【文章內容簡介】 以延長網(wǎng)絡的生存期。具體實現(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，當節(jié)點有數(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)，當節(jié)點希望接收數(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；當一個傳感器節(jié)點在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點廣播式地發(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)點發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點向其鄰居節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。GEAR（Geographical and Energy Aware Routing）Y. Yu等人提出了GEAR路由協(xié)議，即根據(jù)時間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點到時間區(qū)域的優(yōu)化路徑。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。具體實現(xiàn)：首先向目標區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當節(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區(qū)域。如有就選擇離目標區(qū)域最近的節(jié)點作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達目標區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。 坐標式路由協(xié)議GEM（Graph Embedding）J. Newsome 和D. Song提出了建立一個虛擬極坐標系統(tǒng)GEM路由協(xié)議，用來代表實際的網(wǎng)絡拓撲結構。整個網(wǎng)絡節(jié)點形成一個以基站或匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹。每個節(jié)點用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個參數(shù)表示：具體實現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標系統(tǒng)，主要有三個階段：由跳數(shù)建立路由并擴展到整個網(wǎng)絡形成生成樹型結構，再從葉節(jié)點開始反饋子樹的大小，即樹中包含的節(jié)點數(shù)目，最后確定每個子節(jié)點的虛擬角度范圍。建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標算法發(fā)送消息，即節(jié)點收到消息檢查是否在自己的角度范圍之內，不在就向父節(jié)點傳遞消息，直到消息到達包含目的位置角度的節(jié)點。另外，當實際網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化時，需要及時更新，如節(jié)點加入和節(jié)點失效。GRWLI（Geographic Routing Without Location Information）A. Rao等人提出了建立全局坐標系的路由協(xié)議，其前提是需要少數(shù)節(jié)點精確位置信息。首先確定節(jié)點在坐標系中的位置，根據(jù)位置進行數(shù)據(jù)路由。關鍵是利用某些知道自己位置信息的信標節(jié)點確定全局坐標系及其他節(jié)點在坐標系中的位置。具體實現(xiàn)：A. Rao等人提出了3中策略確定信標節(jié)點。一是確定邊界節(jié)點都為信標節(jié)點，則非邊界節(jié)點通過邊界節(jié)點確定自己的位置信息。在平面情況下，節(jié)點通過鄰居節(jié)點位置的平均值計算。二是使用兩個信標節(jié)點，則邊界節(jié)點只知道自己處于網(wǎng)絡邊界不知道自己的精確位置消息。引入兩個信標節(jié)點，并通過邊界節(jié)點交換信息建立全局坐標系。三是使用一個信標節(jié)點，到信標節(jié)點最大的節(jié)點標記自己為邊界節(jié)點。 分簇式路由協(xié)議為了保證網(wǎng)絡的可擴展性而且不降低服務質量，很多路由協(xié)議的設計中使用了分簇的思想。通過將整個無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)域分為若干個簇，每個簇中選舉一個簇頭，通過多跳通信及數(shù)據(jù)融合來減少傳送到匯聚節(jié)點的信息量，從而節(jié)約能量消耗。LEACH協(xié)議是最早的分簇協(xié)議，許多其他層次路由協(xié)議都是基于LEACH的。LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器設計的一種分簇路由算法，它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點，平均分配整個網(wǎng)絡的能量到每個傳感器節(jié)點，從而可以降低網(wǎng)絡能源消耗，延長網(wǎng)絡的生存時間。簇首的產(chǎn)生是簇形成的基礎，簇首的選取一般基于節(jié)點的剩余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點的距離、簇首的位置和簇內的通信代價。簇首的產(chǎn)生算法可以被分為分布式和集中式兩種。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。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)絡及能量不均衡的網(wǎng)絡。具體實現(xiàn)：LEACH不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點的選擇、簇首節(jié)點的廣播、簇首節(jié)點的建立和調度機制的生成。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。每個節(jié)點隨機選一個值，小于某閾值的節(jié)點就成為簇首節(jié)點，之后廣播告知整個網(wǎng)絡，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點將信息融合后送給匯聚點。一段時間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。GAF（Geographic Adaptive Fidelity）Y. Xu等人提出的一種利用分簇進行通信的路由算法。它最初是為移動Ad Hoc網(wǎng)絡應用設計的，也可以適用于無線傳感器網(wǎng)絡。其基本思想是網(wǎng)絡區(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)點在某段時間內保持清醒，其他節(jié)點都進入睡眠狀態(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。GAF算法即關掉網(wǎng)絡中不必要的節(jié)點節(jié)省能量，同樣可以達到延長網(wǎng)絡生存期的目的。具體實現(xiàn)：當劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡中每個節(jié)點利用GPS接受卡指示的位置信息將節(jié)點本身與虛擬網(wǎng)格中某個點關聯(lián)映射起來。網(wǎng)格上同一個點關聯(lián)的節(jié)點對分組路由的代價是等價的，因而可以使某個特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點睡眠，而且隨著網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目的增加可以極大地提高網(wǎng)絡的壽命，在可擴展性上有很好的表現(xiàn)。 QoS路由協(xié)議 除了上述三種路由協(xié)議分類之外，還有一些路由協(xié)議在路由建立時，需要考慮吞吐量、端到端時延等QoS性能參數(shù)，特別是在采集視頻和音頻數(shù)據(jù)時。 QoS是一個提供軟實時端到端速率保證、網(wǎng)絡擁塞控制及負載均衡的路由協(xié)議。該協(xié)議要求每個節(jié)點維護其鄰居信息，使用SNGF（stateless geographic nondeterministic forwarding）算法尋找路徑，并確保每個報文分組能以指定速度轉發(fā)給匯聚節(jié)點。SPEED中的路由模塊SNGF和其它四個模塊一起構成其協(xié)議的框架，其中信標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。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。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)先級機制.[2] 比較與分析表21 三種協(xié)議性能比較能量高效可擴展性魯棒性快速收斂性廣 播擴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是受限好好坐 標GEM是好好好GRWLI是好好很好分 簇LEACH是不好好很好GAF是不好好很好 經(jīng)過上面的簡單介紹，每個協(xié)議在其設計的時候都有各自的側重點和最優(yōu)的方面，按照衡量標準可以把以上協(xié)議做簡略的比較并找出相對較好的一類協(xié)議。其中，如何提供有效的節(jié)能，即能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議最首要注重的方面，可擴展性和魯棒性是路由協(xié)議應該滿足的基本要求，而快速收斂性和網(wǎng)絡存在的時間有緊密的聯(lián)系。依據(jù)上述四個標準，對本文所列舉的路由協(xié)議的比較見表21。由上表可見，廣播式總是存在一種矛盾，當具有好的擴展性時勢必以差的魯棒性和能量高效為代價，即以犧牲魯棒性換取擴展性和高能量，這同時也嚴重影響了節(jié)點的快速收斂性。而坐標式彌補了廣播式的不足，可以同時達到四個衡量標準。分簇式相對于前兩種方式來說，具備了較好的性能，可以滿足人們對傳感器網(wǎng)絡的一般要求。所以，以能量高效、可擴展性、魯棒性和快速收斂性四個基本標準來衡量路由協(xié)議，分簇式是最佳的選擇。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)絡路由的優(yōu)劣，探索無線傳感器網(wǎng)絡路由的發(fā)展趨勢，本文選取無線傳感器網(wǎng)絡中兩個比較有代表性的路由在OPNET軟件上進行了仿真實驗。通過對定向擴散路由的模式分析，了解DD路由的運做過程，從而進行仿真實驗和分析；通過對QoS路由策略分析，基于DD路由（DirectedDiffusion）對QoS路由擴展和改進，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)議進行比較，從OPNET的分析結果中研究分簇路由的優(yōu)勢。 定向擴散路由仿真與分析 定向擴散（DirectedDiffusion）路由模式分析定向擴散包括以下幾個要素：“興趣”、數(shù)據(jù)消息、“梯度”以及路徑加強。興趣即對一個具體要求的描述，為了取得數(shù)據(jù)，每一個興趣都包含了某個受傳感器網(wǎng)絡支持的感應任務的描述?？傮w而言，傳播的傳感器網(wǎng)絡中是收集一個物理現(xiàn)象的信息或數(shù)據(jù)處理信息。這些數(shù)據(jù)構成的感應現(xiàn)象的簡要說明為“事件”。在DD路由中，數(shù)據(jù)以“屬性對”的形式被命名的，如：“區(qū)域—湖南文理學院” 、“編號——0010” 等。感應任務在傳感器網(wǎng)絡里是以對被命名數(shù)據(jù)的興趣的形式建立拓撲的。在傳感器網(wǎng)絡之中，這種拓撲結構通過建立梯度來“引導”事件。事件源節(jié)點興趣Sink節(jié)點 (a) 興趣擴散 事件梯度源節(jié)點Sink節(jié)點 (b) 路徑選擇事件源節(jié)點Sink節(jié)點 (c) 路徑加強和數(shù)據(jù)傳輸 圖31 定向擴散模式流程 運行仿真在仿真模型中，設定了一個 sink 節(jié)點和多個感應節(jié)點，這些感應節(jié)點有些作為源節(jié)點，有些作為中繼節(jié)點，有些則在某次任務中暫時不發(fā)揮作用。節(jié)點的角色是隨著任務的不同，以及目標狀況不斷變換的。 SINK 節(jié)點 如圖32所示，描繪了在節(jié)點編輯器中看到 sink 節(jié)點的進程流圖。rec 和 trans 分別表示收發(fā)機進程，sink_gene 表示了在 sink節(jié)點中興趣產(chǎn)生進程，sink 表示對 sink 節(jié)點的控制進程。 圖32 sink 節(jié)點 接下來主要介紹 sink 和 sink_gene 進程:在 sink 進程中，我進行了一些對 sink 節(jié)點的設定。其中主要實現(xiàn)的是能量監(jiān)視功能，首先設置特定的能量消耗和能量儲備，我們能夠動態(tài)模擬系統(tǒng)的能量變化情況。節(jié)點的能量也是可以耗盡的，我們設定了一個標識符以及對一些特定時刻的記錄，這些將會在對節(jié)點進行管理的時候發(fā)揮作用。 在 sink_gene 進程中，我們主要的工作室興趣創(chuàng)建，如圖33所示，在進程編輯器中見到的 sink_gene 進程的各個模塊。在進程中，我們設定包間隔是隨機變量，以模仿在實際情況中因地形、傳輸方式、地理距離等不可測情況的區(qū)別而造成的時延。 圖33 sink_gene 進程 在興趣設定過程中，我們將包格式設定包括了發(fā)送者“send_id” 、類型“ type” 、興趣序號“sequence” 、時間戳“timestamp”的屬性，這些都是在興趣擴散后反過來建立梯度網(wǎng)的必要屬性。值得一提的是“sequence”，它標記隊列中的興趣序號，我們以此表示某個具體的興趣，在實際應用中，各種具體的興趣也是可以數(shù)字化的，所以，我們認為這樣的設置方式也是具有普遍意義的。 感應節(jié)點 如圖34所示，在感應節(jié)點的設定中，process 和 trans 兩個進程是核心進程。他們分別的作用是節(jié)點中的包的建立和對包傳輸進行處理從而建立拓撲，并判斷節(jié)點在特定情況下的角色等。 圖34 感應節(jié)點仿真波形 針對節(jié)點的剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進行了仿真觀測。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。 在我們的仿真中，我們設定了每個節(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。具體的設置如下： define RECV_CONTROL_ENERGY RX_ENERGY*CONTROL_MESSAGE define RECV_DATA_ENERGY RX_ENERGY*DATA_MESSAGE define TRANS_CONTROL_ENERGY TX_RF*CONTROL_MESSAGE