【正文】 Class MobileNode/ResourceAwareNode superclass Node/MobileNode MobileNode/ResourceAwareN。 當(dāng) 創(chuàng)建好節(jié)點(diǎn)和設(shè)置好節(jié)點(diǎn)的初始能量 后 ， opt(nn_)1個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為普通節(jié)點(diǎn)，而將 opt(nn_)設(shè)置為 bs節(jié)點(diǎn) 。 降下來(lái) 分析 腳本。 else { Base station has an infinite amount of energy. $node setenergy 50000 $opt(thresh_energy) } 將基站節(jié)點(diǎn) 的初始化能量設(shè)置為 50000，能量無(wú)限。 set node $node_($id) if {$id != $opt(nn_)} { //Set initial node energy. if {$opt(eq_energy) == 1} { $node setenergy $opt(init_energy) $opt(thresh_energy) } else { 由于 eq_energy在 leachtest中給定，將 eq_energy=1；則每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì) 對(duì) 節(jié)點(diǎn)的初始能量和門(mén)檻能量 進(jìn)行設(shè)置 。 newMobileNode/ResourceAwareNode函數(shù) 在 中。 (2)LEACH協(xié)議隨機(jī)選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)分布隨機(jī)，簇大小不均勻。 (3) LEACH通過(guò)選舉簇頭方式，每隔一定的時(shí)間就重新選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，從而均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗。 LEACH 協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn) 分析 (1) 簇頭結(jié)點(diǎn)接收簇成員發(fā)送的數(shù)據(jù)包，然后簇頭節(jié)點(diǎn)融合數(shù)據(jù)后發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)，有效降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量。 穩(wěn) 定 數(shù) 據(jù) 傳 輸 階 段 開(kāi) 始在 非 自 身 時(shí) 隙 內(nèi) 處于 睡 眠 狀 態(tài)節(jié) 點(diǎn) 是 否 為 簇 首 ？接 收 成 員 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送的 數(shù) 據(jù)進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 融 合 并 將數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 基 站在 簇 首 分 配 的 時(shí) 隙內(nèi) 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)Y N 圖 42 LEACH協(xié)議穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段流程圖 基站完成全網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收工作后 ， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪的工作周期。最后 ， 簇首節(jié)點(diǎn)將處理后的數(shù)據(jù)傳遞至基站。為了降低節(jié)點(diǎn)能耗 ， 在傳遞完監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后 ， 成員節(jié)計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 點(diǎn)關(guān) 閉其信號(hào)發(fā)射器 ， 并且進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 網(wǎng) 絡(luò) 初 始 化簇 首 節(jié) 點(diǎn) 向 周 圍 節(jié) 點(diǎn) 廣播 自 己 的 狀 態(tài)節(jié) 點(diǎn) i 是 否 是簇 首 節(jié) 點(diǎn)穩(wěn) 定 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 階 段發(fā) 送 加 入 請(qǐng) 求 數(shù) 據(jù) 包 給選 擇 的 簇 首 節(jié) 點(diǎn)創(chuàng) 建 T D M A 時(shí) 隙 表 ， 并發(fā) 送 給 簇 內(nèi) 成 員 節(jié) 點(diǎn)等 待 加 入 某 一 個(gè) 簇等 待 簇 首 T D M A 時(shí) 隙 表等 待 加 入 消 息YN 圖 41 LEACH協(xié)議簇建立階段流程圖 穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段 成員節(jié)點(diǎn)接收到簇首給其分配的 CDMA編碼方式和 TDMA時(shí)隙后 ， LEACH協(xié)議就進(jìn)入到穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段。然后 ， 簇 首節(jié)點(diǎn)將 TDMA時(shí)隙和CDMA編碼方式一同發(fā)送給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn) ， 請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)收到簇首的數(shù)據(jù)包后 ， 正式成為簇成員節(jié)點(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇 首后 ， 就立即向全網(wǎng)廣播簇首當(dāng)選消息 ， 此時(shí) ，非簇首節(jié)點(diǎn)打開(kāi)無(wú)線接收器以持續(xù)接收來(lái)自簇 首的廣播消息 ， 非簇首節(jié)點(diǎn)選擇廣播信號(hào)強(qiáng)度最大的簇 加入 ， 并且向該 簇 首發(fā)送請(qǐng)求入簇消息。當(dāng) r 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 = 0時(shí) ，所有節(jié)點(diǎn)成為簇 首的概率都為 P，一旦節(jié)點(diǎn)在某輪當(dāng)選為簇 首 ， 那么它在下面的 1/p輪中都不能再次被選舉為簇首 ； 當(dāng) r = (l/p)l時(shí) ， T(n) = 1，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有擔(dān)任過(guò)簇 首的節(jié)點(diǎn)在本輪成為簇首的概率為 1。 在簇建立階段 ， 首先 ， 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè) 0到 1之間的數(shù) ， 如果該隨機(jī)數(shù)小于所設(shè)定的閾值 T(n)， 則該節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為本輪的簇首節(jié)點(diǎn) ， T(n)計(jì)算公式如下 : () 其中 ： p表示簇首總數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值 ， r為當(dāng)前的輪數(shù) ， G表示在過(guò)去的 1/p個(gè)輪轉(zhuǎn)周期中還未當(dāng)選過(guò)簇首的節(jié)點(diǎn)集合。只有滿足了上述條件 ， 才能保證網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能以較為均等的概率成為簇首。簇建立階段指的是簇的初始化階段 ， 而穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段是指當(dāng)分簇完成后 ，各節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至其簇首節(jié)點(diǎn) ， 由簇首將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站的工作階段。為了平衡全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能耗 ,LEACH協(xié)議釆用“輪”的模塊化程序設(shè)計(jì)思想 ， 全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn) ， 有效地平衡了網(wǎng)絡(luò)的能耗。 LEACH 協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu) LEACH路由協(xié)議通過(guò)特定的簇首選舉算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)地劃分為若干個(gè)獨(dú)立的簇單元。因此在大規(guī)模無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中如何降低網(wǎng)絡(luò)的平均距離成為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要因素之一。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，網(wǎng)絡(luò)的平均距離增大，由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型可以，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能量最大。接收端可以接收到信號(hào)的門(mén)限值為 CSThresh ，而可以正確解碼的門(mén)限值為 RXThresh 。),()()(42ifdEkEk difdEkEkdkEkEkE mpe l c fse l cam pe l ctr () 由公式 ()可知節(jié)點(diǎn)的能耗與距離的平方和四次方成正比，所以節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)候，將通信的距離限制到 do以內(nèi)，可以降低能耗 ，其中 fsE 代表有效接收功率， mpE 代表發(fā)射增益， d代表傳輸距離， do代表傳輸?shù)拈T(mén)限值 。節(jié)點(diǎn)的能耗是非線性的，節(jié)點(diǎn)發(fā)送 bitsk? 數(shù)據(jù)消耗的能量的如公式 ()所示： mpfsEEdo? () ????? ????? ???????? dod 。如果 dod? ，則節(jié)點(diǎn)的能耗和距離的平方成正比；如果 dod? ，則節(jié)點(diǎn)的能耗和距離的四次方成正比。 本文和文獻(xiàn)使用相同的無(wú)線通信模型 [27]。也就是通過(guò)節(jié)點(diǎn)能量模型。因此節(jié)能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究。 LEACH 屬于 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(zhǎng)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。因此，本文選擇研究層次路由協(xié)議。不過(guò)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能問(wèn)題將是首要考慮的問(wèn)題 ， 也是研究的重中之重。從 無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 的 生存時(shí)間 考慮的話， LEACH 協(xié)議 和 TEEN 協(xié)議 在 生存周期 方面要 比 其他 協(xié)議 的存活時(shí)間長(zhǎng)得多 ， 在 相同 能量供給的情況下，說(shuō)明 兩種 協(xié)議 具有更好 的節(jié)能效果 ， 在 路由算法方面具備更大的 優(yōu)勢(shì) ， 對(duì)于 無(wú)用的能量 較少了消 耗 ，由此 提高了 對(duì)于 能量的 使用 率。因?yàn)樵O(shè)置了 2 個(gè)閥計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 門(mén)值，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能即時(shí)和基站節(jié)點(diǎn)通信 ，用戶也就完全得不到網(wǎng)絡(luò)的任何數(shù)據(jù)。 (2)隨著簇頭的變化， 用戶通過(guò)設(shè) 置 2 個(gè)閥門(mén)值，從而確定數(shù)據(jù)包傳送的次數(shù) 。當(dāng) 傳感器 節(jié)點(diǎn) 初 次檢測(cè) 出 數(shù)據(jù) 并達(dá)到 硬閾值 時(shí)，立即打開(kāi)收發(fā)器 對(duì) 數(shù)據(jù) 進(jìn)行 傳送， 與此同時(shí) 將 獲得的 檢測(cè)值 保存在 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部變量 SV 中 。硬閾值是數(shù)據(jù)不能超過(guò)的閥值 ，軟閾值則 是對(duì) 被檢測(cè)數(shù)據(jù) 進(jìn)行 變動(dòng)范圍 的規(guī)定 。 TEEN 協(xié)議 TEEN[26]為反應(yīng)式路由協(xié)議 ， 對(duì)實(shí)時(shí)性事件快速做出反應(yīng) 。非簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入信息到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)向簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送 TDMA 表，簇成員節(jié)點(diǎn)只能在分配的時(shí)間間隙內(nèi)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，否則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。 簇 建立階段， LEACH 通過(guò)等概率地隨機(jī)循環(huán)選擇簇頭，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平衡到每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到降低能耗的效果。 當(dāng)前典型的層次路由協(xié)議有如下幾種： LEACH 協(xié)議 LEACH（ LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol）協(xié)議 算法 是 Wendi 等人提出 的 [25]。 層次 路由協(xié)議 通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成層次，簇頭節(jié)點(diǎn)接收簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)融合后發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)，因此能有效的降低能耗，減少通信量。 層次路由協(xié)議 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 分層路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為多個(gè)簇，在每個(gè)簇內(nèi) 又通過(guò)一定規(guī)則的選舉產(chǎn)生簇頭 （ cluster head）節(jié)點(diǎn) [24] 。 仿真結(jié)果顯示 [23]，與只考慮路徑能耗的最小能量度量協(xié)議相比， SAR 的優(yōu)點(diǎn)是能量消耗的更少。傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的多跳路徑的建立，依靠匯聚節(jié)點(diǎn)的單跳鄰居節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)的多播樹(shù)實(shí)現(xiàn)。它是一種表驅(qū)動(dòng) (tabledriven)、多路徑的路由選擇算法，從而滿足網(wǎng)絡(luò)低功耗 和魯棒性的要求。 定向擴(kuò)散路由 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) 是 具有較好的節(jié)能型， 適用于傳感器節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后，需連續(xù)多次向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息； 缺點(diǎn)是在梯度值建立的過(guò)程中話費(fèi)的代價(jià)過(guò)大 ，所以不適合在收到請(qǐng)求后只需發(fā)一次少量的信息。興趣在網(wǎng)絡(luò)中 邊 擴(kuò)散 邊沿途 建立遍布全網(wǎng)的梯度值 ， 采集到和興趣匹配的數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)興趣擴(kuò)散階段建立的梯度路徑將采 集到的興趣數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn) （ sink） 。 DD 協(xié)議是一種 以數(shù)據(jù)為中心的 路由協(xié)議 ，其工作過(guò)程有興趣擴(kuò)散、梯度建立、路徑加強(qiáng)三個(gè)階段 。 SPIN 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)主要有三方面： (1)傳輸元數(shù)據(jù)的耗能少； (2)對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)已存在的數(shù)據(jù)，不重復(fù)發(fā)送，減少了能耗； (3)不保存鄰居節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。 (2)節(jié)點(diǎn)在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先檢測(cè)自身能量狀況，根據(jù)能量等級(jí)調(diào)整工作模式，如能量較低時(shí)只接收數(shù)據(jù)而不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。 SPIN 協(xié)議的工作過(guò)程如圖 34， 節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā) TATA 數(shù)據(jù)前，先廣播即對(duì)外發(fā)送 ADV 信息，一直重復(fù)此過(guò)程，直至有鄰居節(jié)點(diǎn)接受 ADV 信息 后并愿意接受其DATA 數(shù)據(jù)包 ， 然后向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送 REQ 數(shù)據(jù)包，隨后節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 DATA 數(shù)據(jù)包，類似傳輸，使 DATA 數(shù)據(jù)包被傳送至遠(yuǎn)方匯聚節(jié)點(diǎn)或基站。 SPIN 協(xié)議 SPIN[18]（ Sensor Protocols for Information via egotiation） 基于協(xié)商機(jī)制的傳 感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 是第一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心并 且 具有能量自適應(yīng)性能的路由協(xié)議 ，因而解決了Flooding 和 Grossing 協(xié)議所存在的問(wèn)題 。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 BADC（ χ）（ χ）（ χ）（ χ） ABC(q，r)(r，s)qrs 圖 31 洪泛法的信息爆炸問(wèn)題 圖 32 洪泛法的信息重疊問(wèn)題 A BC SED1 （ χ ）2 （ χ ） （ χ ） 34 （ χ ） 圖 33 閑聊法協(xié)議過(guò)程 泛洪算法和閑聊算法是兩個(gè)經(jīng)典 并最為 簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 ，是通信協(xié)議的基礎(chǔ) 。 Gossiping 是在洪泛法（ Flooding）上改進(jìn)得來(lái)的 [17]，它的改進(jìn)是，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送信息時(shí)，采用的是隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)重復(fù)收到信息時(shí)，它會(huì)將信息返還讓其重新發(fā)送（如圖 33 的 E 節(jié)點(diǎn)，它將信息返回給 B，如圖 33，從而解決了洪泛法的信息爆炸問(wèn)題。 (2)出現(xiàn)信息冗余的現(xiàn)象，如圖 32 所示， 節(jié)點(diǎn) A 和 C 收到的信息有重疊的部分 r，再將信息發(fā)送到 B 時(shí)，信息出現(xiàn)了二次重復(fù)，形成了信息的疊加。 洪泛法的 [16]優(yōu)缺點(diǎn)顯而易 見(jiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，它適于在健壯環(huán)境高的區(qū)域，其缺點(diǎn)是： (1)出現(xiàn)信息爆炸 ，能量急劇消耗 問(wèn)題，如圖 31 所示， 發(fā)送一條 信息 ， 從節(jié)點(diǎn) A開(kāi)始廣播 ，向 B 和 C 發(fā)送消息， B 和 C 收到信息后，繼續(xù)向 D 廣播，使得網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都收到該信息。其傳輸?shù)倪^(guò)程是源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) ，首先將數(shù)據(jù)分組傳送給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，然后鄰居節(jié)點(diǎn)再將其發(fā)送給除了源節(jié)點(diǎn)以外的鄰居節(jié)點(diǎn)。 Flooding 協(xié)議及 Gossiping協(xié)議 洪泛 路由協(xié)議 [15]（ Flooding Protocol）是所有路由 技術(shù)中最經(jīng)典、最簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)路由協(xié)議 ，適用于小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并要求這個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有較長(zhǎng)的存活周期長(zhǎng) 。平面路由協(xié)議 所具有 的優(yōu)點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 、其 健壯性 較好 ；缺點(diǎn)是：可擴(kuò)展性較差。 平面路由協(xié)議 在平面路由協(xié)議中的所有節(jié)點(diǎn) 在等級(jí)和層次 上不存在任何 的差異， 因此 它們具有相同的地位。 從路由協(xié)議的分類和設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)所需要考慮的因素來(lái)看，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)出的 路由協(xié)議 既要滿足所應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)所需的功能，也要減少在網(wǎng)絡(luò)中的能量開(kāi)銷，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能源有效性獲得整體提高 。 4．依據(jù)路由選擇是否考慮服務(wù)質(zhì)量（ QOS）約束 在建立路由時(shí)，從時(shí)延