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wsns路由協(xié)議分析與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)-wenkub.com

2024-08-23 17:33 本頁面
   

【正文】 接下來 對 進(jìn)行分析。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 到此為止,創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)完成并將每個節(jié) 點(diǎn)的能量初始化完成。 接下來 我們分析newMobileNode/ResourceAwareNode函數(shù)。 盡管 LEACH能有效的提升網(wǎng)絡(luò)的生命周期,但是 LEACH協(xié)議也存在一些缺點(diǎn): (1)由于 LEACH 假定所有節(jié)點(diǎn)能夠與匯聚點(diǎn)直接通信,因此 LEACH協(xié)議不適合大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)。為了盡可能的降低網(wǎng)絡(luò)能耗 , 在一般情況下 , 數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸階段的持續(xù)時(shí)間比簇建立階段要長。簇首節(jié)點(diǎn)需要融合處理接收到的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù) , 以便除去數(shù)據(jù)中的冗余部分 , 從而降低續(xù)首節(jié)點(diǎn)因傳輸冗余數(shù)據(jù)而增加的額外能耗。至此 , 續(xù)建立階段工作完成 , 該階段的詳細(xì)流程如圖 41所示。當(dāng)經(jīng)過 1/p輪后 , 所有節(jié)點(diǎn)重新以相等的概率競選簇首。除此之外 , 簇首節(jié)點(diǎn)的選舉結(jié)果還與簇首占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值密切相關(guān)。 LEACH路由協(xié)議的每一個輪轉(zhuǎn)周期由簇建立階段和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階 段這兩個階段構(gòu)成。 介紹完能耗的計(jì)算, 本文接下來分析 LEACH路由協(xié)議,而在第二章中已粗略的講過 LEACH路由協(xié)議,因此,下面就先講講 LEACH協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu)。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能量最大,而睡眠和數(shù)據(jù)融合消耗的能量遠(yuǎn)小于發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能耗。 do 。 do 值的計(jì)算如公式 。 而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗又與能量模型相關(guān),因此首先介紹 計(jì)算 LEACH 能耗時(shí)所用的 能量模型: 能量模型 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)消耗的能量與傳輸?shù)木嚯x有關(guān)。 而 相關(guān)的研究證明層次 簇 能有效的降低網(wǎng)絡(luò)的能耗 ,并且 LEACH 又是一種經(jīng)典的層次簇協(xié)議 , 所以我選擇對 LEACH 協(xié)議進(jìn)行研究。擴(kuò)展性方面 DD 協(xié)議和 TEEN 協(xié)議要優(yōu)于其他協(xié)議; 在安全機(jī)制方面 ,以上協(xié)議 都 有待進(jìn)一步的研究 ;在服務(wù)質(zhì)量 (Quality of Service, QoS)方面,只有 SAR 協(xié)議考慮到這個問題 。 TEEN 協(xié)議的主要缺點(diǎn) 是不適應(yīng)需要周期性采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。在簇的穩(wěn)定階段,節(jié)點(diǎn) 利用 傳感器 對其周圍 的 環(huán)境 進(jìn)行 不斷地感知 。 LEACH 是分層路由協(xié)議,節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)大量的路由信息,在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的均衡性; LEACH 中簇頭的選擇是隨機(jī)的,合理的分擔(dān)了通信能量消耗,延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間; LEACH 是分布式的路由協(xié)議,具有很好的自適應(yīng)性和擴(kuò)展性,適合于小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 LEACH 是一種分布式自組織的協(xié)議,將 LEACH 的運(yùn)作分成輪,每一輪包括兩個階段:簇的建立階段和穩(wěn)定階段。 因此, 每個簇由一個簇頭和多個簇成員 構(gòu)成 , 普通節(jié)點(diǎn)加入簇后變成簇成員節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)管理簇成員節(jié)點(diǎn), 同時(shí) 簇頭節(jié)點(diǎn) 負(fù)責(zé)所管轄簇內(nèi)信息的收集 、 融合處理 和 簇 頭 間數(shù)據(jù)的 相互 轉(zhuǎn)發(fā)。在算法的啟動階段,路由樹從根節(jié)點(diǎn)延伸,不斷吸收新的節(jié)點(diǎn)加入。 SAR協(xié)議 SAR[22] (Sequential Assignment Routing)連續(xù)分配路由協(xié)議,首次引入 QoS 概念。匯聚節(jié)點(diǎn) ( sink) 通過洪泛的方式 ,周期性的 廣播一種稱為興趣的數(shù)據(jù)包 ,即 不同任務(wù)的描述符 通過不同的屬性來區(qū)分 ,來 告訴網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)各自需要采集何種信息 。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 34 SPIN 協(xié)議工作過程 SPIN 協(xié)議的缺點(diǎn)主要有兩方面 [20]: (1)沒有考慮節(jié)能; (2)在有多種信道同時(shí)存在的條件下數(shù)據(jù)如何傳輸。 主要傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 信息 類型為 ADV、 REQ 和DATA 三類。但又多了另一個問題,其傳輸路線是隨意的,并沒有規(guī)劃過,所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延將會增加。然而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多, 由于 所有節(jié)點(diǎn)都 參與其中,最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量消耗過快,縮短生命周期。 Flooding 協(xié)議通過廣播的形式 將接收到的信息告知給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)。 其路由的生成是利用 局部 的 操作和信息 的 反饋 , 在 原則上 沒有 瓶頸 的 問題 存在 。 綜上所述, 由于 無線信 道的不穩(wěn)定、信道間的相互 干擾、 各 節(jié)點(diǎn)的 隨意 移動和 節(jié)點(diǎn)可能隨時(shí)因在監(jiān)測環(huán)境中能量耗盡而 失效以及 所設(shè)地理環(huán)境 等 受各方面 因素的影響, 無線傳感器 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 都會因此而發(fā)生改變 ,而且這些問題都是傳 統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所不曾遇到過的,顯然,傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議 不能 直接 應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)路 中 ,需要依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其自身的特征來設(shè)計(jì)路由協(xié)議。采用這種協(xié)議時(shí),我們要選擇能量較高的節(jié)點(diǎn)來當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn),并在簇內(nèi)多選舉幾個進(jìn)行輪流使用來均衡能耗。對具有某種關(guān)聯(lián)的若干節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個簇,簇分為簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。 ( 2)平面路由協(xié)議:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有的節(jié)點(diǎn)地位是平等的,沒有等級和層次的區(qū)分,它們所實(shí)現(xiàn)的作用也大致相同。并且只需在通信過程中進(jìn)行路由維護(hù)以及需要在傳輸前計(jì)算好路由,因此按需路由的缺點(diǎn)是時(shí)延比較大。節(jié)點(diǎn)需要周期性地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由信息,并且要保存路由表來存 儲路由信息。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 ( 4)比較后得出最佳路由,將這條記錄添加到此路徑上的所有設(shè)備的路由表當(dāng)中。 路由的過程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由的過程有以下 4 個步驟。而查詢驅(qū)動和時(shí)間驅(qū)動就較為不同,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變化或外界的需求進(jìn)行動態(tài)變化,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是不固定的,在某些特殊的場合對響應(yīng)的時(shí)間有要求。節(jié)點(diǎn)的移動和由于節(jié)點(diǎn)能量耗盡或其他突發(fā)情況而失效這兩種情況是使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)浒l(fā)生變化的可能因素,所以設(shè)計(jì)出的路由協(xié)議要考慮這些因素,使網(wǎng)絡(luò)能夠更好的適應(yīng)拓?fù)涞淖兓? 能量的損耗既是傳感器網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)問題,也是路由協(xié)議的核心問題。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò),是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。 ( 3)以數(shù)據(jù)為中心 與全 局統(tǒng)一的地址 用來區(qū)分利用 節(jié)點(diǎn) 來 標(biāo)識和 進(jìn)行 路由依據(jù)的傳統(tǒng) 的 無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 的 不同, 在 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中, 節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,而這些節(jié)點(diǎn)通常只關(guān)心 在 監(jiān)測 的 區(qū)域 內(nèi) 的整體感知數(shù)據(jù),并不關(guān)心單個節(jié)點(diǎn)獲 得到 的數(shù)據(jù),因而對于整個 網(wǎng) 絡(luò) 唯一的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識 沒有任何的依賴 。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于能量有限且有時(shí) 能量不能得到補(bǔ)充,所以在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí),要盡量降低節(jié)點(diǎn)能量消耗使能量得到高效利用,從而最大限度地延長整個網(wǎng)絡(luò)生命周期。 第 四 章 說明研究對象,講清選擇理由,介紹所選擇的 LEACH路由協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu),針對 LEACH路由協(xié)議存在 隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)的分布不均勻,且簇的大小不均勻的缺點(diǎn),提出了 LEACHCH協(xié)議 ,并介紹其采用的模擬退火算法 。 相對于 系統(tǒng)具有 復(fù)雜度低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn) , 適用在 WSNs 中。 數(shù)據(jù)融合 [13] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常是基于一個固定的時(shí)間間隔 來收集 和傳輸數(shù)據(jù) 的 , 而通過這些節(jié)點(diǎn)傳輸 的數(shù)據(jù) 往往 具有語義相關(guān)性。 與此 同時(shí) , 傳感器 網(wǎng)絡(luò)的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 不是靜止存在,而是在 動態(tài)變化 , 所以 網(wǎng)絡(luò)資源也在 跟隨其 不斷變化 , 這些 使得 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 需要不斷完善 。其中,時(shí)間同步 提供 同步 本地時(shí)鐘的服務(wù), 主要是 為 保證傳感器 節(jié)點(diǎn)間 的 協(xié)同工作;節(jié)點(diǎn)定位服 務(wù) 是 在系統(tǒng)中建立起一定的空間關(guān)系 ,根據(jù) 有限的 并 位置已 知 得 節(jié)點(diǎn) , 來 得到 其他節(jié)點(diǎn) 相對應(yīng) 的位置 [9]。 設(shè)計(jì)時(shí)受到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、處理能力和硬件的影響。介質(zhì)訪問的選擇會影響 通信時(shí)一對一或一對多 的準(zhǔn)確連接 , 幀差錯傳輸控制 可以確保傳輸?shù)男畔⒌竭_(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的可靠 性。如圖 13 所示, 不同層次在網(wǎng)絡(luò)中具有不同的作用 。 將 所有這些單元組裝 后形成的模塊甚至可以比 一個火柴盒 更計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 小 , 組合形成的 各模塊相互 之間一起協(xié)同 完成 同 一項(xiàng)的任 務(wù) 。 通常情況下, 遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn) 可以 是一臺 PC 機(jī)或作 為具有 強(qiáng)大 功能 的嵌入式處理設(shè)備,職能是處理 并 判斷來自匯聚節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)信息, 與此同時(shí)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出 控制信號。根據(jù)應(yīng)用 的 需求,還能提供 的功能有定位、能源的供應(yīng)和 移動等 。 傳感器節(jié)點(diǎn) 將 檢測 到 的目標(biāo)信息要 經(jīng) 過 本地簡單 的 處理 后 ,然后 借助相近的傳感器節(jié)點(diǎn) 通過 多跳 的形式將信息傳送給 觀測節(jié)點(diǎn)。 微型傳感器體積小似灰塵可以在空氣中浮動,質(zhì)量輕,又可以稱為“智能塵埃( Smart Dust)”。如果 將其 應(yīng)用在環(huán)境檢測方面,利用 具有 生物化學(xué) 特性的 傳感器網(wǎng)絡(luò) 就 可以解決對河道的水文 水質(zhì) 的 情況、水災(zāi)預(yù)警 的 檢測、野生動植物棲息地生態(tài)環(huán)境 的 檢測 以及 森林火情 的監(jiān)控 ;如果 將其 應(yīng)用在 軍事領(lǐng)域, 使用 具有 聲音和壓力等 特性的 傳感器就 可以探測出 敵軍的動向,人員以及車輛行動 等各方面 信息,從而可以 獲得 最新的軍情, 還 可以對戰(zhàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督和 對 戰(zhàn)場 做出 損失 的 評估等;如果 將其 應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 方面,我們可以 利用無線傳感器實(shí)施對 病人和老人的身體情況 的 監(jiān)控 ,例如可以通過檢測獲得 病人和老人的脈搏、血糖、血壓等數(shù)據(jù), 在 發(fā)現(xiàn)異常情 況 時(shí),醫(yī)生 對患者 也 可以進(jìn)行 及時(shí) 的 搶救。 所以我們需要對 路由協(xié)議 進(jìn)行不斷改進(jìn) , 優(yōu)化后的路由協(xié)議, 使 得 社會生產(chǎn)力 得到 進(jìn)一步 的 提高,使得 人們的 社會生計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 活 更加便捷 , 使得 人民的生活質(zhì)量 也得到不斷的提高 。 路由協(xié)議 是當(dāng)今 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一 , 在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中, 數(shù)據(jù) 的 傳輸與 路由協(xié)議 緊密 相關(guān) 。 UCBerkeley(加州大學(xué)伯克利分校)提出了 利用 網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法,并在其基礎(chǔ)上研發(fā)了傳感器操作系統(tǒng) — TinyOS[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備了 快速部署、自組織 以及 高容錯性的特征 ,在軍事應(yīng)用、 醫(yī)療健康、環(huán)境科學(xué) 、 智能家居 等上 都 發(fā)揮著 重要的作用 ,從而 得到了世界 很多 國家 在 軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視,成為一個公認(rèn)的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于各 節(jié)點(diǎn) 自身能量 資源 的 有限, 而其 數(shù)據(jù)包的 輸送 需要 以 多跳 的 通信 形式送 達(dá)目的地 , 由此可見,路由協(xié)議不但要注意每 個節(jié)點(diǎn) 在網(wǎng)絡(luò)中 的 耗能問題 , 而且還要注重 整個網(wǎng) 絡(luò) 能量的均衡消耗 問題 ,這樣才能延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存 周 期 。因?yàn)閷Νh(huán)境數(shù)據(jù)的采集具有實(shí)時(shí)性,呈現(xiàn)出了真實(shí)的物質(zhì)世界,所以為我們的應(yīng)用和研究帶來了極大地便利。無線傳感網(wǎng)絡(luò)同其它的通信技術(shù)相比具有巨大的潛力,其中美國商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評論在未來技術(shù)發(fā)展的預(yù)測報(bào)告中,將其列為 21 世紀(jì)最有影響的 21 項(xiàng)技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)。 LEACHCH 協(xié)議 .............................................................................................................. 24 LEACHCH 協(xié)議的 介紹 ......................................................................................... 24 LEACHCH 協(xié)議 的 設(shè)計(jì) ......................................................................................... 26 第 5 章 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ................................................................................................... 27 仿真平臺的介紹 .............................................................................................................. 28 仿真過程與結(jié)果分析 ...................................................................................................... 28 第 6 章 工作總結(jié)和展望 ........................................................................................................... 33 致謝 ............................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 (4) the number of clusters is not guaranteed to be optimal value. These problems will affect the work lifetime. This paper proposes a
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