn)： 層次化的網(wǎng)絡(luò)模型 OPNET Modeler 提供了三層建模機(jī)制，分別在進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行由下到上的建模機(jī)制。另外， OPNET 在 Windows 平臺(tái)下還支持和編程語(yǔ)言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 本文根據(jù)不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模型 ,對(duì)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(biāo)式 路由協(xié)議 、分簇式路由路由和 QoS 的路由協(xié)議，并對(duì)各類路由協(xié)議進(jìn)行了分析。 SPIN（ Sensor Protocols for Information via Negotiation） W. Heinzelman 等人提出的一種自適應(yīng)的 SPIN 路由協(xié)議。關(guān)鍵是利用某些知道自己位置信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。其中，如何提 能量高效 可擴(kuò)展性 魯棒性 快速收斂性 廣 播 擴(kuò)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(biāo) 分 簇 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 17 供有效的節(jié)能，即能量有效性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議最首要注重的方面，可擴(kuò)展性和魯棒性是路由協(xié)議應(yīng)該滿足的基本要求，而快速收斂性和網(wǎng) 絡(luò)存在的時(shí)間有緊密的聯(lián)系。節(jié)點(diǎn)的角色是隨著任務(wù)的不同，以及目標(biāo)狀況不斷變換的。關(guān)于能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題， 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 22 參考如下語(yǔ)句 [3] 剩余能量變化： Energy_stathandle_ptrremain_energy=TX_RF*CONTROL_MESSAGE Energy_stathandle_ptrremain_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。但是選擇的路徑不一定就是最佳路徑，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)可能會(huì)比較長(zhǎng)。通過(guò)其他輔助信息 (如地理信息等 )或設(shè)定更新閾值可限制泛洪范圍和降低泛洪頻率。 規(guī)則 2(節(jié)點(diǎn)失效通知 )：在節(jié)點(diǎn)能量低于設(shè)定閾值后，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)主動(dòng)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出失效通知。試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后算法可對(duì)兩類業(yè)務(wù)提供有保證的差別服務(wù)，同時(shí)可在全網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量資源的充分有效利用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。 LEACH 協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議。 下面我們?cè)僭敿?xì)的介紹建立網(wǎng)絡(luò)模型、進(jìn)程模型和節(jié)點(diǎn)模型的具體方法。 節(jié)點(diǎn)模型 OPNET 中節(jié)點(diǎn)模型用于定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作。當(dāng)只剩下一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有當(dāng)選簇頭時(shí)候，這個(gè)節(jié)點(diǎn)必然就會(huì)當(dāng)選，設(shè) T(n)=0。 分簇路由協(xié)議因具有管理拓?fù)浞奖?，能量利用高效和?shù)據(jù)融合簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究最熱門的技術(shù)之一。 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(zhì)量。路徑最小能量 MPE 是從觀測(cè)節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)某路徑上節(jié)點(diǎn)能量的最小值，它體現(xiàn)