【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。具體實(shí)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(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。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。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。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。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)。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴(kuò)散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。 坐標(biāo)式路由協(xié)議GEM（Graph Embedding）J. Newsome 和D. Song提出了建立一個(gè)虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)GEM路由協(xié)議，用來代表實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)以基站或匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹。每個(gè)節(jié)點(diǎn)用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個(gè)參數(shù)表示：具體實(shí)現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個(gè)階段：由跳數(shù)建立路由并擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成生成樹型結(jié)構(gòu)，再?gòu)娜~節(jié)點(diǎn)開始反饋?zhàn)訕涞拇笮?，即樹中包含的?jié)點(diǎn)數(shù)目，最后確定每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的虛擬角度范圍。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)。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。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。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。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。具體實(shí)現(xiàn)：A. Rao等人提出了3中策略確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。一是確定邊界節(jié)點(diǎn)都為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則非邊界節(jié)點(diǎn)通過邊界節(jié)點(diǎn)確定自己的位置信息。在平面情況下，節(jié)點(diǎn)通過鄰居節(jié)點(diǎn)位置的平均值計(jì)算。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。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。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)。 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。通過將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇中選舉一個(gè)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(diǎn)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(shè)計(jì)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(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，平均分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。簇首的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)，簇首的選取一般基于節(jié)點(diǎn)的剩余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、簇首的位置和簇內(nèi)的通信代價(jià)。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(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。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)。具體實(shí)現(xiàn)：LEACH不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，可以分為兩個(gè)階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點(diǎn)的選擇、簇首節(jié)點(diǎn)的廣播、簇首節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選一個(gè)值，小于某閾值的節(jié)點(diǎn)就成為簇首節(jié)點(diǎn)，之后廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)送到簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)將信息融合后送給匯聚點(diǎn)。一段時(shí)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(jìn)行通信的路由算法。它最初是為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，也可以適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。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。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。具體實(shí)現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用GPS接受卡指示的位置信息將節(jié)點(diǎn)本身與虛擬網(wǎng)格中某個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)映射起來。網(wǎng)格上同一個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)對(duì)分組路由的代價(jià)是等價(jià)的，因而可以使某個(gè)特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點(diǎn)睡眠，而且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)的壽命，在可擴(kuò)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(shí)，需要考慮吞吐量、端到端時(shí)延等QoS性能參數(shù)，特別是在采集視頻和音頻數(shù)據(jù)時(shí)。 QoS是一個(gè)提供軟實(shí)時(shí)端到端速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制及負(fù)載均衡的路由協(xié)議。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)。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)送回送消息來避免路由空洞。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。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?bào)文也沒有優(yōu)先級(jí)機(jī)制.[2] 比較與分析表21 三種協(xié)議性能比較能量高效可擴(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是受限好好坐 標(biāo)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(jiǎn)單介紹，每個(gè)協(xié)議在其設(shè)計(jì)的時(shí)候都有各自的側(cè)重點(diǎn)和最優(yōu)的方面，按照衡量標(biāo)準(zhǔn)可以把以上協(xié)議做簡(jiǎn)略的比較并找出相對(duì)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(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。依據(jù)上述四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(dāng)具有好的擴(kuò)展性時(shí)勢(shì)必以差的魯棒性和能量高效為代價(jià)，即以犧牲魯棒性換取擴(kuò)展性和高能量，這同時(shí)也嚴(yán)重影響了節(jié)點(diǎn)的快速收斂性。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)。分簇式相對(duì)于前兩種方式來說，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。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(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(shì)，本文選取無線傳感器網(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)。通過對(duì)定向擴(kuò)散路由的模式分析，了解DD路由的運(yùn)做過程，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析；通過對(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)。 定向擴(kuò)散路由仿真與分析 定向擴(kuò)散（DirectedDiffusion）路由模式分析定向擴(kuò)散包括以下幾個(gè)要素：“興趣”、數(shù)據(jù)消息、“梯度”以及路徑加強(qiáng)。興趣即對(duì)一個(gè)具體要求的描述，為了取得數(shù)據(jù)，每一個(gè)興趣都包含了某個(gè)受傳感器網(wǎng)絡(luò)支持的感應(yīng)任務(wù)的描述?？傮w而言，傳播的傳感器網(wǎng)絡(luò)中是收集一個(gè)物理現(xiàn)象的信息或數(shù)據(jù)處理信息。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成的感應(yīng)現(xiàn)象的簡(jiǎn)要說明為“事件”。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。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?。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。事件源節(jié)點(diǎn)興趣Sink節(jié)點(diǎn) (a) 興趣擴(kuò)散 事件梯度源節(jié)點(diǎn)Sink節(jié)點(diǎn) (b) 路徑選擇事件源節(jié)點(diǎn)Sink節(jié)點(diǎn) (c) 路徑加強(qiáng)和數(shù)據(jù)傳輸 圖31 定向擴(kuò)散模式流程 運(yùn)行仿真在仿真模型中，設(shè)定了一個(gè) sink 節(jié)點(diǎn)和多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，這些感應(yīng)節(jié)點(diǎn)有些作為源節(jié)點(diǎn)，有些作為中繼節(jié)點(diǎn)，有些則在某次任務(wù)中暫時(shí)不發(fā)揮作用。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。 SINK 節(jié)點(diǎn) 如圖32所示，描繪了在節(jié)點(diǎn)編輯器中看到 sink 節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程流圖。rec 和 trans 分別表示收發(fā)機(jī)進(jìn)程，sink_gene 表示了在 sink節(jié)點(diǎn)中興趣產(chǎn)生進(jìn)程，sink 表示對(duì) sink 節(jié)點(diǎn)的控制進(jìn)程。 圖32 sink 節(jié)點(diǎn) 接下來主要介紹 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。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。節(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。 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。 圖33 sink_gene 進(jìn)程 在興趣設(shè)定過程中，我們將包格式設(shè)定包括了發(fā)送者“send_id” 、類型“ type” 、興趣序號(hào)“sequence” 、時(shí)間戳“timestamp”的屬性，這些都是在興趣擴(kuò)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(biāo)記隊(duì)列中的興趣序號(hào)，我們以此表示某個(gè)具體的興趣，在實(shí)際應(yīng)用中，各種具體的興趣也是可以數(shù)字化的，所以，我們認(rèn)為這樣的設(shè)置方式也是具有普遍意義的。 感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 如圖34所示，在感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)定中，process 和 trans 兩個(gè)進(jìn)程是核心進(jìn)程。他們分別的作用是節(jié)點(diǎn)中的包的建立和對(duì)包傳輸進(jìn)行處理從而建立拓?fù)?，并判斷?jié)點(diǎn)在特定情況下的角色等。 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)。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。 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。具體的設(shè)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