【正文】 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)的路。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。 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)。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。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。 如下圖所示給每個(gè)模塊命名。 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。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。 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。單擊選中鏈路，單擊右鍵改變顏色和其他狀態(tài)。如下圖 38 所示。 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)。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。 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。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(kāi)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)。 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。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。 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。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)。 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。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)議是最早提出的分簇路由協(xié)議。 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。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。 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(jiǎn) 單的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究最熱門的技術(shù)之一。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)。 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。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。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(kāi)銷。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。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。 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。 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。 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。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。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的通信能耗比重最大，所以不考慮感知能耗。 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。 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。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。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。路徑最小能量 MPE 是從觀測(cè)節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)某路徑上節(jié)點(diǎn)能量的最小值，它體現(xiàn)了該路徑的能量瓶頸或最長(zhǎng)可能接續(xù)時(shí)間；最大最小能量 MaxMPE 是從觀測(cè)節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)之間多條路徑的最大值，它是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與觀測(cè)節(jié)點(diǎn) Directed Diffusion Core App Filter F1 FilterF2 27 間多條路徑的能量瓶頸評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；最小跳 MHC 是觀測(cè)節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)多條路徑跳數(shù)的最小值，反映了路徑的最優(yōu)延遲指標(biāo)。 圖 36 基于 DD 的節(jié)點(diǎn)信息處理流程圖 算法描述 對(duì)傳統(tǒng) DD 的改進(jìn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：梯度建立、節(jié)點(diǎn)選擇和路徑維護(hù)。如圖 36 所示是基于 DD 的節(jié)點(diǎn)信息處理流程。它的主要步驟包括：興趣 (Interest)通告、興趣匹配、梯度建立、路徑維護(hù)、數(shù)據(jù)聚合和下一跳選擇。 [4] 基于定向擴(kuò)散路由的 QoS 路由擴(kuò)展 定向擴(kuò)散路由（ DD）及 其擴(kuò)展機(jī)制 DD 為缺乏全局地址標(biāo)識(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種以數(shù)據(jù)為中心，依賴局部梯度(gradient)信息選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)散和網(wǎng)間數(shù)據(jù)聚合處理的數(shù)據(jù)分發(fā)模式。通過(guò)其他輔助信息 (如地理信息等 )或設(shè)定更新閾值可限制泛洪范圍和降低泛洪頻率。另外，能力有限的傳感節(jié)點(diǎn)采用依靠鄰居節(jié)點(diǎn)信息的分布式計(jì)算。 [4] QoS 路由計(jì)算 多約束 QoS 路由選擇通常是 NP 完全問(wèn)題 ,可用去度量相關(guān)性或轉(zhuǎn)化為單一度量來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜度。 [4] QoS 路由策略分析 QoS 度量選擇 可選 QoS 度量包括時(shí)延、帶寬、分組丟失率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等，它的選擇反映了網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和應(yīng)用需求。隨著研究和應(yīng)用的不斷深入，不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量 (QoS)提出了不同的要求，如：軍用監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ,對(duì)某區(qū)域關(guān)鍵參數(shù) (如空氣中的放射物質(zhì)濃度 )的周期性測(cè)量，要求傳輸可靠的檢測(cè)結(jié)果，盡可能低的分組丟失率；而在事件驅(qū)動(dòng)的敵方目標(biāo)識(shí)別和跟蹤中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸則對(duì)延遲和抖動(dòng)非常敏感。這些都是我們?cè)诩茉O(shè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中 應(yīng)該特別留意的方面。 結(jié)果分析 在模型中，我們可以看出定向擴(kuò)散路由協(xié)議的若干特性。 所以來(lái)說(shuō)，能量與延遲是負(fù)增長(zhǎng)。但是選擇的路徑不一定就是最佳路徑，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)可能會(huì)比較長(zhǎng)。根據(jù)需求分析，在場(chǎng)景中我們?cè)O(shè)置了，在一個(gè)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)符合 sink 發(fā)送的興趣，分析數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中時(shí)延和能量的變化。 （ a)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)延遲變化 23 （ b）節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化圖 （ c）各類 mode 剩余能量變化情況 24 （ d）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)延遲變化、總能量和剩余能量 圖 35 仿真波形圖 由于我們進(jìn)行路徑 選擇的規(guī)則是，向剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)建立最大梯度，因此，我們選擇對(duì)剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行觀察。 total_energy_consume+=RECV_CONTROL_MESSAGE_ENERGY。 total_energy_consume+=TX_RF*DATA_MESSAGE。 total_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 total_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。 Energy_stathandle_ptrremain_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。關(guān)于能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題， 22 參考如下語(yǔ)句 [3] 剩余能量變化： Energy_stathandle_ptrremain_energy=TX_RF*CONTROL_MESSAGE Energy_stathandle_ptrremain_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。 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。 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)。 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。 圖 33 sink_gene 進(jìn)程 21 在興趣設(shè)定過(guò)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(guò)來(lái)建立梯度網(wǎng)的必要屬性。 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(jiàn)到的 sink_gene 進(jìn)程的各個(gè)模塊。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。 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。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。在 傳感器網(wǎng)絡(luò)之中，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)建立梯度來(lái)“引導(dǎo)”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。總體而言，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。 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)。 18 第三章 基于 OPNET 的無(wú)線傳感器路由仿真 為了比較無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)劣，探索無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢(shì)，本文選取無(wú)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)。分簇式相對(duì)于前兩種方式來(lái)說(shuō)，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。 由上表可見(jiàn)，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。其中，如何提 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 GEM 是 好 好 好 GRWLI 是 好 好 很好 LEACH 是 不好 好 很好 GAF 是 不好 好 很好 坐 標(biāo) 分 簇 17 供有效的節(jié)能，即能量有效性是無(wú)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)