基于OPNET的无线传感器网络路由仿真与研究本科生毕业论文

本科生毕业论文(设计)

题 目：基于OPNET的无线传感器网络

路由仿真与研究

目 录

摘 要 .......................................................... I Abstract ...................................................... II 引 言 .......................................................... 1 第一章 绪 论 ................................................... 2

1.1 无线传感器网络 .................................................... 2

1.1.1 无线传感器网络基本概念 ...................................... 2 1.1.2 无线传感器网络特点 .......................................... 2 1.1.3 无线传感器网络组成结构 ...................................... 3 1.1.4 无线传感器网络协议栈 ........................................ 5

1.2 OPNET简介 ......................................................... 7

1.2.1 OPNET Modeler的主要特性 .................................... 7 1.2.2 OPNET的安装 ................................................ 8 1.2.3 OPNET仿真 .................................................. 9

第二章 无线传感器网络路由研究 ................................. 11

2.1 无线传感器网络路由概述 ........................................... 11 2.2 无线传感器网络路由协议研究 ....................................... 11

2.2.1 广播式路由协议 ............................................. 12 2.2.2 坐标式路由协议 ............................................ 14 2.2.3 分簇式路由协议 ............................................. 14 2.2.4 QoS路由协议 ............................................... 15 2.2.5 比较与分析 ................................................. 16

第三章 基于OPNET的无线传感器路由仿真 ......................... 18

3.1 定向扩散路由仿真与分析 .......................................... 18

3.1.1 定向扩散（DirectedDiffusion）路由模式分析 .................. 18 3.1.2 运行仿真 ................................................... 19 3.1.3 结果分析 ................................................... 24 3.2 QoS路由仿真与分析 .............................................. 25

3.2.1 QoS路由策略分析 ........................................... 25 3.2.2 基于定向扩散路由的QoS路由扩展 ............................. 26 3.3 分簇路由仿真与分析 ............................................... 30

3.3.1 LEACH协议简介 ............................................. 30 3.3.2 LEACH协议算法分析 ......................................... 31 3.3.3 LEACH协议的仿真 ........................................... 32 3.3.4 结果分析 ................................................... 34

第四章 结论与展望 ............................................. 36

4.1 结论 ......................................................... 36

4.2 展望 ......................................................... 37

参考文献 ...................................................... 38 致 谢 ......................................................... 39

摘 要

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，其应用前景而日益受到学术界和工业界的广泛关注。由于该领域的研究还处于起步阶段，传感器网络路由技术还有诸多的不足。因此，无线传感器网络的路由值得我们去探索和思考。该论文以学习无线传感器网络和OPNET为基础，研究和探索无线传感器路由及其发展趋势和研究方向。首先，通过学习OPNET仿真平台的使用和无线传感器网络路由原理，对现有的无线传感器网络路由进行分类研究。其次，在OPNET上进行仿真实验，以无线传感器网络的DD协议仿真为基础，在DD协议的模式上，分别进行LEACH协议的仿真和QoS路由改进。通过不断地研究对比各类路由机制，总结仿真实验中LEACH和QoS的一些优缺点。相比于DD协议，LEACH协议能够有效地减少能量的耗损，寿命是DD协议的两倍左右。QoS是在DD模式上进行改进,它能很好的支持不同业务的资源需求分配，可达到全网最优能耗均衡，网络生存期大大提高。我们可以展望一个好的无线传感器网络路由应是以减少通信量、负载均衡、支持移动性、容错性、组播路由、路由安全、可扩展性、QoS路由、跨层协议优化、与IPv6 结合为发展趋势和研究方向。

关键词： 无线传感器网络路由，OPNET，DD协议，LEACH协议，QoS路由，

I

Abstract

Wireless sensor network is a new information acquisition and processingtechnology, its application

prospects increasingly attracted

widespread

attention inacademia

and

industry. As the research in this field is still in its infancy, there are many sensor network routing technology deficiencies. Therefore, the routing of wireless sensor networks is worth exploring and thinking.This thesis study of wireless sensor networks and OPNET-based study of wireless sensor network routing, exploring trends and research directions of wireless sensor routing. First, by using wireless sensor networks and its routing principles of learning OPNET simulation platform for wireless sensor network routing existing classification research. Secondly, in the OPNET simulation experiments to DD wireless sensor network protocol simulation, based on a model agreement DD, respectively LEACH routing protocol emulation and QoS improvement.Through continuous research and compare various types of routing mechanism, summarize some of the advantages and disadvantages of LEACH simulation and QoS. Compared to the DD protocol, LEACH protocol can effectively reduce energy consumption, and its life expectancy is about twice the DD agreement. QoS is performed on the DD model improvements, it is a good allocation of resources to support different business needs, the whole network can achieve optimal energy balance, network lifetime is greatly improved.We can envision a good wireless sensor network routing should be based on reducing traffic, load balancing, support mobility, fault tolerance, multicast routing, routing security, scalability, QoS routing, cross-layer protocol optimization, combined with IPv6 as trends and research directions.

Keywords: wireless sensor network routing, OPNET, LEACH ，DD protocol, QoS routing,

II

基于OPNET的无线传感器网络路由仿真与研究

引 言

近年来，随着技术的发展，无线传感器网络应用变得范围越来越广。在环境监测、医疗、工业控制、科学研究、军事、智能家居、智能办公环境等方面都表现出巨大的前景。我们可以大胆的预见到，将来无线传感器网络将会无处不在，将会完全融入我们的生活。可以说，无线传感器网络将是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要技术之一。

总体而言，该领域的研究目前还处于起步阶段，传感器网络路由技术还存在很多的不足，在很多领域还无法实现。毋庸置疑，无线传感器网络的发展潜力会十分巨大，也还有很多的地方需要我们去探索和思考。

本文基于OPNET仿真平台，首先通过对无线传感器网络的基本原理和OPNET平台操作的学习了解；其次对现存的无线传感器网络路由进行研究分类，并研究和对比分析了各类路由协议的核心算法和路由机制；再次利用OPNET对其中典型的路由——DD协议、LEACH路由协议和QoS路由进行仿真模拟，同时对比其他路由协议进行仿真实验，从具体的数据上探究不同路由机制优缺点，从而对现存无线传感器网络的路由进行深入的研究；最后总结出无线传感器网络路由的一般规律、研究方向和发展趋势。

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第一章 绪 论

1.1 无线传感器网络

1.1.1 无线传感器网络基本概念

无线传感器网络，即wireless sensor network，简称WSN。

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成，通过无

线通信的方式形成的一个多跳、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成无线传感器网络的三个要素。

无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每一个传感器节点都由数据采集模块(传感器、AID转换器)、数据处理、控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、AC/DC能量转换器)组成。节点在网络中可以充当数据的采集者、数据中转站或组头、簇头节点的角色。作为数据采集者时，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度等)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(Base Station)或汇节点(Sink Node)。作为数据中转站时，节点除了完成采集任务之外，还要接收邻居节点数据，并将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或者汇节点，作为簇头节点时，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融合之后，发送到基站或者汇节点。

[1]

无线传感器网络所具具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、噪声、湿度、光强度、土壤成分、压力、移动物体的大小、方向和速度等周边环境中多种多样现象。基于无线联网技术和MEMS的微传感技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、防爆、反恐、医疗、救灾、环境、保健、工业、家居、商业等领域。

1.1.2 无线传感器网络特点

无线传感器网络具有大规模、自组织、可靠性、动态性、以数据为中心、集成化、协作方式执行任务、具有密集的节点布置、自组织方式等特点。

WSN并不界定网路型态，就是可以是star、mesh、P2P或者综合以上型态的网路，

2

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但都一定具备下列的功能：

1、Sensors/microcontroller：侦测、搜集以及处理环境中包含的资料，例如侦测湿度、温度等。

2、Radio frequency：gateway或节点用以收发资料。

3、Software：包含在节点端的嵌入式系统以及使用者端的管理程式，软体确保资料感测的功能进行流畅及提供容易阅读的介面。

1.1.3 无线传感器网络组成结构

无线传感器网络系统通常都会包括传感器节点EndDevice、汇聚节点Router和管理节点Coordinator，如图1-1所示：

节点Coordinator，如图1-1所示： 互联网 和卫星 E D C B A 汇聚节点 任务管理节点 用户 监测区域 传感器节点

图1-1 无线传感器网络系统

大量的传感器节点随机部署在监测区域内部或者附近，能够通过自组织的方式构成网络。传感器节点监测到的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，在传输过程中监测到的数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行相应的配置和管理，发布监测任务及收集监测数据。

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传感器节点处理能力、存储能力和通信的能力都相对较弱，通过小容量电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点除了要进行本地信息收集和数据处理之外，还要对其他节点转发而来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点进行协作完成一些特定任务。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力就相对较强，它是连接传感器网络与Internet 等外部网络的网关，实现两种协议间的相互转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把无线传感器网络上收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给、更多的Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机系统中，通过汇编软件，可很便捷地把获取的信息转换为汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议和密钥等信息，同时也可以修改程序代码，并加载到传感节点当中。

[1]

管理节点是用于动态地管理整个无线传感器网络，传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络上的资源。

处理器 传感器 AC/DC 网络 MAC 收发器 储存器 传感器模块 处理器模块 无线通信模块 能 量 供 应 模 块

图1-2 无线传感器节点模块结构

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无线传感器节点通常由四部分组成（如图1-2）：

1、传感器模块：用来监测区域内信息的采集和数据转换；

2、处理器模块：用来控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据；

3、无线通信模块：用来与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集消息，它有四种状态：发送、接受、空闲、睡眠；

4、能量供应模块：用来为传感器节点提供运行所需的能量，通常会采用微电池型。

1.1.4 无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈多采用五层协议：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，是与以太网协议栈的五层协议相对应的。另外，协议栈还应包括能量管理器、拓扑管理器、任务管理器。这些管理器使得传感器节点能够按照能源高效方式进行协同工作，在节点移动的传感器网络去中转发数据，并且支持多任务和资源共享，如图1-3所示。

应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

能量管理平台移动管理平台

任务管理 平台

图1-3 无线传感器网络协议栈 各层协议、管理器的功能如下：

1、物理层提供简单并且健壮的信号调制和无线收发技术； 2、数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问、差错控制；

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3、网络层主要负责路由生成与选择；

4、传输层负责数据流传输控制，是保证通信服务质量的重要组成部分； 5、应用层通常包括一系列基于监测任务的应用层软件；

6、能量管理器是管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑到节省能量；

7、移动管理器检测并且注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

8、任务管理器在一个给定的区域内平衡、调度监测任务。

1.1.5 无线传感器网络中的关键技术

无线传感器网络作为，目前新领域新的研究热点，是涉及多学科交叉的研究领域，还有很多的关键技术有待发现和探索，下面就列举部分关键技术：

1、网络拓扑技术

对于无线自组织的传感器网络来说，网络拓扑技术具有极其重要的意义。与此同时，拓扑技术对路由协议性能的影响也非常大。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，即能提高路由协议和MAC协议的使用效率，又可以为数据融合、时间同步等多个方面奠定基础，有利于用节省节点的能量来延长网络的生命周期。网络拓扑技术现在研究的主要问题是在满足网络联通度和覆盖度的前提下，通过功率控制和骨干网节点的选择，剔除节点之间一些不必要的无线通信链路，生成一个高效率的数据转发的网络拓扑结构。

2、路由控制技术

保证数据的传输，在源节点和目的节点之间建立可靠的路由是路由协议的目的。首先，传感器网络节点数量多，没有采用全网统一的编址；此外，节点能量有限并且大都处于静止状态等特点，使得传感器网络不能采用传统的基于IP的路由协议。而Ad hoe网络中现有的路由协议，如基于距离矢量的按需路由(Ad hoc OnDemand Distance Vector，AODV)协议等，不完全适用于无线传感器网络。传感器网络的路由协议必须考虑有效地使用能量，以数据为中心，或者利用地理位置信息进行路由。因此，无线传感器网络需要一套新型的适合自身的路由协议，对我们提出了设计可靠、讲究能量效率，

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且能保证网络能量消耗平衡的路由协议要求。

3、网络安全技术

无线传感器网络通常都会布置在无人维护、不可控制的环境情况中，所以传感器网络的安全性一直是一个很大的挑战。传感器网络除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、重放攻击、信息篡改、拒绝服务等多种威胁之外，还面临着传感器节点被攻击者操纵，并获取存储在传感器节点的信息，从而控制部分网络的威胁。另外，在传感器网络中，安全的概念也发生了变化，隐私保护是极其重要，而授权重要性却降低。目前传感器网络的安全研究仅仅处于初级阶段，要针对传感器网络的特点和安全的威胁，研究新型的安全的优化的路由协议。

1.2 OPNET简介

OPNET是一个网络仿真技术软件包，它能准确的分析复杂网络的性能和行为。在网络模型中的任何地方都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出能够以图形化显示、数字方式观察、输出到第三方的软件包去。其产品结构通常有三个模块组成，能为用户提供一系列的仿真模型库，在电信、航天航空、军事、系统集成、大学、咨询服务、行政机关等方面被广泛应用。

1.2.1 OPNET Modeler的主要特性

OPNET Modeler的主要特性包含以下几点： 1、层次化的网络模型

OPNET Modeler提供了三层建模机制，分别在进程层、节点层、网络层进行由下到上的建模机制。进程模型的基础是用有限状态机FSM(Finite State Machine)来描述各种协议。各个状态再分别进行编程实现。节点模型由进程模型构成，可以组成完整的协议栈，真实的描绘所建模设备的特性。各模块间通过数据包和状态信息的传递来进行各种操作，从而实现设备的功能。

2、简单明了的建模方法

Modeler建模过程分为3个层次：过程层次、节点层次以及网络层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组

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成网络。几个不同的网络场景组成项目，用来比较不同的设计方案。这也是Modeler建模的重要机制，这种机制对项目的管理和分工很有帮助。

3、有限状态机

在过程层次使用有限状态机来对协议及其他过程进行建模，在有限状态机的状态和转移条件中使用C/C++语言对任何过程进行模拟。用户可以随心所欲地控制仿真的详细程度。有限状态机加上标准的C/C++以及OPNET本身提供的400多个库函数构成了Modeler编程的核心。

4、对协议编程的全面支持

支持400多个库函数以及书写风格简洁的协议模型。OPNET的核心已经存储了众多协议，因此对于很多协议，无需进行额外的编程。

5、系统的完全开放性

Modeler中源码全部开放，用户可以根据个人的需要添加或者修改已有的源码。 6、集成调试器

快速地验证仿真或者发现仿真中存在的问题，OPNET本身有自己的调试工具——OPNET Debugger。另外，OPNET在Windows平台下还支持和编程语言VC的联合调试。

1.2.2 OPNET的安装

由于OPNET软件不为众人所熟悉，笔者在安装过程也颇为坎坷，所以特此附上OPNET的安装的简单过程：

安装好VC6.0，并选择自动配置环境变量；

图 1-4 OPNET安装环境变量的配置

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下载OPNET安装文件，按:models_14.5.A_PL1_27-Feb-2008.exe Windows modeler_docs_145A_7015_28Jan2008.exe,Windows\\modeler_145A_7116.exe的顺序安装，即可安装完成。

图 1-5 OPNET安装图

1.2.3 OPNET仿真

OPNET提供了三层机制，分别为：进程层、节点层、网络层。其中，在进程层对每个对象的数据进行处理仿真；在节点层，对进程层的对象进行互连形成设备；在网络层，将设备通过链路连接成网络，将多个网络场景交织在一起，形成工程，就是我们所说的仿真平台，具体流程如图1-6所示。

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开始

理解系统 理解仿真目的

否 结果足够详细？ 否 是 否 系统结果精确？ 确定运行仿真 确定系统模型 定义输入和输出 选择需要建模的方面

结束 结果统计可用？ 10

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图1-6 OPNET仿真流程图

第二章 无线传感器网络路由研究

2.1 无线传感器网络路由概述

无线传感器网络与传统有线网络的路由具有很大的差别。尽管它和无线自组织网络都是无线自组织多跳网络，但二者存在着很大的差异。这使得传统网络的路由协议和MANET的路由协议均不适用于无线传感器网络，必须依据无线传感器网络的特点设计新的路由协议，使之有效地保证无线传感器网络功能的正常实施。

2.2 无线传感器网络路由协议研究

无线传感器网络路由协议负责在汇聚节点和传感器节点间可靠地传输数据。由于其应用相关性，单一的路由协议不能满足各种应用需求,因而研究人员提出了多种不同的路由协议。但到目前为止，还是缺乏一个完整 和清晰的路由协议分类。

无线传感器网络的路由协议不同于传统网络的协议，它具有能量优先、基于局部的

拓扑信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，从四个方面衡量路由协议的优劣：

1、能量高效

传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量问题。由于无线传感器网络中节点的能量有限，传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，更要能量均衡消耗，实现简单而且高效的传输，尽可能地延长整个网络的生存期。

2、可扩展性

无线传感器网络的应用决定了它的网络规模不是永远不变的，而且很容易造成拓扑结构动态发生变化，所以要求路由协议有可扩展性，可以适应结构的变化。具体表现于传感器的数量、网络覆盖区域、网络生命周期、网络时间延迟和网络感知精度等方面。

3、鲁棒性

无线传感器网络中，由于环境和节点的能量耗尽造成传感器的失效、通信质量的降低使网络变得不可靠，所以在路由协议的设计过程中必须考虑软硬件的高容错性，保障网络的健壮性。

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4、快速收敛性

由于网络拓扑结构的动态变化，要求路由协议能够快速收敛，以适应拓扑的动态变化，提高带宽和节点能量等有限资源的利用率和消息传输效率。

本文根据不同的无线传感器网络路由结构和数据传输模型,对目前的路由协议作 了以下四种分类：广播式路由协议、坐标式路由协议 、分簇式路由路由和QoS的路由协议，并对各类路由协议进行了分析。

2.2.1 广播式路由协议 1、扩散法（Flooding）

扩散法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由算法消耗计算资源，适用于健壮性要求高的场合。但是，扩散法存在信息爆炸问题，即能出现一个节点可能得到数据多个副本的情况，并且也会出现部分重叠的现象，另外，扩散法没有计算各个节点的能量，不能作出相应的自适应路由选择，当一个节点能量耗尽时，网络就会消灭。

具体实现：节点A希望发送数据给节点B，节点A首先通过网络将数据的副本传给其每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传给除A外的其他的邻居节点，直到将数据传到B为止或者为该数据设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此副本为止。

2、定向路由扩散DD（Directed Diffusion）

它通过泛洪方式给所有的传感器节点广播兴趣消息，伴随兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因此可以节约网络能量、延长系统的生存期。然而，路径建立时的兴趣消息扩散要执行一个泛洪广播操作，时间和能量消耗非常大。

具体实现：首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息，之后建立传输梯度。数据沿着建立好的梯度路径传输。

3、谣传路由（Rumor Routing）

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D. Braginsky等人提出的适用于数据传输量较小的无线传感器网络路由协议。它的基本思想是时间监测区域的感应节点产生代理消息，代理消息沿着随机路径向邻居节点扩散传播。同时，基站或者汇聚节点发送的查询消息也会沿着随机路径在网络中传播。当查询消息和代理消息的传播路径交叉在一起时就会形成一条基站或汇聚节点到时间监测区域的完整路径。

具体实现：每个传感器节点维护一个邻居列表和一个事件列表，当传感器节点监测到一个事件发生时，在事件列表中增加一个表项并根据概率产生一个代理消息，代理消息是一个包含事件相关信息的分组，将事件传给经过的节点，收到代理消息的节点检查表项进行更新和增加表项的操作。节点根据事件列表到达事件区域的路径，或者节点随机选择邻居转发查询消息。

4、SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）

W. Heinzelman等人提出的一种自适应的SPIN路由协议。该协议假设网络中的所有节点都是Sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所以只要发送其他节点所没有的数据。SPIN协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正数据之前，经过协商压缩重复的信息，避免冗余数据的发送；另外，SPIN协议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以延长网络的生存期。

具体实现：SPIN采用了3种数据包来通信：ADV 用于新数据的广播，当节点有数据要发送时，利用该数据包向外广播；REQ 用于请求发送数据，当节点希望接收数据时，发送该报文；DATA 包含带有Meta-data头部数据的数据报文；当一个传感器节点在发送一个DATA数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送ADV数据包，如果一个邻居希望接收该DATA数据包，则像该节点发送REQ数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA数据包。

5、GEAR（Geographical and Energy Aware Routing）

Y. Yu等人提出了GEAR路由协议，即根据时间区域的地址位置，建立基站或者汇聚节点到时间区域的优化路径。把GEAR划分为广播式路由协议有点不合适，但是由于它是在利用地理信息的基础上将数据发送到合适的区域，而且又是基于DD提出，这里仍然作为广播式的一种。

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具体实现：首先向目标区域传递数据包，当节点收到数据包时，先检查是否有邻居比它更接近目标区域。如有就选择离目标区域最近的节点作数据传递的下一跳节点。如果数据包已经到达目标区域，利用递归的地理传递方式和受限的扩散方式发布该数据。

2.2.2 坐标式路由协议 1、GEM（Graph Embedding）

J. Newsome 和D. Song提出了建立一个虚拟极坐标系统GEM路由协议，用来代表实际的网络拓扑结构。整个网络节点形成一个以基站或汇聚节点为根的带环树。每个节点用距离树根的跳数距离和角度范围两个参数表示：

具体实现：首先建立虚拟极坐标系统，主要有三个阶段：由跳数建立路由并扩展到整个网络形成生成树型结构，再从叶节点开始反馈子树的大小，即树中包含的节点数目，最后确定每个子节点的虚拟角度范围。建立好系统之后，利用虚拟极坐标算法发送消息，即节点收到消息检查是否在自己的角度范围之内，不在就向父节点传递消息，直到消息到达包含目的位置角度的节点。另外，当实际网络拓扑结构发生变化时，需要及时更新，如节点加入和节点失效。

2、GRWLI（Geographic Routing Without Location Information）

A. Rao等人提出了建立全局坐标系的路由协议，其前提是需要少数节点精确位置信息。首先确定节点在坐标系中的位置，根据位置进行数据路由。关键是利用某些知道自己位置信息的信标节点确定全局坐标系及其他节点在坐标系中的位置。

具体实现：A. Rao等人提出了3中策略确定信标节点。一是确定边界节点都为信标节点，则非边界节点通过边界节点确定自己的位置信息。在平面情况下，节点通过邻居节点位置的平均值计算。二是使用两个信标节点，则边界节点只知道自己处于网络边界不知道自己的精确位置消息。引入两个信标节点，并通过边界节点交换信息建立全局坐标系。三是使用一个信标节点，到信标节点最大的节点标记自己为边界节点。

2.2.3 分簇式路由协议

为了保证网络的可扩展性而且不降低服务质量，很多路由协议的设计中使用了分簇的思想。通过将整个无线传感器网络区域分为若干个簇，每个簇中选举一个簇头，通过

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多跳通信及数据融合来减少传送到汇聚节点的信息量，从而节约能量消耗。LEACH协议是最早的分簇协议，许多其他层次路由协议都是基于LEACH的。

1、LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

MIT的Chandrakasan等人为无线传感器设计的一种分簇路由算法，它的基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低网络能源消耗，延长网络的生存时间。簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。簇首的产生算法可以被分为分布式和集中式两种。与节点直接与汇聚节点通信相比，LEACH协议降低了7倍的能耗，与最小传输能量路由相比，其降低了4到8倍的能耗。但利用LEACH算法选举出的簇头分布不均匀，且不适合大规模网络及能量不均衡的网络。

具体实现：LEACH不断地循环执行簇的重构过程，可以分为两个阶段：一是簇的建立，即包括簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇首节点的建立和调度机制的生成。二是传输数据的稳定阶段。每个节点随机选一个值，小于某阈值的节点就成为簇首节点，之后广播告知整个网络，完成簇的建立。在稳定阶段中，节点将采集的数据送到簇首节点，簇首节点将信息融合后送给汇聚点。一段时间后，重新建立簇，不断循环。

2、GAF（Geographic Adaptive Fidelity）

Y. Xu等人提出的一种利用分簇进行通信的路由算法。它最初是为移动Ad Hoc网络应用设计的，也可以适用于无线传感器网络。其基本思想是网络区被分成固定区域，形成虚拟网格，每个网格里选出一个簇首节点在某段时间内保持清醒，其他节点都进入睡眠状态，但是簇首节点并不做任何数据汇聚或者融合工作。GAF算法即关掉网络中不必要的节点节省能量，同样可以达到延长网络生存期的目的。

具体实现：当划分好固定的虚拟网格之后，网络中每个节点利用GPS接受卡指示的位置信息将节点本身与虚拟网格中某个点关联映射起来。网格上同一个点关联的节点对分组路由的代价是等价的，因而可以使某个特定网格区域的一些节点睡眠，而且随着网络节点数目的增加可以极大地提高网络的寿命，在可扩展性上有很好的表现。

2.2.4 QoS路由协议

除了上述三种路由协议分类之外，还有一些路由协议在路由建立时，需要考虑吞吐

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量、端到端时延等QoS性能参数，特别是在采集视频和音频数据时。

QoS是一个提供软实时端到端速率保证、网络拥塞控制及负载均衡的路由协议。该协议要求每个节点维护其邻居信息，使用SNGF（stateless geographic non-deterministic forwarding）算法寻找路径，并确保每个报文分组能以指定速度转发给汇聚节点。SPEED中的路由模块SNGF和其它四个模块一起构成其协议的框架，其中信标交换模块主要是搜集节点的地理位置信息；延迟估计模块主要计算数据包的传输延迟并将其发送给SNGF模块；邻居反馈模块NFL主要提供数据的转发率并将其返回给SNGF模块；反向重路由模块主要通过向源节点发送回送消息来避免路由空洞。与MANET的DSR和AODV协议相比，SPEED在端到端时延、丢包率及能量消耗上均优于二者。但是SPEED协议在路由过程没有考虑在多条路径上传输以提高平均寿命,传输的报文也没有优先级机制.

2.2.5 比较与分析

表2-1 三种协议性能比较

[2]

扩散法 DD 广 播 谣传路由 SPIN GEAR 坐 标 GEM GRWLI 分 簇 LEACH GAF

能量高效 可扩展性 鲁棒性 不是 是 不是 是 是 是 是 是 是 好 受限 好 受限 受限 好 好 不好 不好 不好 好 不好 好 好 好 好 好 好 快速收敛性 不好

好 不好 好 好 好 很好 很好 很好

经过上面的简单介绍，每个协议在其设计的时候都有各自的侧重点和最优的方面，按照衡量标准可以把以上协议做简略的比较并找出相对较好的一类协议。其中，如何提

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供有效的节能，即能量有效性是无线传感器网络路由协议最首要注重的方面，可扩展性和鲁棒性是路由协议应该满足的基本要求，而快速收敛性和网络存在的时间有紧密的联系。依据上述四个标准，对本文所列举的路由协议的比较见表2-1。

由上表可见，广播式总是存在一种矛盾，当具有好的扩展性时势必以差的鲁棒性和能量高效为代价，即以牺牲鲁棒性换取扩展性和高能量，这同时也严重影响了节点的快速收敛性。而坐标式弥补了广播式的不足，可以同时达到四个衡量标准。分簇式相对于前两种方式来说，具备了较好的性能，可以满足人们对传感器网络的一般要求。所以，以能量高效、可扩展性、鲁棒性和快速收敛性四个基本标准来衡量路由协议，分簇式是最佳的选择。

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第三章 基于OPNET的无线传感器路由仿真

为了比较无线传感器网络路由的优劣，探索无线传感器网络路由的发展趋势，本文选取无线传感器网络中两个比较有代表性的路由在OPNET软件上进行了仿真实验。

1、通过对定向扩散路由的模式分析，了解DD路由的运做过程，从而进行仿真实验和分析；

2、通过对QoS路由策略分析，基于DD路由（DirectedDiffusion）对QoS路由扩展和改进，比较传统DD与QoS路由在不同条件的性能，研究QoS路由的优势；

3、通过对分簇路由协议中LEACH协议研究和算法的分析，将其与另一种简单的直接传输（Direct Trans）协议进行比较，从OPNET的分析结果中研究分簇路由的优势。

3.1 定向扩散路由仿真与分析

3.1.1 定向扩散（DirectedDiffusion）路由模式分析

定向扩散包括以下几个要素：“兴趣”、数据消息、“梯度”以及路径加强。 兴趣即对一个具体要求的描述，为了取得数据，每一个兴趣都包含了某个受传感器网络支持的感应任务的描述。总体而言，传播的传感器网络中是收集一个物理现象的信息或数据处理信息。这些数据构成的感应现象的简要说明为“事件”。在DD路由中，数据以“属性对”的形式被命名的，如：“区域—湖南文理学院” 、“编号——0010” 等。感应任务在传感器网络里是以对被命名数据的兴趣的形式建立拓扑的。在传感器网络之中，这种拓扑结构通过建立梯度来“引导”事件。

源节点 (a) 兴趣扩散

兴趣 事件 Sink节点 18

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事件 源节点 梯度 Sink节点 (b) 路径选择

事件 源节点

Sink节点 (c) 路径加强和数据传输

图3-1 定向扩散模式流程

3.1.2 运行仿真

在仿真模型中，设定了一个 sink 节点和多个感应节点，这些感应节点有些作为源节点，有些作为中继节点，有些则在某次任务中暂时不发挥作用。节点的角色是随着任务的不同，以及目标状况不断变换的。

1、SINK 节点

如图3-2所示，描绘了在节点编辑器中看到 sink 节点的进程流图。rec 和 trans 分别表示收发机进程，sink_gene 表示了在 sink节点中兴趣产生进程，sink 表示对 sink 节点的控制进程。

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图3-2 sink 节点

接下来主要介绍 sink 和 sink_gene 进程:

在 sink 进程中，我进行了一些对 sink 节点的设定。其中主要实现的是能量监视功能，首先设置特定的能量消耗和能量储备，我们能够动态模拟系统的能量变化情况。节点的能量也是可以耗尽的，我们设定了一个标识符以及对一些特定时刻的记录，这些将会在对节点进行管理的时候发挥作用。

在 sink_gene 进程中，我们主要的工作室兴趣创建，如图3-3所示，在进程编辑器中见到的 sink_gene 进程的各个模块。在进程中，我们设定包间隔是随机变量，以模仿在实际情况中因地形、传输方式、地理距离等不可测情况的区别而造成的时延。

图3-3 sink_gene 进程

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在兴趣设定过程中，我们将包格式设定包括了发送者“send_id” 、类型“ type” 、兴趣序号“sequence” 、时间戳“timestamp”的属性，这些都是在兴趣扩散后反过来建立梯度网的必要属性。值得一提的是“sequence”，它标记队列中的兴趣序号，我们以此表示某个具体的兴趣，在实际应用中，各种具体的兴趣也是可以数字化的，所以，我们认为这样的设置方式也是具有普遍意义的。

2、感应节点

如图3-4所示，在感应节点的设定中，process 和 trans 两个进程是核心进程。他们分别的作用是节点中的包的建立和对包传输进行处理从而建立拓扑，并判断节点在特定情况下的角色等。

图3-4 感应节点 3、仿真波形

针对节点的剩余能量、总能量和数据延迟进行了仿真观测。其中，剩余能量、总能量和数据延迟都是局部变量，它们都反映了一个节点的状态变化。

在我们的仿真中，我们设定了每个节点的总能量值以及在某些特殊情况下的节点能量消耗值。具体的设置如下：

#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 数组反映了，我们所规定的节点在扮演不同类型的角色时，它们的能量消耗情况，这些消耗值是有差别的，个体能量消耗可以根据要求具体设置。关于能量转化问题，

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参考如下语句

剩余能量变化：

Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=TX_RF*CONTROL_MESSAGE Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=TX_RF*DATA_MESSAGE; Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=RECV_DATA_ENERGY; Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=RECV_CONTROL_ENERGY; 总能量变化：

total_energy-=TX_RF*CONTROL_MESSAGE; total_energy-=TX_RF*DATA_MESSAGE; total_energy-=RECV_DATA_ENERGY; total_energy-=RECV_CONTROL_ENERGY; 总能量支出变化：

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;

数据延迟反映了网络性能的变化，因为我们采取了对剩余能量最多的节点传输数据的方法，所以，不会出现某个节点总是传输数据而将能量快速消耗的情况。

[3]

（a)节点数据延迟变化

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（b）节点数量变化图

（c）各类mode剩余能量变化情况

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（d）节点数据延迟变化、总能量和剩余能量

图3-5 仿真波形图

由于我们进行路径选择的规则是，向剩余能量最多的节点建立最大梯度，因此，我们选择对剩余能量、总能量和数据延迟进行观察。

下面来分析一下我们得到的仿真波形图3-5。根据需求分析，在场景中我们设置了，在一个范围内的节点符合 sink 发送的兴趣，分析数据传输过程中时延和能量的变化。由图可以看到，我们在协议中是以剩余能量为路由选择参数的，这可以增加每个节点的寿命，即剩余能量变化比较平缓。但是选择的路径不一定就是最佳路径，所以数据传输的延时可能会比较长。随着时间变化，时延的增加，这是因为根据节点剩余能量的变化，数据传输的路径也将会发生变化。

所以来说，能量与延迟是负增长。因此定向扩散协议比较适合对节点寿命要求比较高、对时延要求比较低的场合。

3.1.3 结果分析

在模型中，我们可以看出定向扩散路由协议的若干特性。第一，通过建立梯度可是在众多路径中建立起唯一的最优路径，而这个最优路径就是最节能的；第二，通过监测

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属性的变化来对路径进行评估，然后对特定的路径进行加强或者削弱；第三，在 OPNET 平台上，定向扩散路由的一些参数是随机设置的，而在实际的监测中，它们都将是特定的一些值，而梯度也会因此被赋予具体。这些都是我们在架设实际网络中应该特别留意的方面。

3.2 QoS路由仿真与分析

目前,已提出的很多无线传感器网络的路由协议，但是很大一部分都是假定服务基于单一的尽力而为模型。随着研究和应用的不断深入，不同业务对网络服务质量(QoS)提出了不同的要求，如：军用监控传感器网络中,对某区域关键参数(如空气中的放射物质浓度)的周期性测量，要求传输可靠的检测结果，尽可能低的分组丢失率；而在事件驱动的敌方目标识别和跟踪中，实时数据传输则对延迟和抖动非常敏感。在无线传感器网络中，要求提供有保证的差别服务,同时能在全网范围内实现资源的充分有效利用，QoS路由是解决该问题的关键技术之一。

[4]

3.2.1 QoS路由策略分析 1、QoS度量选择

可选QoS度量包括时延、带宽、分组丢失率和网络吞吐量等，它的选择反映了网络特点和应用需求。这里,以网络生存期为优化目标,选择路径节点最小剩余能量、时延和时延抖动以及分组丢失率等作为QoS路由度量。

2、QoS路由计算

多约束QoS路由选择通常是NP完全问题,可用去度量相关性或转化为单一度量来降低计算复杂度。本章对多约束度量采用优先级调度法：将入选QoS度量依需求按优先级排序，路径选择按优先级依次进行，下一级度量计算基于前一级所得的路径子集，直到满足所有QoS度量。另外，能力有限的传感节点采用依靠邻居节点信息的分布式计算。

3、QoS路由维护

路由更新的频率和消息的大小应在路由开销和计算准确性上折衷。通过其他辅助信息(如地理信息等)或设定更新阈值可限制泛洪范围和降低泛洪频率。路由建立或维护时

[4]

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机基于按需驱动模式，可在连接未断时提供软QoS保证；链路失效时,需通过备份路径、路径修复以及自适应等机制来实现服务质量的平滑过渡。

3.2.2 基于定向扩散路由的QoS路由扩展

1、定向扩散路由（DD）及其扩展机制

DD为缺乏全局地址标识的无线传感器网络提供了一种以数据为中心，依赖局部梯度(gradient)信息选择下一跳节点进行数据扩散和网间数据聚合处理的数据分发模式。它提供对任务与数据的命名和操作算子，采用发布/订阅模式(publish/subscribe)来建立传感器网络中有效节点、观测节点和中间节点间的梯度关联，可提供稳定的多径传递和路径子集选择。它的主要步骤包括：兴趣(Interest)通告、兴趣匹配、梯度建立、路径维护、数据聚合和下一跳选择。

DD默认提供基于最小延迟的路由机制，但它定位为一种数据分发模式，适合研究人员以滤器和滤器优先级组合的形式设计新的路由选择和数据聚合处理算法，如GEAR和GPSR。如图3-6所示是基于DD的节点信息处理流程。应用层、内核、滤器和滤器优先级组合的交互过程,是扩展DD的基础。

Filter App F1 FilterF2 [4]

Directed Diffusion Core

图3-6 基于DD的节点信息处理流程图

2、算法描述

对传统DD的改进体现在三个方面：梯度建立、节点选择和路径维护。算法的关键思想是利用节点的最大最小剩余能量(MaxMinPathnode-Energy，MaxMPE)和到观测节点的最小跳数(MinHop Count)来建立梯度。路径最小能量MPE是从观测节点到传感节点某路径上节点能量的最小值，它体现了该路径的能量瓶颈或最长可能接续时间；最大最小能量MaxMPE是从观测节点到传感节点之间多条路径的最大值，它是当前节点与观测节点

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间多条路径的能量瓶颈评价标准；最小跳MHC是观测节点到传感节点多条路径跳数的最小值，反映了路径的最优延迟指标。

梯度建立过程：兴趣分组携带上一跳节点能量、上一跳最大最小剩余能量、跳数、是否更新MaxMPE和是否更新MHC标志等字段；当同序号兴趣分组通过多径到达某节点，该节点比较自身能量和上一跳节点的MaxMPE，取小的为该路径的MPE，若此MPE比节点保存的MaxMPE大，或虽相等但跳数少，则更新节点的MaxMPE并保留对应的跳数，置“是否更新MaxMPE0”标志为真；若该路径跳数比当前MHC小，或虽相等但对应的MPE大，则更新节点的MHC并保留对应的MPE，置“是否更新MHC0”标志为真；两标志都为假则丢弃该兴趣分组，否则向邻居节点广播该分组。梯度建立过程的含义是在兴趣分组的泛洪过程中，组合利用MaxMPE和MHC建立两类梯度，对于实时业务，最小延迟被优先考虑并兼顾能耗均衡，对于尽力而为业务，能耗均衡则被优先考虑而兼顾较小的延迟。

[14]

周期性兴趣泛洪和路径探测是传统DD的路径维护进行路径增强或者抑制的方式,但没有提供对失效节点的快速修复，而且对故障节点的多次发送尝试会消耗当前节点的能量并增加了分组的端到端时延。所以,在原有DD路径维护机制基础上定义如下规则来提供对失效链路的快速本地修复和节点失效通知：

规则1(路径快速本地修复)：若当前节点的下一跳传输失败，则在邻居信息表中将与此下一跳节点间的链路代价标为无限大，并重新进行下一跳的选择。若失效节点和有效节点的比率超过给定阈值，则主动发出链路状态更新的请求，由观测节点重新发起梯度更新过程。

规则2(节点失效通知)：在节点能量低于设定阈值后，该节点就会主动向邻居节点发出失效通知。规则2反向调动规则1，可以大大减少由于对失效链路尝试所带来的时延开销和能量消耗。

失效节点和有效节点的比率阈值设置与网络和应用相关，若取值太大，下一跳数据传递失败的概率越大，可能带来性能的较大抖动；如果太小，就带来过大的网络负载和不必要的能耗。

3、仿真环境

在OPNET仿真环境下，我们通过建立网络范围200×200，网络节点数为300，节点随机分布而且无线传感器网络仿真场景静止，其发送接收最大参考距离为15；节点采用

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IEEE802.11MAC层协议，带宽2Mb/s；观测节点一个，位于网络场景右上角，目标区域在左下角；仿真过程中假定目标区域节点通过聚合处理，只有一个传感节点返回匹配数据；仿真时间为网络生存期结束。因为节点的通信能耗比重最大，所以不考虑感知能耗。设置节点能量为14000单位，发送、接收一个分组消耗5单位。仿真结果置信度0.95，其余主要仿真参数包括：观测节点兴趣泛洪周期300s；传感节点兴趣匹配后产生280个数据分组包；数据分组包数据负载1024Byte。

4、评价方法

网络仿真性能评价指标包含端到端延迟、网络生存期和延迟抖动、分组传输率和分组传送代价：

网络生存期，目的是考查协议在节点能量消耗和网络能耗均衡等方面的性能，包括I类和II类网络生存期。

端到端延迟和延迟抖动，延迟是分组从源节点到接收节点的平均经过时间，延迟抖动是同一业务流之间不同分组的延迟变化量。实时业务的QoS需求对这两项指标非常敏感。

分组传输率，成功接收分组和发送分组的比率，反映分组传输质量。 分组传输代价，控制分组与数据分组的比率。 5、与传统DD的性能比较

表3-1是采用实时业务滤器和尽力而为业务滤器的改进算法，与采用默认最小延迟策略的传统DD的性能比较，考察其两类网络生存期，其中A为传统DD算法、B为只采用实时业务滤器的改进算法、C只采用尽力而为业务滤器。从平均时延来看，实时业务滤器能获得最佳性能。分组传输率在各种情景下均较高，原因是节点静止且网络拓扑稳定，而2Mbs带宽足以满足业务带宽需要。从I类网络生存期来看，采用实时业务滤器比传统DD提高了50%，而且尽力而为业务滤器则提高了540%；从II类网络生存期来看,采用实时业务滤器仅比传统DD提高了7%，而尽力而为业务滤器则提高了21%。试验结果表明改进后算法可对两类业务提供有保证的差别服务，同时可在全网范围内实现能量资源的充分有效利用，实现网络能耗均衡。实时业务滤器的性能提升较小，原因是最小跳策略与传统DD的最小延迟策略类似，但是兼顾考虑最大化路径能量瓶颈还是明显提升了性能。从协议代价上来看,改进后算法有一些增加，原因是更复杂的梯度建立策略

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以及链路快速修复机制所导致的协议控制开销。

表3-1 性能比较

算法 性能 网络生存期 A B C Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 业务类型 不支持 RT&BE RT RT BE BE 平均ETE包延迟(ms) 规格化数据包收/发 分组传输率(%) 3625 19268 5192 24300 24120 25260 2.35 3.94 1.55 2.28 3.01 4.12 123/125 703/731 190/192 760/785 839/845 831/853 控制包总数 2370 14700 11400 49010 38824 39256 7、结果分析

DD提供了可扩展的无线传感器网络数据分发机制，本文基于DD路由协议，利用路径上节点的最小能量和到观测节点的跳数建立两类梯度，采用优先级调度法来作为多约束的路由策略，通过构造波尔兹曼概率选择下一跳节点，扩展了路径维护机制，得到了一种无线传感器网络的QoS路由算法。它与DD的实施模式无关,可在满足不同业务资源需求的同时，追求能量资源在全网的均衡使用，网络生存期被大大提高。仿真结果表明，在混合业务模式下，它能很好的支持不同业务的资源需求分配，可以达到全网最优能耗均衡，而且网络生存期大大提高。

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3.3 分簇路由仿真与分析

与其他传感器网络一样，无线传感器网络最重要的就是他的可扩展性。随着传感器节点密度的增加，必然会导致网关节点的负载过重，这种超负载的现象必然会导致传输延迟或者是跟踪监测事件不及时。另外，在大面积的单层网络监测区域内，传感器节点不支持长距离的通行，而单层网络是不可扩展性的，所以为了在不降低通信服务质量的前提下，又能解决额外的和超监测区域内的通信问题，我们提出了分簇路由。

分簇路由协议因具有管理拓扑方便，能量利用高效和数据融合简单的优点，成为当前研究最热门的技术之一。在分簇路由协议中，网络常常被划分成若干个簇。所谓的簇，就是一些有关联的节点组合而成节点的集合。每个簇都是有一个簇头和一些簇内节点组成的，低一级网络的簇头就是高一级网络的簇内节点，由最高的簇头与基站联系。

分簇路由机制有以下几个优点：

1、成员节点大部分时间是关闭通行模块的，只有簇头节点在融合了所有成员节点的数据后与基站长距离联系。这样节省了网络能量；

2、成员节点的功能简单，这样就减少了路由控制信息的数量；

3、分簇拓扑结构管理简单，有利于分布式算法，能够对系统变化做出迅速的相应变化，具有很好的可扩展性，容易克服节点移动带来的问题，适合大规模的网络。

LEACH协议是最早提出的分簇路由协议。虽然有一些分簇路由协议独立于LEACH协议而单独开发的，但大多数分簇路由协议是受到LEACH协议的启发。接下来我们就以LEACH协议为例来讲分簇路由协议。

3.3.1 LEACH协议简介

LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）按簇将网络分为若干个小区，每个小区由一个簇头和多个节点组成的，它的网络模型如下图所示。LEACH算法是一种周期性自适应分簇拓扑算法，每一个周期循环地分为簇的建立阶段、簇的形成和稳定的数据通信阶段。它兼有了路由协议和拓扑控制机制的功能。在簇的建立阶段相邻节点动态的形成簇，随机地生成簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并且把结果发送给汇聚节点。

[5]

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图3-7 LEACH协议结构图

簇成员节点 BS 簇 簇头节点 3.3.2 LEACH协议算法分析

LEACH协议算法的循环分为以下三步：一、簇的产生；二、簇的形成；三、簇的路由。

首先，LEACH算法簇头的产生过程是分布式算法，即节点产生一个在0-1之间的随机数，与阀值T(n)比较，小于阀值T(n)的可以当选簇头，但是当过之后就不能再当了，设T(n)=0。这样到后面，剩余节点当选簇头的概率就增大了。当只剩下一个节点没有当选簇头时候，这个节点必然就会当选，设T(n)=0。

[5]

其中：p是节点当选簇头的概率；r是目前循环进行的轮数；G是最近1/p轮中还未当选簇头的节点的集合。

其次，簇的形成算法：簇头产生后，簇头向监测区域广播成簇头的消息，然后节点根据自己的位置和簇头的强弱决定加入哪个簇，这就是簇的形成的过程。

[5]

最后，数据传输算法：簇形成后，其他节点根据自己的地理位置来选择加入哪个簇就向那个簇发送加入消息，簇头收到加入消息就会向其他簇内节点发送TDMA和CDMA编

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码的定时消息。簇内节点收到消息后就会在自己的时间内发送数据，经过数据传输，簇头收集簇内节点发送的消息后开始进行数据融合算法来处理数据，最后直接发送给汇聚节点。

3.3.3 LEACH协议的仿真

本论文对LEACH 协议进行仿真，同时为了能够比较，我仿真了另外一种简单的直接传输（Direct Trans）协议，这个协议的特点就是不对网络进行分簇，所有节点直接向汇聚节点传输信号。

下面我们再详细的介绍建立网络模型、进程模型和节点模型的具体方法。 1、进程模型

通过对LEACH协议算法进行分析后，我对LEACH协议的进程模型建模，得到如下所示的状态图。协议的每个节点经历三个阶段，即初始化阶段、建立阶段和稳定阶段。

图3-8 进程模型图

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创建进程模型的方法为：

1、从File菜单中选择New，然后从列表中选择Process Model，单击确认按钮。 2、单击创建状态按钮，单击鼠标右键，Set name设置名称，Make State Forced改变状态颜色，红色为非强制状态，绿色为强制状态。Edit Enter Execs和Edit Exit Execs设置输入输出代码。如下图3-8所示。

3、点击确定开始状态，点击连接状态。单击选中链路，单击右键改变颜色和其他状态。单击编写状态的函数。

2、节点模型

OPNET中节点模型用于定义每个节点的工作。一个节点通常是由多个模块组成的，他的行为由他的使用来决定，每个模块完成节点的一部分功能。创建节点模型需要定义一个节点模型和一个进程模型。在LEACH协议的仿真模型中，传感器节点包括以下几个模块：1、ROUTE：他完成路由算法的实现功能；2、Energy：能量管理进程模块；3：MAC层模块以及MAC接口层模块。

创建节点模型的方法：

1、从File菜单选择New，选择Node Model，单击OK按钮。

2、在节点编译器的窗口放置三个进程模块、一个无线电接收机和一个无线电发射机。 3、如下图所示给每个模块命名。并用包流（包含在同一节点模型中不同模块间的物

理连接）将它们连接起来。当然，这里也可以根据自己的喜好将包流设置成不同的颜色。

图3-9 节点模型图

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3、网络模型

要建立多个节点，现在用OPNET 的外部模块访问EMA功能，这个功能是采用文本方式进行建模，可以采用循环语句来刻画多个特定规格的节点。在图形编译器中选择一个节点，选择Topology<-Export Topology<-To EMA，就可以生成EMA文件，它是以*em.c的形式编写的，观察这个文件，可以发现文件中包含设置节点属性的函数，将这个函数放到一个For循环语句中，将数量I 设为100，再把函数设置的属性值改为变量。这样就可以设置100个节点。编译成功后产生可执行文件*em.x，每执行一次程序就可以产生一个性的场景文件。在这里我们设置监测区域为100*100平方米的正方形区域，其中随机放入一百个传感器节点，节点的横左边与纵坐标服从[0,100]上的均匀分布。

图3-10 网络模型图

3.3.4 结果分析

在仿真过程中，假定每个节点每30秒发送一次数据信息，数据包的长度为100bytes，

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分簇的消息长度为25bytes，T(n)等于5个TDMA帧长。在同一个场景下，同时运行LEACH协议和Direct Trans协议，得到它们的一次仿真结果如图3-11所示：下图是仿真图像，横坐标是时间轴，纵坐标表示节点存活的个数。我们看出，LEACH协议能够有效地减少能量的耗损，节点成活率很高。所以它的生存时间是Direct Trans协议的两倍左右。

图3-11 LEACH与Direct节点存活率比较

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第四章 结论与展望

4.1 结论

无线传感器网络的路由是无线传感器网络研究中的热点问题。本文对无线传感器网络中的各种路由进行了分类，总结有广播式路由、坐标式路由、分簇式路由和QoS路由四中路由方式，用OPNET对典型的路由——DD路由协议、LEACH路由协议和QoS路由进行了仿真实验和对比,并分析和比较了各典型协议的特点。相比于DD协议，LEACH协议能够有效地减少能量的耗损，节点成活率很高，所以它的寿命是DD协议的两倍左右。QoS是在DD模式上进行改进,扩展了路径维护机制，可在满足不同业务资源需求的同时，追求能量资源在全网的均衡使用，网络生存期被大大提高，结果表明，在混合业务模式下，它能很好的支持不同业务的资源需求分配，可达到全网最优能耗均衡，网络生存期大大提高。通过上述仿真实验，从而对现存无线传感器网络的路由进行了深入的研究，并且对无线传感器网络路由的发展趋势和研究方向做了分析。

通过对无线传感器网络了解、对无线传感器网络路由的分析研究，，参考相关文献，对无线传感器网络路由得有结论如下：

由于无线传感器网络资源有限且与应用高度相关,研究人员在设计路由协议时采用了多种策略。其中好的协议应具有以下特点：

1、针对节点能量高度受限，路由协议必须要高效利用能量以便延长网络生存时间；

2、针对节点数据有相关性、包头开销大、节点能量有限等特点，路由协议需要采用

数据聚合、数据过滤等技术；

3、对节点移动性不大的特点，路由协议不需要维护节点的移动性；

4、对节点因所处位置及承担的责任不同而导致负载不平衡的特点，路由协议需采用通信量负载均衡技术；

5、对网络相对封闭、不提供计算等特点,路由协议只在sink点考虑与其他网络互连；

6、对网络节点不常编址的特点，路由协议需采用基于数据或基于位置的通信机制; 7、对节点易失效的特点,通信协议需采用多路径机制。

从当前的各种路由进行分析与总结可以看出,一个好的无线传感器网络路由是以减少通信量、负载均衡、支持移动性、容错性、组播路由、路由安全、可扩展性、QoS路

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由、跨层协议优化、与IPv6 结合为目标的。

4.2 展望

无线传感器网络具有非常广泛的应用，它不仅在行业的传统领域，农业，军事，环境，医疗等使用具有很大的价值，将体现其优越性，如在许多家庭，卫生保健新兴领域在未来，交通运输等领域。。我们可以大胆预见的将来，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。如微传感器网络可能最终成为家电，个人电脑和互联网连接等日常用品，以实现远距离跟踪，家庭防盗无线传感器网络，负责监管，节能减排等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是，就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：

1、网络内的通信问题。无线传感器网络的正常通信链路，信号可能是一些障碍物或其他电子信号干扰的影响，怎么安全、有效的沟通是需要研究的一个问题。此外，该系统的有限的能量也是该网络可以影响正常通信的一个问题。

2、成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。

3、高效的无线传感器网络体系结构。网络架构的无线传感器网络是一种无线传感器网络技术的组织，也有各种各样的形式和方法，理性的无线传感器网络可以最大限度地利用资源。

4、系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。

关于无线传感器网络路由是目前研究的热点信息获取和信息处理的研究，许多学者在这方面，卓有成效的工作做了很多，并提出了许多有价值的理论和应用的角度和方法。在过去的几年里，他们做了很多的无线传感器网络通信协议。但技术是不断更新的、成熟的，我们未来还有很多工作要做的。

我们应该清楚的意识到，无线传感器网络技术才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远远谈不上成熟，国内企业应该抓住机遇，加大投入力度，推动整个行业的发展。

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参考文献

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基于OPNET的无线传感器网络路由仿真与研究

致 谢

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