【正文】 等字段；當(dāng)同序號(hào)興趣分組通過(guò)多徑到達(dá)某節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)比較自身能量和上一跳節(jié)點(diǎn)的 MaxMPE，取小的為該路徑的 MPE，若此 MPE 比節(jié)點(diǎn)保存的 MaxMPE 大，或雖相等但跳數(shù)少，則更新節(jié)點(diǎn)的 MaxMPE 并保留對(duì)應(yīng)的跳數(shù)，置“是否更新 MaxMPE0”標(biāo)志為真；若該路徑跳數(shù)比當(dāng)前 MHC 小，或雖相等但對(duì)應(yīng)的 MPE 大，則更新節(jié)點(diǎn)的 MHC 并保留對(duì)應(yīng)的 MPE，置“是否更新 MHC0”標(biāo)志為真；兩標(biāo)志都為假則丟棄該興趣分組，否則向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播該分組。梯度建立 過(guò)程的含義是在興趣分組的泛洪過(guò)程中，組合利用 MaxMPE 和 MHC 建立兩類梯度，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，最小延遲被優(yōu)先考慮并兼顧能耗均衡，對(duì)于盡力而為業(yè)務(wù)，能耗均衡則被優(yōu)先考慮而兼顧較小的延遲。 [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(méi)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。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。若失效節(jié)點(diǎn)和有效節(jié)點(diǎn)的比率超過(guò)給定閾值，則主動(dòng)發(fā)出鏈路狀態(tài)更新的請(qǐng)求，由觀測(cè)節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起梯度更新過(guò)程。 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。規(guī)則 2 反向調(diào)動(dòng)規(guī)則 1，可以大大減少由于對(duì)失效鏈路嘗試所帶來(lái)的時(shí)延開銷和能量消耗。 失效節(jié)點(diǎn)和有效節(jié)點(diǎn)的比率閾值設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用相關(guān)，若取值太大，下一跳數(shù)據(jù)傳遞失敗的概率越大，可能帶來(lái)性能的較大抖動(dòng)；如果太小，就帶來(lái)過(guò)大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和不 必要的能耗。 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 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。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的通信能耗比重最大，所以不考慮感知能耗。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。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。 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。 端到端延遲和延遲抖動(dòng)，延遲是分組從源節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的平均經(jīng)過(guò)時(shí)間，延遲抖動(dòng)是同一業(yè)務(wù)流之間不同分組的延遲變化量。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的 QoS 需求對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)非常敏感。 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。 分組傳輸代價(jià)，控制分組與數(shù)據(jù)分組的比率。 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。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。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。從 I 類網(wǎng)絡(luò)生存期來(lái)看，采用實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器比傳統(tǒng) DD 提高了 50%，而且盡力而為業(yè)務(wù)濾器則提高了 540%；從 II類網(wǎng)絡(luò)生存期來(lái)看 ,采用實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器僅比傳統(tǒng) DD 提高了 7%，而盡力而為業(yè)務(wù)濾器則提高了 21%。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。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器的性能提升較小，原因是最小跳策略與傳統(tǒng) DD 的最小延遲策略類似，但是兼顧考慮最大化路徑能量瓶頸還是明顯提升了性能。從協(xié)議代價(jià)上來(lái)看 ,改進(jìn)后算法有一些增加，原因是更復(fù)雜的梯度建立策略 29 以及鏈路快速修復(fù)機(jī)制所導(dǎo)致的協(xié)議控制開銷。 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。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。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。 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。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 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。隨著傳感器節(jié)點(diǎn)密度的增加，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過(guò)重，這種超負(fù)載的現(xiàn)象必然會(huì)導(dǎo)致傳輸延遲或者是跟蹤監(jiān)測(cè)事件不及時(shí)。另外，在大面積的單層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)不支持長(zhǎng)距離的通行，而單層網(wǎng)絡(luò)是不可擴(kuò)展性的，所以為了在不降低通信服務(wù)質(zhì)量的前提下，又能解決額外的和超監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的通信問(wèn)題，我們提出了分簇路由。 分簇路由協(xié)議因具有管理拓?fù)浞奖悖芰坷酶咝Ш蛿?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。在分簇路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)常常被劃分成若干個(gè)簇。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。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。 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。這樣節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量； 成員節(jié)點(diǎn)的功能簡(jiǎn)單，這樣就減少了路由控制信息的數(shù)量； 分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理簡(jiǎn)單，有利于分布式算法，能夠?qū)ο到y(tǒng)變化做 出迅速的相應(yīng)變化，具有很好的可擴(kuò)展性，容易克服節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題，適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。 LEACH 協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議。雖然有一些分簇路由協(xié)議獨(dú)立于 LEACH 協(xié)議而單獨(dú)開發(fā)的，但大多數(shù)分簇路由協(xié)議是受到 LEACH 協(xié)議的啟發(fā)。接下來(lái)我們就以LEACH 協(xié)議為例來(lái)講分簇路由協(xié)議。 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。 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。它兼有了路由協(xié)議和拓?fù)淇刂茩C(jī)制的功能。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)。 [5] 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。 首先， LEACH 算法簇頭的產(chǎn)生過(guò)程是分布式算法，即節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)在 01 之間的隨機(jī)數(shù)，與閥值 T(n)比較，小于閥值 T(n)的可以當(dāng)選簇頭，但是當(dāng)過(guò)之后就不能再當(dāng)了，設(shè) T(n)=0。這樣到后面，剩余節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率就增大了。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。 [5] 其中： p 是節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率； r 是目前循環(huán)進(jìn)行的輪數(shù)； G是最近 1/p 輪中還未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)的集合。 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(guò)程。 [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) 32 碼的定時(shí)消息。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(guò)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)。 LEACH 協(xié)議的仿真 本論文對(duì) LEACH 協(xié)議進(jìn)行仿真，同時(shí)為了能夠比較，我仿真了另外一 種簡(jiǎn)單的直接傳輸（ Direct Trans）協(xié)議，這個(gè)協(xié)議的特點(diǎn)就是不對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，所有節(jié)點(diǎn)直接向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸信號(hào)。 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。 進(jìn)程模型 通過(guò)對(duì) LEACH 協(xié)議算法進(jìn)行分析后，我對(duì) LEACH 協(xié)議的進(jìn)程模型建模，得到如下所示的狀態(tài)圖。協(xié)議的每個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷三個(gè)階段，即初始化階段、建立階段和穩(wěn)定階段。 圖 38 進(jìn)程模型圖 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。 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)。 Edit Enter Execs 和 Edit Exit Execs 設(shè)置輸入輸出代碼。如下圖 38 所示。 點(diǎn)擊確定開始狀態(tài)，點(diǎn)擊連接狀態(tài)。單擊選中鏈路，單擊右鍵改變顏色和其他狀態(tài)。單擊編寫狀態(tài)的函數(shù)。 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。一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常是由多個(gè)模塊組成的，他的行為由他的使用來(lái)決定 ，每個(gè)模塊完成節(jié)點(diǎn)的一部分功能。創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)模型需要定義一個(gè)節(jié)點(diǎn)模型和一個(gè)進(jìn)程模型。在 LEACH 協(xié)議的仿真模型中，傳感器節(jié)點(diǎn)包括以下幾個(gè)模塊： ROUTE：他完成路由算法的實(shí)現(xiàn)功能； Energy：能量管理進(jìn)程模塊； 3： MAC層模塊以及 MAC 接口層模塊。 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)模型的方法： 從 File 菜單選擇 New，選擇 Node Model，單擊 OK 按鈕。 在節(jié)點(diǎn)編譯器的窗口放置三個(gè)進(jìn)程模塊、一個(gè)無(wú)線電接收機(jī)和一個(gè)無(wú)線電發(fā)射機(jī)。 如下圖所示給每個(gè)模塊命名。并用包流（包含在同一節(jié)點(diǎn)模型中不同模塊間的物理連接）將 它們連接起來(lái)。當(dāng)然，這里也可以根據(jù)自己的喜好將包流設(shè)置成不同的顏色。 圖 39 節(jié)點(diǎn)模型圖 34 網(wǎng)絡(luò)模型 要建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在用 OPNET 的外部模塊訪問(wèn) EMA 功能，這個(gè)功能是采用文本方式進(jìn)行建模，可以采用循環(huán)語(yǔ)句來(lái)刻畫多個(gè)特定規(guī)格的節(jié)點(diǎn)。在圖形編譯器中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，選擇 TopologyExport TopologyTo EMA，就可以生成 EMA 文件，它是以 *的形式編寫的，觀察這個(gè)文件，可以發(fā)現(xiàn)文件中包含 設(shè)置節(jié)點(diǎn)屬性的函數(shù)，將這個(gè)函數(shù)放到一個(gè) For 循環(huán)語(yǔ)句中，將數(shù)量 I 設(shè)為 100，再把函數(shù)設(shè)置的屬性值改為變量。這樣就可以設(shè)置 100 個(gè)節(jié)點(diǎn)。編譯成功后產(chǎn)生可執(zhí)行文件 *，每執(zhí)行一次程序就可以產(chǎn)生一個(gè)性的場(chǎng)景文件。在這里我們?cè)O(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?100*100 平方米的正方形區(qū)域，其中隨機(jī)放入一百個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的橫左邊與縱坐標(biāo)服從 [0,100]上的均勻分布。 圖 310 網(wǎng)絡(luò)模型圖 結(jié)果分析 在仿真過(guò)程中，假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)每 30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng) 度為 100bytes， 35 分簇的消息長(zhǎng)度為 25bytes， T(n)等于 5個(gè) TDMA 幀長(zhǎng)。在同一個(gè)場(chǎng)景下，同時(shí)運(yùn)行 LEACH協(xié)議和 Direct Trans 協(xié)議，得到它們的一次仿真結(jié)果如圖 311所示：下圖是仿真圖像，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，縱坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)存活的個(gè)數(shù)。我們看出， LEACH 協(xié)議能夠有效地減少能量的耗損，節(jié)點(diǎn)成活率很高。所以它的生存時(shí)間是 Direct Trans 協(xié)議的兩倍左右。 圖 311 LEACH 與 Direct 節(jié)點(diǎn)存活率比較 36 第四章 結(jié)論與展望 結(jié)論 無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)