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(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)模型 確定運(yùn)行仿真 選擇需要建模的方面 理解仿真目的 理解系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)果精確？ 是 結(jié)果足夠詳細(xì)？ 結(jié)果統(tǒng)計(jì)可用？ 否 否 否 結(jié)束 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 11 圖 16 OPNET 仿真流程圖 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究 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(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)施。 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(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)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?jī)?yōu)先、基于 局部的拓?fù)湫畔?、以?shù)據(jù)為中心和應(yīng)用相關(guān)四個(gè)特點(diǎn)，因而，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，從四個(gè)方面衡量路由協(xié)議的優(yōu)劣： 能量高效 傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，很少考慮節(jié)點(diǎn)的能量問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且高效的傳輸，盡可能地延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。 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(dòng)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(shí)間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。 魯棒性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點(diǎn)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(jì)過程中必須考慮軟硬件的高容錯(cuò)性，保障網(wǎng)絡(luò)的健壯性 。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 12 快速收斂性 由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)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?dòng)態(tài)變化，提高帶寬和節(jié)點(diǎn)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(duì)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(duì)各類路由協(xié)議進(jìn)行了分析。 廣播式路由協(xié)議 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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由算法消耗計(jì)算資源，適用于健壯性要求高的場(chǎng)合。但是，擴(kuò)散法存在信息爆炸問題，即能出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能得到數(shù)據(jù)多個(gè)副本的情況，并且也會(huì)出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，另外，擴(kuò)散法沒有計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，不能作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)消滅。 具體實(shí)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn) A 希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn) A 首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳給除 A 外的其他的鄰居節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)擁有此副本為止。 定向路由擴(kuò)散 DD（ Directed Diffusion） 它通過泛洪方式給所有的傳感器節(jié)點(diǎn)廣播興趣消息，伴隨興趣消息在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸梯度。該協(xié)議通過將來自不同源節(jié)點(diǎn)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(shí)的興趣消息擴(kuò)散要執(zhí)行一個(gè)泛洪廣播操作，時(shí)間和能量消耗非常大。 具體實(shí)現(xiàn)：首先是興趣消息擴(kuò)散，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在本地保存一個(gè)興趣列表，其中專門存在一個(gè)表項(xiàng)用來記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)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。 謠傳路由（ Rumor Routing） 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 13 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(shí)間監(jiān)測(cè)區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機(jī)路徑向鄰居節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散傳播。同 時(shí)，基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也會(huì)沿著隨機(jī)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(shí)就會(huì)形成一條基站或匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間監(jiān)測(cè)區(qū)域的完整路徑。 具體實(shí)現(xiàn)：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表和一個(gè)事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，在事件列表中增加一個(gè)表項(xiàng)并根據(jù)概率產(chǎn)生一個(gè)代理消息，代理消息是一個(gè)包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)，收到代理消息的節(jié)點(diǎn)檢查表項(xiàng)進(jìn)行更新和增加表項(xiàng)的操作。節(jié)點(diǎn)根據(jù)事件列表到達(dá)事件區(qū)域的路徑，或者節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇鄰居轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。 SPIN（ Sensor Protocols for Information via Negotiation） 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(diǎn)都是 Sink 節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有用戶需要的信息，而且相鄰的節(jié)點(diǎn)擁有類似的數(shù)據(jù)，所以只要發(fā)送其他節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量水平，根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(shí) 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(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播； REQ 用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)希望接收數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送該報(bào)文； DATA 包含帶有 Metadata 頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)文；當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個(gè) DATA 數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播式地發(fā)送 ADV 數(shù)據(jù)包，如果一個(gè)鄰居希望接收該 DATA 數(shù)據(jù)包，則像該節(jié)點(diǎn)發(fā)送 REQ 數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 DATA數(shù)據(jù)包。 GEAR（ Geographical and Energy Aware Routing） Y. Yu 等人提出了 GEAR 路由協(xié)議，即根據(jù)時(shí)間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)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(diǎn)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。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 14 具體實(shí)現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，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(diǎn)作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點(diǎn)。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)。 坐標(biāo)式路由協(xié)議 GEM（ Graph Embedding） J. Newsome 和 D. Song 提出了建立一個(gè)虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng) GEM 路由協(xié)議，用來代表實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)以基站或匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹。每個(gè)節(jié)點(diǎn)用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個(gè)參數(shù)表示： 具體實(shí)現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個(gè)階段：由跳數(shù)建立路由并擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成生成樹型結(jié)構(gòu)，再從葉節(jié)點(diǎn)開始反饋?zhàn)訕涞拇笮?，即樹中包含的?jié)點(diǎn)數(shù)目，最后確定每個(gè)子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)傳遞消息，直到消息到達(dá)包含目的位置角度的節(jié)點(diǎn)。另外，當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)更新，如節(jié)點(diǎn)加入和節(jié)點(diǎn)失效。 GRWLI（ Geographic Routing Without Location Information） 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(diǎn)精確位置信息。首先確定節(jié)點(diǎn)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(diǎn)確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。 具體實(shí)現(xiàn)： A. Rao 等人 提出了 3 中策略確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。一是確定邊界節(jié)點(diǎn)都為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則非邊界節(jié)點(diǎn)通過邊界節(jié)點(diǎn)確定自己的位置信息。在平面情況下，節(jié)點(diǎn)通過鄰居節(jié)點(diǎn)位置的平均值計(jì)算。二是使用兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則邊界節(jié)點(diǎn)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(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并通過邊界節(jié)點(diǎn)交換信息建立全局坐標(biāo)系。三是使用一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最大的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記自己為邊界節(jié)點(diǎn)。 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(jì)中使用了分簇的思想。通過將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇中選 舉一個(gè)簇頭，通過 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 15 多跳通信及數(shù)據(jù)融合來減少傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)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。 LEACH（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） MIT 的 Chandrakasan 等人為無線傳感器設(shè)計(jì)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(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，平均分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)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(diǎn)的剩 余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、簇首的位置和簇內(nèi)的通信代價(jià)。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(diǎn)直接與匯聚節(jié)點(diǎn)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(shí)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(gè)階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點(diǎn)的選擇、簇首節(jié)點(diǎn)的廣播、簇首節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選一個(gè)值，小于某閾值的節(jié) 點(diǎn)就成為簇首節(jié)點(diǎn)，之后廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)送到簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)將信息融合后送給匯聚點(diǎn)。一段時(shí)間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。 GAF（ Geographic Adaptive Fidelity） 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(dòng) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(gè)網(wǎng)格里選出一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇首節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用 GPS 接受卡指示的位置信息將節(jié)點(diǎn)本身與虛擬網(wǎng)格中某個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)映射起來。網(wǎng)格上同一個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)對(duì)分組路由的代價(jià)是等價(jià)的，因而可以使某個(gè)特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點(diǎn)睡眠，而且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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)。 QoS 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(shí)，需要考慮吞吐 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 16 量、端到端時(shí)延等 QoS 性能參數(shù)，特別是在采集視頻和音頻數(shù)據(jù)時(shí)。 QoS 是一個(gè)提供軟實(shí)時(shí)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(gè) 節(jié) 點(diǎn) 維 護(hù) 其 鄰 居 信 息 ， 使 用 SNGF （ stateless geographic nondeterministic forwarding）算法尋找路徑，并確保每個(gè)報(bào)文分組能以指定速度轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。 SPEED 中的路由模塊 SNGF 和其它四個(gè)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(diǎn)的地理位置信息；延遲估計(jì)模塊主要計(jì)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(diǎn)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(shí)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?bào)文也沒有優(yōu)先級(jí)機(jī)制 .[2] 比較與分析 表 21 三種協(xié)議性能比較 經(jīng)過上面的簡(jiǎn)單介紹，每個(gè)協(xié)議在其設(shè)計(jì)的時(shí)候都有各自的側(cè)重點(diǎn)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(jiǎn)略的比較并找出相對(duì)較好的一類協(xié)議。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