【正文】 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 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 17 供有效的節(jié)能，即能量有效性是無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足的基本要求，而快速收斂性和網(wǎng) 絡(luò)存在的時(shí)間有緊密的聯(lián)系。依據(jù)上述四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本文所列舉的路由協(xié)議的比較見(jiàn)表 21。 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。而坐標(biāo)式彌補(bǔ)了廣播式的不足，可以同時(shí)達(dá)到四個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。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(mǎn)足人們對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般要求。所以，以能量高效、可擴(kuò)展性、魯棒性和快速收斂性四個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量路由協(xié)議，分簇式是最佳的選擇。 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 18 第三章 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器路由仿真 為了比較無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)劣，探索無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢(shì)，本文選取無(wú)線(xiàn)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)。 通過(guò)對(duì)定向擴(kuò)散路由的模式分析，了解 DD 路由的運(yùn)做過(guò)程，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析； 通過(guò)對(duì) QoS 路由策略分析，基于 DD路由（ DirectedDiffusion）對(duì) QoS 路由擴(kuò)展和改進(jìn)，比較傳統(tǒng) DD 與 QoS 路由在不同條件的性能，研究 QoS 路由的優(yōu)勢(shì)； 通過(guò)對(duì)分簇路由協(xié)議中 LEACH 協(xié)議研究和算法的分析，將其與 另一種簡(jiǎn)單的直接傳輸（ Direct Trans）協(xié)議進(jìn)行比較，從 OPNET 的分析結(jié)果中研究分簇路由的優(yōu)勢(shì)。 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)。 興趣即對(duì)一個(gè)具體要求的描述，為了取得數(shù)據(jù)，每一個(gè)興趣都包含了某個(gè)受傳感器網(wǎng)絡(luò)支持的感應(yīng)任務(wù)的描述?？傮w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。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成的感應(yīng)現(xiàn)象的簡(jiǎn)要說(shuō)明為“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。感應(yīng)任務(wù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)里是以對(duì)被命名數(shù)據(jù)的興趣的形式建立拓?fù)涞?。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。 (a) 興趣擴(kuò)散 Sink 節(jié)點(diǎn) 興趣 源節(jié)點(diǎn) 事件 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 19 (b) 路徑選擇 (c) 路徑加強(qiáng)和數(shù)據(jù)傳輸 圖 31 定向擴(kuò)散模式流程 運(yùn)行仿真 在仿真模型中，設(shè)定了一個(gè) sink 節(jié)點(diǎn)和多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，這些感應(yīng)節(jié)點(diǎn)有些作為源節(jié)點(diǎn)，有些作為中繼節(jié)點(diǎn)，有些則在某次任務(wù)中暫時(shí)不發(fā)揮作用。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。 SINK 節(jié)點(diǎn) 如圖 32 所示，描繪了在節(jié)點(diǎn)編輯器中看到 sink 節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程流圖。 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。 事件 Sink 節(jié)點(diǎn) 梯度 源節(jié)點(diǎn) 事件 Sink 節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn) 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 20 圖 32 sink 節(jié)點(diǎn) 接下來(lái)主要介紹 sink 和 sink_gene 進(jìn)程 : 在 sink 進(jìn)程中，我進(jìn)行了一些對(duì) sink 節(jié)點(diǎn)的設(shè)定。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。節(jié)點(diǎn)的能量也是可以耗盡的，我們?cè)O(shè)定了一個(gè)標(biāo)識(shí)符以及對(duì)一些特定時(shí)刻的記 錄，這些將會(huì)在對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理的時(shí)候發(fā)揮作用。 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。在進(jìn)程中，我們?cè)O(shè)定包間隔是隨機(jī)變量，以模仿在實(shí)際情況中因地形、傳輸方式、地理距離等不可測(cè)情況的區(qū)別而造成的時(shí)延。 圖 33 sink_gene 進(jìn)程 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 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(lèi)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。值得一提的是“ sequence”，它標(biāo)記隊(duì)列中的興趣序號(hào)，我們以此表示某個(gè)具體的興趣，在實(shí)際應(yīng)用中，各種具體的興趣也是可以數(shù)字化的，所以，我們認(rèn)為這樣的設(shè)置方式也是具有普遍意義的。 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。他們分別的作用是節(jié)點(diǎn)中的包的建立和對(duì)包傳輸進(jìn) 行處理從而建立拓?fù)?，并判斷?jié)點(diǎn)在特定情況下的角色等。 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)。其中，剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲都是局部變量，它們都反映了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化。 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。具體的設(shè)置如下： define RECV_CONTROL_ENERGY RX_ENERGY*CONTROL_MESSAGE define RECV_DATA_ENERGY RX_ENERGY*DATA_MESSAGE define TRANS_CONTROL_ENERGY TX_RF*CONTROL_MESSAGE define TRANS_DATA_ENERGY TX_RF*DATA_MESSAGE cost 數(shù)組反映了，我們所規(guī)定的節(jié)點(diǎn)在扮演不同類(lèi)型的角色時(shí)，它們的能量消耗情況，這些消耗值是有差別的，個(gè)體能量消耗可以根據(jù)要求具體設(shè)置。關(guān)于能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題， 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 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。 Energy_stathandle_ptrremain_energy=RECV_DATA_ENERGY。 Energy_stathandle_ptrremain_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 總能量變化： total_energy=TX_RF*CONTROL_MESSAGE。 total_energy=TX_RF*DATA_MESSAGE。 total_energy=RECV_DATA_ENERGY。 total_energy=RECV_CONTROL_ENERGY。 總能量支出變化： total_energy_consume+=TX_RF*CONTROL_MESSAGE。 total_energy_consume+=TX_RF*DATA_MESSAGE。 total_energy_consume+=RECV_DATA_ENERGY。 total_energy_consume+=RECV_CONTROL_MESSAGE_ENERGY。 數(shù)據(jù)延遲反映了網(wǎng)絡(luò)性能的變化，因?yàn)槲覀儾扇×藢?duì)剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的方法，所以，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)總是傳輸數(shù)據(jù)而將能量快速消耗的情況。 （ a)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)延遲變化 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 23 （ b）節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化圖 （ c） 各類(lèi) mode 剩余能量變化情況 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 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。 下面來(lái)分析一下我們得到的仿真波形圖 35。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。由圖可以看到，我們?cè)趨f(xié)議中是以剩余能量為路由選擇參數(shù)的，這可以增加每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命，即剩余能量變化比較平緩 。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)。隨著時(shí)間變化，時(shí)延的增加，這是因?yàn)楦鶕?jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的變化，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂揭矊?huì)發(fā)生變化。 所以來(lái)說(shuō)，能量與延遲是負(fù)增長(zhǎng)。因此定向擴(kuò)散協(xié)議比較適合對(duì)節(jié)點(diǎn)壽命要求比較高、對(duì)時(shí)延要求比較低的場(chǎng)合。 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。第一，通過(guò)建立梯度可是在眾多路徑中建立起唯一的最優(yōu)路徑，而這個(gè)最優(yōu)路徑就是最節(jié)能的；第二，通過(guò)監(jiān)測(cè) 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 25 屬性的變化來(lái)對(duì)路徑進(jìn)行評(píng)估，然后對(duì)特定的路徑進(jìn)行加強(qiáng)或者削弱；第三，在 OPNET 平臺(tái)上，定向擴(kuò)散路由的一些參數(shù)是隨機(jī)設(shè)置的，而在實(shí)際的監(jiān)測(cè)中，它們都將是特定的一些值，而梯度也會(huì)因此被賦予具體。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。 QoS 路由仿真與分析 目前 ,已提出的很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，但是很大一部分都是假定服務(wù)基于單一的盡力而為模型。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。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要求提供有保證的差別服務(wù) ,同時(shí)能在全網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的充分有效利用， QoS路由是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。 [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。這里 ,以網(wǎng)絡(luò)生存期為優(yōu)化目標(biāo) ,選擇路徑節(jié)點(diǎn)最小剩余能量、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)以及分組丟失率等作為 QoS 路由度量。 [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。本章對(duì)多約束度量采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度法：將入選 QoS 度量依需求按優(yōu)先級(jí)排序，路徑選擇按優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行，下一級(jí)度量計(jì)算基于前一級(jí)所得的路徑子集，直到滿(mǎn)足所有 QoS 度量。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。 QoS 路由維護(hù) 路由更新的頻率和消息的大小應(yīng)在路由開(kāi)銷(xiāo)和計(jì)算準(zhǔn)確性上折衷。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。路由建立或維護(hù)時(shí) 基于 OPNET 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 26 機(jī)基于按需驅(qū)動(dòng)模式，可在連接未斷時(shí)提供軟 QoS 保證；鏈路失效時(shí) ,需 通過(guò)備份路徑、路徑修復(fù)以及自適應(yīng)等機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量的平滑過(guò)渡。 [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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種以數(shù)據(jù)為中心，依賴(lài)局部梯度(gradient)信息選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)