【正文】 等字段；當(dāng)同序號興趣分組通過多徑到達(dá)某節(jié)點，該節(jié)點比較自身能量和上一跳節(jié)點的 MaxMPE，取小的為該路徑的 MPE，若此 MPE 比節(jié)點保存的 MaxMPE 大，或雖相等但跳數(shù)少，則更新節(jié)點的 MaxMPE 并保留對應(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，或雖相等但對應(yīng)的 MPE 大，則更新節(jié)點的 MHC 并保留對應(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)點廣播該分組。梯度建立 過程的含義是在興趣分組的泛洪過程中，組合利用 MaxMPE 和 MHC 建立兩類梯度，對于實時業(yè)務(wù)，最小延遲被優(yōu)先考慮并兼顧能耗均衡，對于盡力而為業(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是傳統(tǒng) DD 的路徑維護(hù)進(jìn)行路徑增強或者抑制的方式 ,但沒有提供對失效節(jié)點的快速修復(fù)，而且對故障節(jié)點的多次發(fā)送嘗試會消耗當(dāng)前節(jié)點的能量并增加了分組的端到端時延。所以 ,在原有 DD 路徑維護(hù)機制基礎(chǔ)上定義如下規(guī)則來提供對失效鏈路的快速本地修復(fù)和節(jié)點失效通知： 規(guī)則 1(路徑快速本地修復(fù) )：若當(dāng)前節(jié)點的下一跳傳 輸失敗，則在鄰居信息表中將與此下一跳節(jié)點間的鏈路代價標(biāo)為無限大，并重新進(jìn)行下一跳的選擇。若失效節(jié)點和有效節(jié)點的比率超過給定閾值，則主動發(fā)出鏈路狀態(tài)更新的請求，由觀測節(jié)點重新發(fā)起梯度更新過程。 規(guī)則 2(節(jié)點失效通知 )：在節(jié)點能量低于設(shè)定閾值后，該節(jié)點就會主動向鄰居節(jié)點發(fā)出失效通知。規(guī)則 2 反向調(diào)動規(guī)則 1，可以大大減少由于對失效鏈路嘗試所帶來的時延開銷和能量消耗。 失效節(jié)點和有效節(jié)點的比率閾值設(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，可能帶來性能的較大抖動；如果太小，就帶來過大的網(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，我們通過建立網(wǎng)絡(luò)范圍 200 200，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為 300，節(jié)點隨機分布而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場景靜止，其發(fā)送接收最大參考距離為 15；節(jié)點采用 28 層協(xié)議，帶寬 2Mb/s；觀測節(jié)點一個，位于網(wǎng)絡(luò)場景右上角，目標(biāo)區(qū)域在左下角；仿真過程中假定目標(biāo)區(qū)域節(jié)點通過聚合處理，只有一個傳感節(jié)點返回匹配數(shù)據(jù)；仿真時間為網(wǎng)絡(luò)生存期結(jié)束。因為節(jié)點的通信能耗比重最大，所以不考慮感知能耗。設(shè)置節(jié)點能量為 14000 單位，發(fā)送、接收一個分組消耗 5 單位。仿真結(jié)果置信度 ，其余主要仿真參數(shù)包括：觀測節(jié)點興趣泛洪周期 300s；傳感節(jié)點興趣匹配后產(chǎn)生 280個數(shù)據(jù)分組包；數(shù)據(jù)分組包數(shù)據(jù)負(fù)載 1024Byte。 評價方法 網(wǎng)絡(luò)仿真性能評價指標(biāo)包含端到端延遲、網(wǎng)絡(luò)生存期和延遲抖動、分組傳輸率和分組傳送代價： 網(wǎng)絡(luò)生存期，目的是考查協(xié)議在節(jié)點能量消耗和網(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，延遲是分組從源節(jié)點到接收節(jié)點的平均經(jīng)過時間，延遲抖動是同一業(yè)務(wù)流之間不同分組的延遲變化量。實時業(yè)務(wù)的 QoS 需求對這兩項指標(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，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是采用實時業(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 為只采用實時業(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。從平均時延來看，實時業(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)生存期來看，采用實時業(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)生存期來看 ,采用實時業(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%。試驗結(jié)果表明改進(jìn)后算法可對兩類業(yè)務(wù)提供有保證的差別服務(wù)，同時可在全網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)能量資源的充分有效利用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。實時業(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)議代價上來看 ,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 提供了可擴展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)機制，本文基于 DD 路由協(xié)議，利用路徑上節(jié)點的最小能量和到觀測節(jié)點的跳數(shù)建立兩類梯度，采用優(yōu)先級調(diào)度法來作為多約束的路由策略，通過構(gòu)造波爾茲曼概率選擇下一跳節(jié)點，擴展了路徑維護(hù)機制，得到了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由算法。它與 DD 的實施模式無關(guān) ,可在滿足不同業(yè)務(wù)資源需求的同時，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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的就是他的可擴展性。隨著傳感器節(jié)點密度的增加，必然會導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)節(jié)點的負(fù)載過重，這種超負(fù)載的現(xiàn)象必然會導(dǎo)致傳輸延遲或者是跟蹤監(jiān)測事件不及時。另外，在大面積的單層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點不支持長距離的通行，而單層網(wǎng)絡(luò)是不可擴展性的，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)測區(qū)域內(nèi)的通信問題，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?，能量利用高效和?shù)據(jù)融合簡 單的優(yōu)點，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簇。所謂的簇，就是一些有關(guān)聯(lián)的節(jié)點組合而成節(jié)點的集合。每個簇都是有一個簇頭和一些簇內(nèi)節(jié)點組成的，低一級網(wǎng)絡(luò)的簇頭就是高一級網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)節(jié)點，由最高的簇頭與基站聯(lián)系。 分簇路由機制有以下幾個優(yōu)點： 成員節(jié)點大部分時間是關(guān)閉通行模塊的，只有簇頭節(jié)點在融合了所有成員節(jié)點的數(shù)據(jù)后與基站長距離聯(lián)系。這樣節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量； 成員節(jié)點的功能簡單，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，具有很好的可擴展性，容易克服節(jié)點移動帶來的問題，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)議獨立于 LEACH 協(xié)議而單獨開發(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)。接下來我們就以LEACH 協(xié)議為例來講分簇路由協(xié)議。 LEACH 協(xié)議簡介 LEACH（ low energy adaptive clustering hierarchy）按簇將網(wǎng)絡(luò)分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)由一個簇頭和多個節(jié)點組成的，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?，每一個周期循環(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制的功能。在簇的建立階段相鄰節(jié)點動態(tài)的形成簇，隨機地生成簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點把數(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。 [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)生過程是分布式算法，即節(jié)點產(chǎn)生一個在 01 之間的隨機數(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)過之后就不能再當(dāng)了，設(shè) T(n)=0。這樣到后面，剩余節(jié)點當(dāng)選簇頭的概率就增大了。當(dāng)只剩下一個節(jié)點沒有當(dāng)選簇頭時候，這個節(jié)點必然就會當(dāng)選，設(shè) T(n)=0。 [5] 其中： p 是節(jié)點當(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)點的集合。 其次，簇的形成算法：簇頭產(chǎn)生后，簇頭向監(jiān)測區(qū)域廣播 成簇頭的消息，然后節(jié)點根據(jù)自己的位置和簇頭的強弱決定加入哪個簇，這就是簇的形成的過程。 [5] 最后，數(shù)據(jù)傳輸算法：簇形成后，其他節(jié)點根據(jù)自己的地理位置來選擇加入哪個簇就向那個簇發(fā)送加入消息，簇頭收到加入消息就會向其他簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送 TDMA 和 CDMA 編 BS 簇 簇頭節(jié)點 簇成員節(jié)點 32 碼的定時消息。簇內(nèi)節(jié)點收到消息后就會在自己的時間內(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)點發(fā)送的消息后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)融合算法來處理數(shù)據(jù)，最后直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。 LEACH 協(xié)議的仿真 本論文對 LEACH 協(xié)議進(jìn)行仿真，同時為了能夠比較，我仿真了另外一 種簡單的直接傳輸（ Direct Trans）協(xié)議，這個協(xié)議的特點就是不對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，所有節(jié)點直接向匯聚節(jié)點傳輸信號。 下面我們再詳細(xì)的介紹建立網(wǎng)絡(luò)模型、進(jìn)程模型和節(jié)點模型的具體方法。 進(jìn)程模型 通過對 LEACH 協(xié)議算法進(jìn)行分析后，我對 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)議的每個節(jié)點經(jīng)歷三個階段，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，紅色為非強制狀態(tài)，綠色為強制狀態(tài)。 Edit Enter Execs 和 Edit Exit Execs 設(shè)置輸入輸出代碼。如下圖 38 所示。 點擊確定開始狀態(tài)，點擊連接狀態(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)點模型 OPNET 中節(jié)點模型用于定義每個節(jié)點的工作。一個節(jié)點通常是由多個模塊組成的，他的行為由他的使用來決定 ，每個模塊完成節(jié)點的一部分功能。創(chuàng)建節(jié)點模型需要定義一個節(jié)點模型和一個進(jìn)程模型。在 LEACH 協(xié)議的仿真模型中，傳感器節(jié)點包括以下幾個模塊： ROUTE：他完成路由算法的實現(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)點編譯器的窗口放置三個進(jìn)程模塊、一個無線電接收機和一個無線電發(fā)射機。 如下圖所示給每個模塊命名。并用包流（包含在同一節(jié)點模型中不同模塊間的物理連接）將 它們連接起來。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)點模型圖 34 網(wǎng)絡(luò)模型 要建立多個節(jié)點，現(xiàn)在用 OPNET 的外部模塊訪問 EMA 功能，這個功能是采用文本方式進(jìn)行建模，可以采用循環(huán)語句來刻畫多個特定規(guī)格的節(jié)點。在圖形編譯器中選擇一個節(jié)點，選擇 TopologyExport TopologyTo EMA，就可以生成 EMA 文件，它是以 *的形式編寫的，觀察這個文件，可以發(fā)現(xiàn)文件中包含 設(shè)置節(jié)點屬性的函數(shù)，將這個函數(shù)放到一個 For 循環(huán)語句中，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 個節(jié)點。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)生一個性的場景文件。在這里我們設(shè)置監(jiān)測區(qū)域為 100*100 平方米的正方形區(qū)域，其中隨機放入一百個傳感器節(jié)點，節(jié)點的橫左邊與縱坐標(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 在仿真過程中，假定每個節(jié)點每 30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)包的長 度為 100bytes， 35 分簇的消息長度為 25bytes， T(n)等于 5個 TDMA 幀長。在同一個場景下，同時運行 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)是時間軸，縱坐標(biāo)表示節(jié)點存活的個數(shù)。我們看出， LEACH 協(xié)議能夠有效地減少能量的耗損，節(jié)點成活率很高。所以它的生存時間是 Direct Trans 協(xié)議的兩倍左右。 圖 311 LEACH 與 Direct 節(jié)點存活率比較 36 第四章 結(jié)論與展望 結(jié)論 無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)