基于opnet的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究本科生畢業(yè)論文

本科生畢業(yè)論文(設(shè)計) 題目：基于OPNET的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究

目錄TOC\o"1-3"\h\z\u15149摘要 引言近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用變得范圍越來越廣。在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、工業(yè)控制、科學(xué)研究、軍事、智能家居、智能辦公環(huán)境等方面都表現(xiàn)出巨大的前景。我們可以大膽的預(yù)見到，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會無處不在，將會完全融入我們的生活?？梢哉f，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是信息感知和采集的一場革命，是21世紀(jì)最重要技術(shù)之一?？傮w而言，該領(lǐng)域的研究目前還處于起步階段，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)還存在很多的不足，在很多領(lǐng)域還無法實現(xiàn)。毋庸置疑，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?jié)摿志薮?，也還有很多的地方需要我們?nèi)ヌ剿骱退伎?。本文基于OPNET仿真平臺，首先通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本原理和OPNET平臺操作的學(xué)習(xí)了解；其次對現(xiàn)存的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行研究分類，并研究和對比分析了各類路由協(xié)議的核心算法和路由機制；再次利用OPNET對其中典型的路由——DD協(xié)議、LEACH路由協(xié)議和QoS路由進(jìn)行仿真模擬，同時對比其他路由協(xié)議進(jìn)行仿真實驗，從具體的數(shù)據(jù)上探究不同路由機制優(yōu)缺點，從而對現(xiàn)存無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由進(jìn)行深入的研究；最后總結(jié)出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的一般規(guī)律、研究方向和發(fā)展趨勢。第一章緒論1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即wirelesssensornetwork，簡稱WSN。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成的一個多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。每一個傳感器節(jié)點都由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、AID轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理、控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、AC/DC能量轉(zhuǎn)換器)組成。節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)的采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或組頭、簇頭節(jié)點的角色。作為數(shù)據(jù)采集者時，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(如溫度、濕度等)，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站(BaseStation)或匯節(jié)點(SinkNode)。作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站時，節(jié)點除了完成采集任務(wù)之外，還要接收鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或者匯節(jié)點，作為簇頭節(jié)點時，節(jié)點負(fù)責(zé)收集該簇內(nèi)所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合之后，發(fā)送到基站或者匯節(jié)點。[1]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、噪聲、濕度、光強度、土壤成分、壓力、移動物體的大小、方向和速度等周邊環(huán)境中多種多樣現(xiàn)象?；跓o線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和MEMS的微傳感技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、防爆、反恐、醫(yī)療、救災(zāi)、環(huán)境、保健、工業(yè)、家居、商業(yè)等領(lǐng)域。1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、可靠性、動態(tài)性、以數(shù)據(jù)為中心、集成化、協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)、具有密集的節(jié)點布置、自組織方式等特點。WSN并不界定網(wǎng)路型態(tài)，就是可以是star、mesh、P2P或者綜合以上型態(tài)的網(wǎng)路，但都一定具備下列的功能：

1、Sensors/microcontroller：偵測、搜集以及處理環(huán)境中包含的資料，例如偵測濕度、溫度等。

2、Radiofrequency：gateway或節(jié)點用以收發(fā)資料。

3、Software：包含在節(jié)點端的嵌入式系統(tǒng)以及使用者端的管理程式，軟體確保資料感測的功能進(jìn)行流暢及提供容易閱讀的介面。1.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常都會包括傳感器節(jié)點EndDevice、匯聚節(jié)點Router和管理節(jié)點Coordinator，如圖1-1所示：節(jié)點Coordinator，如圖1-1所示：ED互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星ED互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星BC匯聚節(jié)點BC匯聚節(jié)點AA任務(wù)管理節(jié)點任務(wù)管理節(jié)點監(jiān)測區(qū)域用戶監(jiān)測區(qū)域用戶傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點圖1-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大量的傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或者附近，能夠通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳的進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點處理能力、存儲能力和通信的能力都相對較弱，通過小容量電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點除了要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理之外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)點進(jìn)行協(xié)作完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力就相對較強，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給、更多的Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)中，通過匯編軟件，可很便捷地把獲取的信息轉(zhuǎn)換為匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點所存儲的程序代碼、路由協(xié)議和密鑰等信息，同時也可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點當(dāng)中。[1] 管理節(jié)點是用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的資源。處理器 傳感器AC/DC網(wǎng)絡(luò)MAC 收發(fā)器儲存器傳感器模塊處理器模塊無線通信模塊能量供應(yīng)模塊圖1-2無線傳感器節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點通常由四部分組成（如圖1-2）：1、傳感器模塊：用來監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；2、處理器模塊：用來控制整個傳感器節(jié)點的操作、存儲和處理數(shù)據(jù)；3、無線通信模塊：用來與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集消息，它有四種狀態(tài)：發(fā)送、接受、空閑、睡眠；4、能量供應(yīng)模塊：用來為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常會采用微電池型。1.1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧多采用五層協(xié)議：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，是與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)的。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓?fù)涔芾砥?、任?wù)管理器。這些管理器使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效方式進(jìn)行協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)去中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且支持多任務(wù)和資源共享，如圖1-3所示。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層移動管理平臺能量管理平臺任務(wù)管理平臺物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層移動管理平臺能量管理平臺任務(wù)管理平臺圖1-3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層協(xié)議、管理器的功能如下：1、物理層提供簡單并且健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；2、數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問、差錯控制；3、網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與選擇；4、傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要組成部分；5、應(yīng)用層通常包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件；6、能量管理器是管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮到節(jié)省能量；7、移動管理器檢測并且注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點的路由，使傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；8、任務(wù)管理器在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡、調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。1.1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為，目前新領(lǐng)域新的研究熱點，是涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，還有很多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和探索，下面就列舉部分關(guān)鍵技術(shù)：1、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)對于無線自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)具有極其重要的意義。與此同時，拓?fù)浼夹g(shù)對路由協(xié)議性能的影響也非常大。通過拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即能提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的使用效率，又可以為數(shù)據(jù)融合、時間同步等多個方面奠定基礎(chǔ)，有利于用節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)現(xiàn)在研究的主要問題是在滿足網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度和覆蓋度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點的選擇，剔除節(jié)點之間一些不必要的無線通信鏈路，生成一個高效率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2、路由控制技術(shù)保證數(shù)據(jù)的傳輸，在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立可靠的路由是路由協(xié)議的目的。首先，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多，沒有采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址；此外，節(jié)點能量有限并且大都處于靜止?fàn)顟B(tài)等特點，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)不能采用傳統(tǒng)的基于IP的路由協(xié)議。而Adhoe網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的路由協(xié)議，如基于距離矢量的按需路由(AdhocOnDemandDistanceVector，AODV)協(xié)議等，不完全適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須考慮有效地使用能量，以數(shù)據(jù)為中心，或者利用地理位置信息進(jìn)行路由。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一套新型的適合自身的路由協(xié)議，對我們提出了設(shè)計可靠、講究能量效率，且能保證網(wǎng)絡(luò)能量消耗平衡的路由協(xié)議要求。3、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常都會布置在無人維護(hù)、不可控制的環(huán)境情況中，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性一直是一個很大的挑戰(zhàn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有一般無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、重放攻擊、信息篡改、拒絕服務(wù)等多種威脅之外，還面臨著傳感器節(jié)點被攻擊者操縱，并獲取存儲在傳感器節(jié)點的信息，從而控制部分網(wǎng)絡(luò)的威脅。另外，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，安全的概念也發(fā)生了變化，隱私保護(hù)是極其重要，而授權(quán)重要性卻降低。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全研究僅僅處于初級階段，要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和安全的威脅，研究新型的安全的優(yōu)化的路由協(xié)議。1.2OPNET簡介OPNET是一個網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。在網(wǎng)絡(luò)模型中的任何地方都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出能夠以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察、輸出到第三方的軟件包去。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通常有三個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在電信、航天航空、軍事、系統(tǒng)集成、大學(xué)、咨詢服務(wù)、行政機關(guān)等方面被廣泛應(yīng)用。1.2.1OPNETModeler的主要特性O(shè)PNETModeler的主要特性包含以下幾點：1、層次化的網(wǎng)絡(luò)模型OPNETModeler提供了三層建模機制，分別在進(jìn)程層、節(jié)點層、網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行由下到上的建模機制。進(jìn)程模型的基礎(chǔ)是用有限狀態(tài)機FSM(FiniteStateMachine)來描述各種協(xié)議。各個狀態(tài)再分別進(jìn)行編程實現(xiàn)。節(jié)點模型由進(jìn)程模型構(gòu)成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實的描繪所建模設(shè)備的特性。各模塊間通過數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來進(jìn)行各種操作，從而實現(xiàn)設(shè)備的功能。2、簡單明了的建模方法Modeler建模過程分為3個層次：過程層次、節(jié)點層次以及網(wǎng)絡(luò)層次。在過程層次模擬單個對象的行為，在節(jié)點層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組成網(wǎng)絡(luò)。幾個不同的網(wǎng)絡(luò)場景組成項目，用來比較不同的設(shè)計方案。這也是Modeler建模的重要機制，這種機制對項目的管理和分工很有幫助。3、有限狀態(tài)機在過程層次使用有限狀態(tài)機來對協(xié)議及其他過程進(jìn)行建模，在有限狀態(tài)機的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中使用C/C++語言對任何過程進(jìn)行模擬。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細(xì)程度。有限狀態(tài)機加上標(biāo)準(zhǔn)的C/C++以及OPNET本身提供的400多個庫函數(shù)構(gòu)成了Modeler編程的核心。4、對協(xié)議編程的全面支持支持400多個庫函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡潔的協(xié)議模型。OPNET的核心已經(jīng)存儲了眾多協(xié)議，因此對于很多協(xié)議，無需進(jìn)行額外的編程。5、系統(tǒng)的完全開放性Modeler中源碼全部開放，用戶可以根據(jù)個人的需要添加或者修改已有的源碼。6、集成調(diào)試器快速地驗證仿真或者發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問題，OPNET本身有自己的調(diào)試工具——OPNETDebugger。另外，OPNET在Windows平臺下還支持和編程語言VC的聯(lián)合調(diào)試。1.2.2OPNET的安裝由于OPNET軟件不為眾人所熟悉，筆者在安裝過程也頗為坎坷，所以特此附上OPNET的安裝的簡單過程：安裝好VC6.0，并選擇自動配置環(huán)境變量；圖1-4OPNET安裝環(huán)境變量的配置下載OPNET安裝文件，按:models_14.5.A_PL1_27-Feb-2008.exeWindowsmodeler_docs_145A_7015_28Jan2008.exe,Windows\modeler_145A_7116.exe的順序安裝，即可安裝完成。圖1-5OPNET安裝圖1.2.3OPNET仿真OPNET提供了三層機制，分別為：進(jìn)程層、節(jié)點層、網(wǎng)絡(luò)層。其中，在進(jìn)程層對每個對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理仿真；在節(jié)點層，對進(jìn)程層的對象進(jìn)行互連形成設(shè)備；在網(wǎng)絡(luò)層，將設(shè)備通過鏈路連接成網(wǎng)絡(luò)，將多個網(wǎng)絡(luò)場景交織在一起，形成工程，就是我們所說的仿真平臺，具體流程如圖1-6所示。開始理解系統(tǒng) 理解系統(tǒng)理解仿真目的理解仿真目的選擇需要建模的方面選擇需要建模的方面定義輸入和輸出定義輸入和輸出確定系統(tǒng)模型確定系統(tǒng)模型確定運行仿真確定運行仿真否系統(tǒng)結(jié)果精確？否系統(tǒng)結(jié)果精確？是是否否結(jié)果足夠詳細(xì)？否否結(jié)果足夠詳細(xì)？結(jié)束結(jié)束結(jié)果統(tǒng)計可用？結(jié)果統(tǒng)計可用？結(jié)束結(jié)束圖1-6OPNET仿真流程圖第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的路由具有很大的差別。盡管它和無線自組織網(wǎng)絡(luò)都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，但二者存在著很大的差異。這使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和MANET的路由協(xié)議均不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計新的路由協(xié)議，使之有效地保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的正常實施。2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議負(fù)責(zé)在匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。由于其應(yīng)用相關(guān)性，單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求,因而研究人員提出了多種不同的路由協(xié)議。但到目前為止，還是缺乏一個完整和清晰的路由協(xié)議分類。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，它具有能量優(yōu)先、基于局部的拓?fù)湫畔ⅰ⒁詳?shù)據(jù)為中心和應(yīng)用相關(guān)四個特點，因而，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計路由機制時，從四個方面衡量路由協(xié)議的優(yōu)劣：1、能量高效傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，更要能量均衡消耗，實現(xiàn)簡單而且高效的傳輸，盡可能地延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。2、可擴(kuò)展性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是永遠(yuǎn)不變的，而且很容易造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議有可擴(kuò)展性，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。具體表現(xiàn)于傳感器的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)時間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。3、魯棒性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點的能量耗盡造成傳感器的失效、通信質(zhì)量的降低使網(wǎng)絡(luò)變得不可靠，所以在路由協(xié)議的設(shè)計過程中必須考慮軟硬件的高容錯性，保障網(wǎng)絡(luò)的健壯性。4、快速收斂性由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，要求路由協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，提高帶寬和節(jié)點能量等有限資源的利用率和消息傳輸效率。本文根據(jù)不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模型,對目前的路由協(xié)議作了以下四種分類：廣播式路由協(xié)議、坐標(biāo)式路由協(xié)議、分簇式路由路由和QoS的路由協(xié)議，并對各類路由協(xié)議進(jìn)行了分析。2.2.1廣播式路由協(xié)議1、擴(kuò)散法（Flooding）擴(kuò)散法是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議。它實現(xiàn)簡單，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯崿F(xiàn)復(fù)雜的路由算法消耗計算資源，適用于健壯性要求高的場合。但是，擴(kuò)散法存在信息爆炸問題，即能出現(xiàn)一個節(jié)點可能得到數(shù)據(jù)多個副本的情況，并且也會出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，另外，擴(kuò)散法沒有計算各個節(jié)點的能量，不能作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個節(jié)點能量耗盡時，網(wǎng)絡(luò)就會消滅。具體實現(xiàn)：節(jié)點A希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B，節(jié)點A首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個鄰居節(jié)點，每一個鄰居節(jié)點又將其傳給除A外的其他的鄰居節(jié)點，直到將數(shù)據(jù)傳到B為止或者為該數(shù)據(jù)設(shè)定的生命期限變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點擁有此副本為止。2、定向路由擴(kuò)散DD（DirectedDiffusion）它通過泛洪方式給所有的傳感器節(jié)點廣播興趣消息，伴隨興趣消息在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點到基站或者匯聚節(jié)點的傳輸梯度。該協(xié)議通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由達(dá)到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的，因此可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量、延長系統(tǒng)的生存期。然而，路徑建立時的興趣消息擴(kuò)散要執(zhí)行一個泛洪廣播操作，時間和能量消耗非常大。具體實現(xiàn)：首先是興趣消息擴(kuò)散，每個節(jié)點都在本地保存一個興趣列表，其中專門存在一個表項用來記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時間戳等相關(guān)信息，之后建立傳輸梯度。數(shù)據(jù)沿著建立好的梯度路徑傳輸。3、謠傳路由（RumorRouting）D.Braginsky等人提出的適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。它的基本思想是時間監(jiān)測區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機路徑向鄰居節(jié)點擴(kuò)散傳播。同時，基站或者匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢消息也會沿著隨機路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。當(dāng)查詢消息和代理消息的傳播路徑交叉在一起時就會形成一條基站或匯聚節(jié)點到時間監(jiān)測區(qū)域的完整路徑。具體實現(xiàn)：每個傳感器節(jié)點維護(hù)一個鄰居列表和一個事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點監(jiān)測到一個事件發(fā)生時，在事件列表中增加一個表項并根據(jù)概率產(chǎn)生一個代理消息，代理消息是一個包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過的節(jié)點，收到代理消息的節(jié)點檢查表項進(jìn)行更新和增加表項的操作。節(jié)點根據(jù)事件列表到達(dá)事件區(qū)域的路徑，或者節(jié)點隨機選擇鄰居轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。4、SPIN（SensorProtocolsforInformationviaNegotiation）W.Heinzelman等人提出的一種自適應(yīng)的SPIN路由協(xié)議。該協(xié)議假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都是Sink節(jié)點，每一個節(jié)點都有用戶需要的信息，而且相鄰的節(jié)點擁有類似的數(shù)據(jù)，所以只要發(fā)送其他節(jié)點所沒有的數(shù)據(jù)。SPIN協(xié)議通過協(xié)商完成資源自適應(yīng)算法，即在發(fā)送真正數(shù)據(jù)之前，經(jīng)過協(xié)商壓縮重復(fù)的信息，避免冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送；另外，SPIN協(xié)議有權(quán)訪問每個節(jié)點的當(dāng)前能量水平，根據(jù)節(jié)點剩余能量水平調(diào)整協(xié)議，所以可以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。具體實現(xiàn)：SPIN采用了3種數(shù)據(jù)包來通信：ADV用于新數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播；REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點希望接收數(shù)據(jù)時，發(fā)送該報文；DATA包含帶有Meta-data頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文；當(dāng)一個傳感器節(jié)點在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點廣播式地發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包，如果一個鄰居希望接收該DATA數(shù)據(jù)包，則像該節(jié)點發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點向其鄰居節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。5、GEAR（GeographicalandEnergyAwareRouting）Y.Yu等人提出了GEAR路由協(xié)議，即根據(jù)時間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點到時間區(qū)域的優(yōu)化路徑。把GEAR劃分為廣播式路由協(xié)議有點不合適，但是由于它是在利用地理信息的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)發(fā)送到合適的區(qū)域，而且又是基于DD提出，這里仍然作為廣播式的一種。具體實現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，先檢查是否有鄰居比它更接近目標(biāo)區(qū)域。如有就選擇離目標(biāo)區(qū)域最近的節(jié)點作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴(kuò)散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。2.2.2坐標(biāo)式路由協(xié)議1、GEM（GraphEmbedding）J.Newsome和D.Song提出了建立一個虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)GEM路由協(xié)議，用來代表實際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形成一個以基站或匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹。每個節(jié)點用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個參數(shù)表示：具體實現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個階段：由跳數(shù)建立路由并擴(kuò)展到整個網(wǎng)絡(luò)形成生成樹型結(jié)構(gòu)，再從葉節(jié)點開始反饋子樹的大小，即樹中包含的節(jié)點數(shù)目，最后確定每個子節(jié)點的虛擬角度范圍。建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標(biāo)算法發(fā)送消息，即節(jié)點收到消息檢查是否在自己的角度范圍之內(nèi)，不在就向父節(jié)點傳遞消息，直到消息到達(dá)包含目的位置角度的節(jié)點。另外，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要及時更新，如節(jié)點加入和節(jié)點失效。2、GRWLI（GeographicRoutingWithoutLocationInformation）A.Rao等人提出了建立全局坐標(biāo)系的路由協(xié)議，其前提是需要少數(shù)節(jié)點精確位置信息。首先確定節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)路由。關(guān)鍵是利用某些知道自己位置信息的信標(biāo)節(jié)點確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置。具體實現(xiàn)：A.Rao等人提出了3中策略確定信標(biāo)節(jié)點。一是確定邊界節(jié)點都為信標(biāo)節(jié)點，則非邊界節(jié)點通過邊界節(jié)點確定自己的位置信息。在平面情況下，節(jié)點通過鄰居節(jié)點位置的平均值計算。二是使用兩個信標(biāo)節(jié)點，則邊界節(jié)點只知道自己處于網(wǎng)絡(luò)邊界不知道自己的精確位置消息。引入兩個信標(biāo)節(jié)點，并通過邊界節(jié)點交換信息建立全局坐標(biāo)系。三是使用一個信標(biāo)節(jié)點，到信標(biāo)節(jié)點最大的節(jié)點標(biāo)記自己為邊界節(jié)點。2.2.3分簇式路由協(xié)議為了保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性而且不降低服務(wù)質(zhì)量，很多路由協(xié)議的設(shè)計中使用了分簇的思想。通過將整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分為若干個簇，每個簇中選舉一個簇頭，通過多跳通信及數(shù)據(jù)融合來減少傳送到匯聚節(jié)點的信息量，從而節(jié)約能量消耗。LEACH協(xié)議是最早的分簇協(xié)議，許多其他層次路由協(xié)議都是基于LEACH的。1、LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器設(shè)計的一種分簇路由算法，它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點，平均分配整個網(wǎng)絡(luò)的能量到每個傳感器節(jié)點，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。簇首的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)，簇首的選取一般基于節(jié)點的剩余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點的距離、簇首的位置和簇內(nèi)的通信代價。簇首的產(chǎn)生算法可以被分為分布式和集中式兩種。與節(jié)點直接與匯聚節(jié)點通信相比，LEACH協(xié)議降低了7倍的能耗，與最小傳輸能量路由相比，其降低了4到8倍的能耗。但利用LEACH算法選舉出的簇頭分布不均勻，且不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)及能量不均衡的網(wǎng)絡(luò)。具體實現(xiàn)：LEACH不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點的選擇、簇首節(jié)點的廣播、簇首節(jié)點的建立和調(diào)度機制的生成。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。每個節(jié)點隨機選一個值，小于某閾值的節(jié)點就成為簇首節(jié)點，之后廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點將信息融合后送給匯聚點。一段時間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。2、GAF（GeographicAdaptiveFidelity）Y.Xu等人提出的一種利用分簇進(jìn)行通信的路由算法。它最初是為移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計的，也可以適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其基本思想是網(wǎng)絡(luò)區(qū)被分成固定區(qū)域，形成虛擬網(wǎng)格，每個網(wǎng)格里選出一個簇首節(jié)點在某段時間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇首節(jié)點并不做任何數(shù)據(jù)匯聚或者融合工作。GAF算法即關(guān)掉網(wǎng)絡(luò)中不必要的節(jié)點節(jié)省能量，同樣可以達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。具體實現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點利用GPS接受卡指示的位置信息將節(jié)點本身與虛擬網(wǎng)格中某個點關(guān)聯(lián)映射起來。網(wǎng)格上同一個點關(guān)聯(lián)的節(jié)點對分組路由的代價是等價的，因而可以使某個特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點睡眠，而且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)的壽命，在可擴(kuò)展性上有很好的表現(xiàn)。2.2.4QoS路由協(xié)議除了上述三種路由協(xié)議分類之外，還有一些路由協(xié)議在路由建立時，需要考慮吞吐量、端到端時延等QoS性能參數(shù)，特別是在采集視頻和音頻數(shù)據(jù)時。QoS是一個提供軟實時端到端速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制及負(fù)載均衡的路由協(xié)議。該協(xié)議要求每個節(jié)點維護(hù)其鄰居信息，使用SNGF（statelessgeographicnon-deterministicforwarding）算法尋找路徑，并確保每個報文分組能以指定速度轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點。SPEED中的路由模塊SNGF和其它四個模塊一起構(gòu)成其協(xié)議的框架，其中信標(biāo)交換模塊主要是搜集節(jié)點的地理位置信息；延遲估計模塊主要計算數(shù)據(jù)包的傳輸延遲并將其發(fā)送給SNGF模塊；鄰居反饋模塊NFL主要提供數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)率并將其返回給SNGF模塊；反向重路由模塊主要通過向源節(jié)點發(fā)送回送消息來避免路由空洞。與MANET的DSR和AODV協(xié)議相比，SPEED在端到端時延、丟包率及能量消耗上均優(yōu)于二者。但是SPEED協(xié)議在路由過程沒有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命,傳輸?shù)膱笪囊矝]有優(yōu)先級機制.[2]2.2.5比較與分析表2-1三種協(xié)議性能比較能量高效可擴(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是受限好好坐標(biāo)坐標(biāo)GEM是好好好GRWLI是好好很好分簇分簇LEACH是不好好很好GAF是不好好很好 經(jīng)過上面的簡單介紹，每個協(xié)議在其設(shè)計的時候都有各自的側(cè)重點和最優(yōu)的方面，按照衡量標(biāo)準(zhǔn)可以把以上協(xié)議做簡略的比較并找出相對較好的一類協(xié)議。其中，如何提供有效的節(jié)能，即能量有效性是無線傳感器網(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)絡(luò)存在的時間有緊密的聯(lián)系。依據(jù)上述四個標(biāo)準(zhǔn)，對本文所列舉的路由協(xié)議的比較見表2-1。由上表可見，廣播式總是存在一種矛盾，當(dāng)具有好的擴(kuò)展性時勢必以差的魯棒性和能量高效為代價，即以犧牲魯棒性換取擴(kuò)展性和高能量，這同時也嚴(yán)重影響了節(jié)點的快速收斂性。而坐標(biāo)式彌補了廣播式的不足，可以同時達(dá)到四個衡量標(biāo)準(zhǔn)。分簇式相對于前兩種方式來說，具備了較好的性能，可以滿足人們對傳感器網(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基本標(biāo)準(zhǔn)來衡量路由協(xié)議，分簇式是最佳的選擇。第三章基于OPNET的無線傳感器路由仿真為了比較無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)劣，探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢，本文選取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個比較有代表性的路由在OPNET軟件上進(jìn)行了仿真實驗。1、通過對定向擴(kuò)散路由的模式分析，了解DD路由的運做過程，從而進(jìn)行仿真實驗和分析；2、通過對QoS路由策略分析，基于DD路由（DirectedDiffusion）對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；3、通過對分簇路由協(xié)議中LEACH協(xié)議研究和算法的分析，將其與另一種簡單的直接傳輸（DirectTrans）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。3.1定向擴(kuò)散路由仿真與分析3.1.1定向擴(kuò)散（DirectedDiffusion）路由模式分析定向擴(kuò)散包括以下幾個要素：“興趣”、數(shù)據(jù)消息、“梯度”以及路徑加強。興趣即對一個具體要求的描述，為了取得數(shù)據(jù)，每一個興趣都包含了某個受傳感器網(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)象的簡要說明為“事件”。在DD路由中，數(shù)據(jù)以“屬性對”的形式被命名的，如：“區(qū)域—湖南文理學(xué)院”、“編號——0010”等。感應(yīng)任務(wù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)里是以對被命名數(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)通過建立梯度來“引導(dǎo)”事件。事件事件源節(jié)點興趣源節(jié)點興趣Sink節(jié)點 Sink節(jié)點(a)興趣擴(kuò)散事件事件梯度源節(jié)點梯度源節(jié)點Sink節(jié)點 Sink節(jié)點(b)路徑選擇事件事件源節(jié)點源節(jié)點Sink節(jié)點 Sink節(jié)點 (c)路徑加強和數(shù)據(jù)傳輸圖3-1定向擴(kuò)散模式流程3.1.2運行仿真在仿真模型中，設(shè)定了一個sink節(jié)點和多個感應(yīng)節(jié)點，這些感應(yīng)節(jié)點有些作為源節(jié)點，有些作為中繼節(jié)點，有些則在某次任務(wù)中暫時不發(fā)揮作用。節(jié)點的角色是隨著任務(wù)的不同，以及目標(biāo)狀況不斷變換的。1、SINK節(jié)點如圖3-2所示，描繪了在節(jié)點編輯器中看到sink節(jié)點的進(jìn)程流圖。rec和trans分別表示收發(fā)機進(jìn)程，sink_gene表示了在sink節(jié)點中興趣產(chǎn)生進(jìn)程，sink表示對sink節(jié)點的控制進(jìn)程。圖3-2sink節(jié)點接下來主要介紹sink和sink_gene進(jìn)程:在sink進(jìn)程中，我進(jìn)行了一些對sink節(jié)點的設(shè)定。其中主要實現(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儲備，我們能夠動態(tài)模擬系統(tǒng)的能量變化情況。節(jié)點的能量也是可以耗盡的，我們設(shè)定了一個標(biāo)識符以及對一些特定時刻的記錄，這些將會在對節(jié)點進(jìn)行管理的時候發(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3-3所示，在進(jìn)程編輯器中見到的sink_gene進(jìn)程的各個模塊。在進(jìn)程中，我們設(shè)定包間隔是隨機變量，以模仿在實際情況中因地形、傳輸方式、地理距離等不可測情況的區(qū)別而造成的時延。圖3-3sink_gene進(jìn)程在興趣設(shè)定過程中，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“sequence”、時間戳“timestamp”的屬性，這些都是在興趣擴(kuò)散后反過來建立梯度網(wǎng)的必要屬性。值得一提的是“sequence”，它標(biāo)記隊列中的興趣序號，我們以此表示某個具體的興趣，在實際應(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。2、感應(yīng)節(jié)點如圖3-4所示，在感應(yīng)節(jié)點的設(shè)定中，process和trans兩個進(jìn)程是核心進(jìn)程。他們分別的作用是節(jié)點中的包的建立和對包傳輸進(jìn)行處理從而建立拓?fù)洌⑴袛喙?jié)點在特定情況下的角色等。圖3-4感應(yīng)節(jié)點3、仿真波形針對節(jié)點的剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行了仿真觀測。其中，剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲都是局部變量，它們都反映了一個節(jié)點的狀態(tài)變化。在我們的仿真中，我們設(shè)定了每個節(jié)點的總能量值以及在某些特殊情況下的節(jié)點能量消耗值。具體的設(shè)置如下：#defineRECV_CONTROL_ENERGYRX_ENERGY*CONTROL_MESSAGE#defineRECV_DATA_ENERGYRX_ENERGY*DATA_MESSAGE#defineTRANS_CONTROL_ENERGYTX_RF*CONTROL_MESSAGE#defineTRANS_DATA_ENERGYTX_RF*DATA_MESSAGEcost數(shù)組反映了，我們所規(guī)定的節(jié)點在扮演不同類型的角色時，它們的能量消耗情況，這些消耗值是有差別的，個體能量消耗可以根據(jù)要求具體設(shè)置。關(guān)于能量轉(zhuǎn)化問題，參考如下語句[3]剩余能量變化：Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=TX_RF*CONTROL_MESSAGEEnergy_stathandle_ptr->remain_energy-=TX_RF*DATA_MESSAGE;Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=RECV_DATA_ENERGY;Energy_stathandle_ptr->remain_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，因為我們采取了對剩余能量最多的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的方法，所以，不會出現(xiàn)某個節(jié)點總是傳輸數(shù)據(jù)而將能量快速消耗的情況。（a)節(jié)點數(shù)據(jù)延遲變化（b）節(jié)點數(shù)量變化圖（c）各類mode剩余能量變化情況 （d）節(jié)點數(shù)據(jù)延遲變化、總能量和剩余能量 圖3-5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)點建立最大梯度，因此，我們選擇對剩余能量、總能量和數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行觀察。下面來分析一下我們得到的仿真波形圖3-5。根據(jù)需求分析，在場景中我們設(shè)置了，在一個范圍內(nèi)的節(jié)點符合sink發(fā)送的興趣，分析數(shù)據(jù)傳輸過程中時延和能量的變化。由圖可以看到，我們在協(xié)議中是以剩余能量為路由選擇參數(shù)的，這可以增加每個節(jié)點的壽命，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可能會比較長。隨著時間變化，時延的增加，這是因為根據(jù)節(jié)點剩余能量的變化，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂揭矊l(fā)生變化。所以來說，能量與延遲是負(fù)增長。因此定向擴(kuò)散協(xié)議比較適合對節(jié)點壽命要求比較高、對時延要求比較低的場合。3.1.3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，而這個最優(yōu)路徑就是最節(jié)能的；第二，通過監(jiān)測屬性的變化來對路徑進(jìn)行評估，然后對特定的路徑進(jìn)行加強或者削弱；第三，在OPNET平臺上，定向擴(kuò)散路由的一些參數(shù)是隨機設(shè)置的，而在實際的監(jiān)測中，它們都將是特定的一些值，而梯度也會因此被賦予具體。這些都是我們在架設(shè)實際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該特別留意的方面。3.2QoS路由仿真與分析目前,已提出的很多無線傳感器網(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)的周期性測量，要求傳輸可靠的檢測結(jié)果，盡可能低的分組丟失率；而在事件驅(qū)動的敵方目標(biāo)識別和跟蹤中，實時數(shù)據(jù)傳輸則對延遲和抖動非常敏感。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要求提供有保證的差別服務(wù),同時能在全網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源的充分有效利用，QoS路由是解決該問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。[4]3.2.1QoS路由策略分析1、QoS度量選擇可選QoS度量包括時延、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)點最小剩余能量、時延和時延抖動以及分組丟失率等作為QoS路由度量。[4]2、QoS路由計算多約束QoS路由選擇通常是NP完全問題,可用去度量相關(guān)性或轉(zhuǎn)化為單一度量來降低計算復(fù)雜度。本章對多約束度量采用優(yōu)先級調(diào)度法：將入選QoS度量依需求按優(yōu)先級排序，路徑選擇按優(yōu)先級依次進(jìn)行，下一級度量計算基于前一級所得的路徑子集，直到滿足所有QoS度量。另外，能力有限的傳感節(jié)點采用依靠鄰居節(jié)點信息的分布式計算。3、QoS路由維護(hù)路由更新的頻率和消息的大小應(yīng)在路由開銷和計算準(zhǔn)確性上折衷。通過其他輔助信息(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)時機基于按需驅(qū)動模式，可在連接未斷時提供軟QoS保證；鏈路失效時,需通過備份路徑、路徑修復(fù)以及自適應(yīng)等機制來實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量的平滑過渡。[4]3.2.2基于定向擴(kuò)散路由的QoS路由擴(kuò)展1、定向擴(kuò)散路由（DD）及其擴(kuò)展機制DD為缺乏全局地址標(biāo)識的無線傳感器網(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。它提供對任務(wù)與數(shù)據(jù)的命名和操作算子，采用發(fā)布/訂閱模式(publish/subscribe)來建立傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效節(jié)點、觀測節(jié)點和中間節(jié)點間的梯度關(guān)聯(lián)，可提供穩(wěn)定的多徑傳遞和路徑子集選擇。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。DD默認(rèn)提供基于最小延遲的路由機制，但它定位為一種數(shù)據(jù)分發(fā)模式，適合研究人員以濾器和濾器優(yōu)先級組合的形式設(shè)計新的路由選擇和數(shù)據(jù)聚合處理算法，如GEAR和GPSR。如圖3-6所示是基于DD的節(jié)點信息處理流程。應(yīng)用層、內(nèi)核、濾器和濾器優(yōu)先級組合的交互過程,是擴(kuò)展DD的基礎(chǔ)。FilterF2FilterF1AppFilterF2FilterF1AppDirectedDiffusionCoreDirectedDiffusionCore圖3-6基于DD的節(jié)點信息處理流程圖2、算法描述對傳統(tǒng)DD的改進(jìn)體現(xiàn)在三個方面：梯度建立、節(jié)點選擇和路徑維護(hù)。算法的關(guān)鍵思想是利用節(jié)點的最大最小剩余能量(MaxMinPathnode-Energy，MaxMPE)和到觀測節(jié)點的最小跳數(shù)(MinHopCount)來建立梯度。路徑最小能量MPE是從觀測節(jié)點到傳感節(jié)點某路徑上節(jié)點能量的最小值，它體現(xiàn)了該路徑的能量瓶頸或最長可能接續(xù)時間；最大最小能量MaxMPE是從觀測節(jié)點到傳感節(jié)點之間多條路徑的最大值，它是當(dāng)前節(jié)點與觀測節(jié)點間多條路徑的能量瓶頸評價標(biāo)準(zhǔn)；最小跳MHC是觀測節(jié)點到傳感節(jié)點多條路徑跳數(shù)的最小值，反映了路徑的最優(yōu)延遲指標(biāo)。梯度建立過程：興趣分組攜帶上一跳節(jié)點能量、上一跳最大最小剩余能量、跳數(shù)、是否更新MaxMPE和是否更新MHC標(biāo)志等字段；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。3、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IEEE802.11MAC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0.95，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。4、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3-1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)雜的梯度建立策略以及鏈路快速修復(fù)機制所導(dǎo)致的協(xié)議控制開銷。表3-1性能比較算法性能ABC網(wǎng)絡(luò)生存期ⅠⅡⅠⅡⅠⅡ業(yè)務(wù)類型不支持RT&BERTRTBEBE平均ETE包延遲(ms)3625192685192243002412025260規(guī)格化數(shù)據(jù)包收/發(fā)2.353.941.552.283.014.12分組傳輸率(%)123/125703/731190/192760/785839/845831/853控制包總數(shù)237014700114004901038824392567、結(jié)果分析DD提供了可擴(kuò)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(kuò)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。3.3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(kuò)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(kuò)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：1、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；2、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；3、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(kuò)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。3.3.1LEACH協(xié)議簡介LEACH（lowenergyadaptiveclusteringhierarchy）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]簇BS簇BS簇頭節(jié)點簇頭節(jié)點簇成員節(jié)點簇成員節(jié)點 圖3-7LEACH協(xié)議結(jié)構(gòu)圖3.3.2LEACH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0-1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。3.3.3LEACH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（DirectTrans）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。1、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3-8進(jìn)程模型圖創(chuàng)建進(jìn)程模型的方法為：1、從File菜單中選擇New，然后從列表中選擇ProcessModel，單擊確認(rèn)按鈕。2、單擊創(chuàng)建狀態(tài)按鈕，單擊鼠標(biāo)右鍵，Setname設(shè)置名稱，MakeStateForced改變狀態(tài)顏色，紅色為非強制狀態(tài)，綠色為強制狀態(tài)。EditEnterExecs和EditExitExecs設(shè)置輸入輸出代碼。如下圖3-8所示。3、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)。2、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：1、ROUTE：他完成路由算法的實現(xiàn)功能；2、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：1、從File菜單選擇New，選擇NodeModel，單擊OK按鈕。2、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。3、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3-9節(jié)點模型圖3、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Topology<-ExportTopology<-ToEMA，就可以生成EMA文件，它是以*em.c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*em.x，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3-10網(wǎng)絡(luò)模型圖3.3.4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，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DirectTrans協(xié)議，得到它們的一次仿真結(jié)果如圖3-11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DirectTrans協(xié)議的兩倍左右。圖3-11LEACH與Direct節(jié)點存活率比較第四章結(jié)論與展望4.1結(jié)論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點問題。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種路由進(jìn)行了分類，總結(jié)有廣播式路由、坐標(biāo)式路由、分簇式路由和QoS路由四中路由方式，用OPNET對典型的路由——DD路由協(xié)議、LEACH路由協(xié)議和QoS路由進(jìn)行了仿真實驗和對比,并分析和比較了各典型協(xié)議的特點。相比于DD協(xié)議，LEACH協(xié)議能夠有效地減少能量的耗損，節(jié)點成活率很高，所以它的壽命是DD協(xié)議的兩倍左右。QoS是在DD模式上進(jìn)行改進(jìn),擴(kuò)展了路徑維護(hù)機制，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，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，可達(dá)到全網(wǎng)最優(yōu)能耗均衡，網(wǎng)絡(luò)生存期大大提高。通過上述仿真實驗，從而對現(xiàn)存無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由進(jìn)行了深入的研究，并且對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢和研究方向做了分析。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)了解、對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的分析研究，，參考相關(guān)文獻(xiàn)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由得有結(jié)論如下：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源有限且與應(yīng)用高度相關(guān),研究人員在設(shè)計路由協(xié)議時采用了多種策略。其中好的協(xié)議應(yīng)具有以下特點：1、針對節(jié)點能量高度受限，路由協(xié)議必須要高效利用能量以便延長網(wǎng)絡(luò)生存時間； 2、針對節(jié)點數(shù)據(jù)有相關(guān)性、包頭開銷大、節(jié)點能量有限等特點，路由協(xié)議需要采用數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)過濾等技術(shù)；3、對節(jié)點移動性不大的特點，路由協(xié)議不需要維護(hù)節(jié)點的移動性；4、對節(jié)點因所處位置及承擔(dān)的責(zé)任不同而導(dǎo)致負(fù)載不平衡的特點，路由協(xié)議需采用通信量負(fù)載均衡技術(shù)；5、對網(wǎng)絡(luò)相對封閉、不提供計算等特點,路由協(xié)議只在sink點考慮與其他網(wǎng)絡(luò)互連； 6、對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不常編址的特點，路由協(xié)議需采用基于數(shù)據(jù)或基于位置的通信機制;7、對節(jié)點易失效的特點,通信協(xié)議需采用多路徑機制。從當(dāng)前的各種路由進(jìn)行分析與總結(jié)可以看出,一個好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由是以減少通信量、負(fù)載均衡、支持移動性、容錯性、組播路由、路由安全、可擴(kuò)展性、QoS路由、跨層協(xié)議優(yōu)化、與IPv6結(jié)合為目標(biāo)的。4.2展望無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣泛的應(yīng)用，它不僅在行業(yè)的傳統(tǒng)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)，軍事，環(huán)境，醫(yī)療等使用具有很大的價值，將體現(xiàn)其優(yōu)越性，如在許多家庭，衛(wèi)生保健新興領(lǐng)域在未來，交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。。我們可以大膽預(yù)見的將來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。如微傳感器網(wǎng)絡(luò)可能最終成為家電，個人電腦和互聯(lián)網(wǎng)連接等日常用品，以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤，家庭防盜無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)管，節(jié)能減排等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。但是，就目前的技術(shù)水平來說，讓無線傳感器網(wǎng)正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題：1、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常通信鏈路，信號可能是一些障礙物或其他電子信號干擾的影響，怎么安全、有效的溝通是需要研究的一個問題。此外，該系統(tǒng)的有限的能量也是該網(wǎng)絡(luò)可以影響正常通信的一個問題。2、成本問題。在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。3、高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組織，也有各種各樣的形式和方法，理性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度地利用資源。4、系統(tǒng)能量供應(yīng)問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由是目前研究的熱點信息獲取和信息處理的研究，許多學(xué)者在這方面，卓有成效的工作做了很多，并提出了許多有價值的理論和應(yīng)用的角度和方法。在過去的幾年里，他們做了很多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。但技術(shù)是不斷更新的、成熟的，我們未來還有很多工作要做的。我們應(yīng)該清楚的意識到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才剛剛開始發(fā)展，它的技術(shù)、應(yīng)用都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上成熟，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住機遇，加大投入力度，推動整個行業(yè)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]孫利民,李建中,陳渝,朱紅松·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]·北京：清華大學(xué)出版社，2005[2]余向陽·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J]·單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;·2008（08）[3]李楠·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定向擴(kuò)散模式基于OPNET的實現(xiàn)[J]·中國科技論文在線[4]楊少軍，史浩山，陳敏·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由的研究與仿真[N]·傳感技術(shù)學(xué)報:2005.03[5]李建奇，曹斌芳，王立，任艷惠·一種基于LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)路由算法[J]·湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)·2012（02）[6]石懷偉,李明生·網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)與OPNET應(yīng)用實踐[J]·計算機系統(tǒng)應(yīng)用·2006（3）[7]AkyildizIF,SuW,SankarasubramaniamY,CayirciE·Asurveyonsensornetworks[J]·IEEECommunicationsMagazine·2002，40(8):102～114[8]W.Heinzelman,A.Chandrakasan,andH.Balakrishnan·AnApplication-SpecificProtocolArchitectureforWirelessMicrosensorNetwork[J]·IEEETrans.WirelessComm·2002,4(1):660～670[9]崔莉,鞠海玲·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J]·計算機研究與發(fā)展·2005(1):163～174[10]陳敏·OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真（最新版本）[M]·北京：清華大學(xué)出版社，2004[11]王文博，張金文·OPNETModeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M]·北京：人民郵電出版社，2007[12]于海斌,曾鵬等·智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]·北京：科學(xué)出版社,2006[13]Holger，AndreasWilig·ProtocolsandArchitecturesforWirelessSensorNetworks[M]·北京：電子工業(yè)出版社，2007[14]余勇昌，韋崗·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]·計算機應(yīng)用研究·2008（6）致謝基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究HYPERLINK"