基于opnet的無線傳感器網絡路由仿真與研究本科生畢業論文-資料下載頁

【導讀】和工業界的廣泛關注。由于該領域的研究還處于起步階段，傳感器網絡路由技術還有諸。該論文以學習無線傳。感器網絡和OPNET為基礎，研究和探索無線傳感器路由及其發展趨勢和研究方向。其次，在OPNET上進行仿真實驗，以無線傳感器網絡的DD協議仿。斷地研究對比各類路由機制，總結仿真實驗中LEACH和QoS的一些優缺點。協議，LEACH協議能夠有效地減少能量的耗損，壽命是DD協議的兩倍左右。衡，網絡生存期大大提高。我們可以展望一個好的無線傳感器網絡路由應是以減少通信

　　

【正文】 擴散和網間數據聚合處理的數據分發模式。它提供對任務與數據的命名和操作算子，采用發布 /訂閱模式 (publish/subscribe)來建立傳感器網絡中有效節點、觀測節點和中間節點間的梯度關聯，可提供穩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、數據聚合和下一跳選擇。 DD 默認提供基于最小延遲的路由機制，但它定位為一種數據分發模式，適合研究人員以濾器和濾器優先級組合的形式設計新的路由選擇和數據聚合處理算法，如 GEAR 和GPSR。如圖 36 所示是基于 DD 的節點信息處理流程。應用層、內核、濾器和濾器優先級組合的交互過程 ,是擴展 DD 的基礎。 圖 36 基于 DD 的節點信息處理流程圖 算法描述 對傳統 DD 的改進體現在三個方面：梯度建立、節點選擇和路徑維護。算法的關鍵思想是利用節點的最大最小剩余能量 (MaxMinPathnodeEnergy， MaxMPE)和到觀測節點的最小跳數 (MinHop Count)來建立梯度。路徑最小能量 MPE 是從觀測節點到傳感節點某路徑上節點能量的最小值，它體現了該路徑的能量瓶頸或最長可能接續時間；最大最小能量 MaxMPE 是從觀測節點到傳感節點之間多條路徑的最大值，它是當前節點與觀測節點 Directed Diffusion Core App Filter F1 FilterF2 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 27 間 多條路徑的能量瓶頸評價標準；最小跳 MHC 是觀測節點到傳感節點多條路徑跳數的最小值，反映了路徑的最優延遲指標。 梯度建立過程：興趣分組攜帶上一跳節點能量、上一跳最大最小剩余能量、跳數、是否更新 MaxMPE 和是否更新 MHC 標志等字段；當同序號興趣分組通過多徑到達某節點，該節點比較自身能量和上一跳節點的 MaxMPE，取小的為該路徑的 MPE，若此 MPE 比節點保存的 MaxMPE 大，或雖相等但跳數少，則更新節點的 MaxMPE 并保留對應的跳數，置“是否更新 MaxMPE0”標志為真；若該路徑跳數比當前 MHC 小，或雖相等但對 應的 MPE 大，則更新節點的 MHC 并保留對應的 MPE，置“是否更新 MHC0”標志為真；兩標志都為假則丟棄該興趣分組，否則向鄰居節點廣播該分組。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，對于實時業務，最小延遲被優先考慮并兼顧能耗均衡，對于盡力而為業務，能耗均衡則被優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 DD 的路徑維護進行路徑增強或者抑制的方式 ,但沒有提供對失效節點的快速修復，而且對故障節點的多次發送嘗試會消耗當前節點的能量并增加了分組的端到端 時延。所以 ,在原有 DD 路徑維護機制基礎上定義如下規則來提供對失效鏈路的快速本地修復和節點失效通知： 規則 1(路徑快速本地修復 )：若當前節點的下一跳傳輸失敗，則在鄰居信息表中將與此下一跳節點間的鏈路代價標為無限大，并重新進行下一跳的選擇。若失效節點和有效節點的比率超過給定閾值，則主動發出鏈路狀態更新的請求，由觀測節點重新發起梯度更新過程。 規則 2(節點失效通知 )：在節點能量低于設定閾值后，該節點就會主動向鄰居節點發出失效通知。規則 2反向調動規則 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 效節點和有效節點的比率閾值設置與網絡和應用相關，若取值太大，下一跳數據傳遞失敗的概率越大，可能帶來性能的較大抖動；如果太小，就帶來過大的網絡負載和不必要的能耗。 仿真環境 在 OPNET 仿真環境下，我們通過建立網絡范圍 200 200，網絡節點數為 300，節點隨機分布而且無線傳感器網絡仿真場景靜止，其發送接收最大參考距離為 15；節點采用 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 28 層協議，帶寬 2Mb/s；觀測節點一個，位于網絡場景右上角，目標區域在左下角；仿真過程中假定目標區域節點通過聚合處理，只有一個傳感節點返回匹配數據；仿 真時間為網絡生存期結束。因為節點的通信能耗比重最大，所以不考慮感知能耗。設置節點能量為 14000 單位，發送、接收一個分組消耗 5單位。仿真結果置信度 ，其余主要仿真參數包括：觀測節點興趣泛洪周期 300s；傳感節點興趣匹配后產生 280個數據分組包；數據分組包數據負載 1024Byte。 評價方法 網絡仿真性能評價指標包含端到端延遲、網絡生存期和延遲抖動、分組傳輸率和分組傳送代價： 網絡生存期，目的是考查協議在節點能量消耗和網絡能耗均衡等方面的性能，包括I 類和 II 類網絡生存期。 端到端延遲和延遲抖動，延遲 是分組從源節點到接收節點的平均經過時間，延遲抖動是同一業務流之間不同分組的延遲變化量。實時業務的 QoS 需求對這兩項指標非常敏感。 分組傳輸率，成功接收分組和發送分組的比率，反映分組傳輸質量。 分組傳輸代價，控制分組與數據分組的比率。 與傳統 DD 的性能比較 表 31是采用實時業務濾器和盡力而為業務濾器的改進算法，與采用默認最小延遲策略的傳統 DD 的性能比較，考察其兩類網絡生存期，其中 A為傳統 DD 算法、 B為只采用實時業務濾器的改進算法、 C 只采用盡力而為業務濾器。從平均時延來看，實時業務濾器能獲得最佳性能。分組傳輸 率在各種情景下均較高，原因是節點靜止且網絡拓撲穩定，而 2Mbs 帶寬足以滿足業務帶寬需要。從 I 類網絡生存期來看，采用實時業務濾器比傳統 DD 提高了 50%，而且盡力而為業務濾器則提高了 540%；從 II 類網絡生存期來看 ,采用實時業務濾器僅比傳統 DD 提高了 7%，而盡力而為業務濾器則提高了 21%。試驗結果表明改進后算法可對兩類業務提供有保證的差別服務，同時可在全網范圍內實現能量資源的充分有效利用，實現網絡能耗均衡。實時業務濾器的性能提升較小，原因是最小跳策略與傳統 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。從協議代價上來看 ,改進后算法有一些增加，原因是更復雜的梯度建立策略 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 29 以及鏈路快速修復機制所導致的協議控制開銷。 表 31 性能比較 結果分析 DD 提供了可擴展的無線傳感器網絡數據分發機制，本文基于 DD 路由協議，利用路徑上節點的最小能量和到觀測節點的跳數建立兩類梯度，采用優先級調度法來作為多約束的路由策略，通過構造波爾茲曼概率選擇下一跳節點，擴展了路徑維護機制，得到了一種無線傳感器網絡的 QoS 路由算法。它與 DD的實施模式無關 ,可在滿足不同業務資源需求的同時，追求能量資源在全網的均衡使用，網絡生存期被大大提高。仿真結果表明，在混合業務模式下，它能很好的支持不同業務的資源需求分配，可以達到全網最優能耗均衡，而且網絡生存期大大提高。 算法 性能 A B C 網絡生存期 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 業務類型 不支持 RTamp。BE RT RT BE BE 平均 ETE 包延遲 (ms) 3625 19268 5192 24300 24120 25260 規格化數據包收 /發 分組傳輸率(%) 123/125 703/731 190/192 760/785 839/845 831/853 控制包總數 2370 14700 11400 49010 38824 39256 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 30 分簇路由仿真與分析 與其他傳感器網絡一樣，無線傳感器網絡最重要的就是他的可擴展性。隨著傳感器節點密度的增加，必然會導致網關節點的負載過重，這種超負載的現象必然會導致傳輸延遲或者是跟蹤監測事件不及時。另外，在大面積的單層網絡監測區域內，傳感器節點不支持長距離的通行，而單層網絡是不可擴展性的，所以為了 在不降低通信服務質量的前提下，又能解決額外的和超監測區域內的通信問題，我們提出了分簇路由。 分簇路由協議因具有管理拓撲方便，能量利用高效和數據融合簡單的優點，成為當前研究最熱門的技術之一。在分簇路由協議中，網絡常常被劃分成若干個簇。所謂的簇，就是一些有關聯的節點組合而成節點的集合。每個簇都是有一個簇頭和一些簇內節點組成的，低一級網絡的簇頭就是高一級網絡的簇內節點，由最高的簇頭與基站聯系。 分簇路由機制有以下幾個優點： 成員節點大部分時間是關閉通行模塊的，只有簇頭節點在融合了所有成員節點的數據后與基站長距 離聯系。這樣節省了網絡能量； 成員節點的功能簡單，這樣就減少了路由控制信息的數量； 分簇拓撲結構管理簡單，有利于分布式算法，能夠對系統變化做出迅速的相應變化，具有很好的可擴展性，容易克服節點移動帶來的問題，適合大規模的網絡。 LEACH 協議是最早提出的分簇路由協議。雖然有一些分簇路由協議獨立于 LEACH 協議而單獨開發的，但大多數分簇路由協議是受到 LEACH 協議的啟發。接下來我們就以LEACH 協議為例來講分簇路由協議。 LEACH 協議簡介 LEACH（ low energy adaptive clustering hierarchy）按簇將網絡分為若干個小區，每個小區由一個簇頭和多個節點組成的，它的網絡模型如下圖所示。 LEACH 算法是一種周期性自適應分簇拓撲算法，每一個周期循環地分為簇的建立階段、簇的形成和穩定的數據通信階段。它兼有了路由協議和拓撲控制機制的功能。在簇的建立階段相鄰節點動態的形成簇，隨機地生成簇頭；在數據通信階段，簇內節點把數據發送給簇頭，簇頭進行數據融合并且把結果發送給匯聚節點。 [5] 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 31 圖 37 LEACH 協議結構圖 LEACH 協議算法分析 LEACH 協議算法的循環分為以下三步：一、簇的產生；二、簇的形成；三、簇的路由。 首先， LEACH 算法簇頭的產生過程是分布式算法，即節點產生一個在 01 之間的隨機數，與閥值 T(n)比較，小于閥值 T(n)的可以當選簇頭，但是當過之后就不能再當了，設 T(n)=0。這樣到后面，剩余節點當選簇頭的概率就增大了。當只剩下一個節點沒有當選簇頭時候，這個節點必然就會當選，設 T(n)=0。 [5] 其 中： p是節點當選簇頭的概率； r是目前循環進行的輪數； G是最近 1/p 輪中還未當選簇頭的節點的集合。 其次，簇的形成算法：簇頭產生后，簇頭向監測區域廣播成簇頭的消息，然后節點根據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，數據傳輸算法：簇形成后，其他節點根據自己的地理位置來選擇加入哪個簇就向那個簇發送加入消息，簇頭收到加入消息就會向其他簇內節點發送 TDMA 和 CDMA 編 BS 簇 簇頭節點 簇成員節點 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 32 碼的定時消息。簇內節點收到消息后就會在自己的時間內發送數據，經過數據傳輸，簇頭收集簇內節點發送的消息后開始進行數據融 合算法來處理數據，最后直接發送給匯聚節點。 LEACH 協議的仿真 本論文對 LEACH 協議進行仿真，同時為了能夠比較，我仿真了另外一種簡單的直接傳輸（ Direct Trans）協議，這個協議的特點就是不對網絡進行分簇，所有節點直接向匯聚節點傳輸信號。 下面我們再詳細的介紹建立網絡模型、進程模型和節點模型的具體方法。 進程模型 通過對 LEACH 協議算法進行分析后，我對 LEACH 協議的進程模型建模，得到如下所示的狀態圖。協議的每個節點經歷三個階段，即初始化階段、建立階段和穩定階段。 圖 38 進程模型圖 基于 OPNET 的無線傳感器網絡路由仿真與研究 33 創建進程模型的方法為： 從 File 菜單中選擇 New，然后從列表中選擇 Process Model，單擊確認按鈕。 單擊創建狀態按鈕，單擊鼠標右鍵， Set name 設置名稱， Make State Forced改變狀態顏色，紅色為非強制狀態，綠色為強制狀態。 Edit Enter Execs 和 Edit Exit Execs 設置輸入輸出代碼。如下圖 38所示。 點擊確定開始狀態，點擊連接狀態。單擊選中鏈路，單擊右鍵改變顏色 和其他狀態。單擊編寫狀態的函數。 節點模型 OPNET 中節點模型用于定義每個節點的工作。一個節點通常是由多個模塊組成的，他的行為由他的使用來決定，每個模塊完成節點的一部分功能。創建節點模型