無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各類路由協(xié)議仿真(共22頁)

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課 程 無線傳感網(wǎng)絡(luò)各類路由協(xié)議仿真 1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸離不開路由協(xié)議，路由協(xié)議是其組網(wǎng)的基礎(chǔ)，路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一，其主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。本次實(shí)驗(yàn)將仿真各類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。2.實(shí)驗(yàn)要求爭取考慮全面，考慮到各因素對各類協(xié)議的影響，以提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能。3. 設(shè)計(jì)思想(1) Flooding 泛洪是一種傳統(tǒng)的路由技術(shù)，不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行路由計(jì)算，接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)分組。對于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)，泛洪路由是一種較直接的實(shí)現(xiàn)方法，但消息的“內(nèi)爆”(implosion)和“重疊”(overlap)

2、是其固有的缺陷。為了克服這些缺陷，S.hedetniemi等人提出了Gossiping策略，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)它接收到的分組，而不是采用廣播形式。這種方法避免了消息的“內(nèi)爆”現(xiàn)象，但有可能增加端到端的傳輸延時(shí)。 Flooding路由協(xié)議中的內(nèi)爆和重疊問題(2) SPIN (sensor protocol for information via negotiation) SPIN是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過協(xié)商機(jī)制來解決泛洪算法中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題。傳感器節(jié)點(diǎn)僅廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息，當(dāng)有相應(yīng)的請求時(shí)，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有3種類型的消息，即ADV，RE

3、Q和DATA。ADV用于新數(shù)據(jù)廣播。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可共享時(shí)，它以廣播方式向外發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包中的元數(shù)據(jù)。REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收DATA數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。DATA包含附上元數(shù)據(jù)頭(meta一header)的實(shí)際數(shù)據(jù)包。SPIN協(xié)議有4種不同的形式: SPIN-PP：采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式，并假定兩節(jié)點(diǎn)間的通信不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾，分組不會丟失，功率沒有任何限制。要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過ADV向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播消息，感興趣的節(jié)點(diǎn)通過REQ發(fā)送請求，數(shù)據(jù)源向請求者發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)再向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播ADV消息，如此重復(fù)，使所有節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會接收到任何數(shù)據(jù)。 SPIN

4、-EC：在SPIN-PP的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點(diǎn)的功耗，只有能夠順利完成所有任務(wù)且能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點(diǎn)才可參與數(shù)據(jù)交換。 SPIN-BC：設(shè)計(jì)了廣播信道，使所有在有效半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)完成數(shù)據(jù)交換。為了防止產(chǎn)生重復(fù)的REQ請求，節(jié)點(diǎn)在聽到ADV消息以后，設(shè)定一個(gè)隨機(jī)定時(shí)器來控制REQ請求的發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)聽到該請求，主動放棄請求權(quán)利。 SPIN-RL：它是對SPIN-BC的完善，主要考慮如何恢復(fù)無線鏈路引入的分組差錯(cuò)與丟失。記錄ADV消息的相關(guān)狀態(tài)，如果在確定時(shí)間間隔內(nèi)接收不到請求數(shù)據(jù)，則發(fā)送重傳請求，重傳請求的次數(shù)有一定的限制。圖3.2表明了SPIN協(xié)議的路由建立與數(shù)據(jù)傳送。 SPIN協(xié)議的路

5、由建立與數(shù)據(jù)傳送基于數(shù)據(jù)描述的協(xié)商機(jī)制和能量自適應(yīng)機(jī)制的SP創(chuàng)協(xié)議能夠很好地解決傳統(tǒng)的Flooding協(xié)議所帶來的信息爆炸、信息重復(fù)和資源浪費(fèi)等問題。此外，由于協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需知道其單跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，拓?fù)涓淖兂尸F(xiàn)本地化特征。SP州協(xié)議的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)廣告機(jī)制不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳遞，如果對數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn)或者在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)中間的節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)不感興趣，那么數(shù)據(jù)就不可能被傳遞到目的地。因此，對于入侵發(fā)現(xiàn)等需要在定期間隔內(nèi)可靠傳遞數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)來說，SP州并不是一個(gè)很好的選擇。(3) SAR (sequential assignment routing) 在選擇路徑時(shí)，有序分配路由(SAR

6、)策略充分考慮了功耗、QoS和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求，采用局部路徑恢復(fù)和多路經(jīng)備份策略，避免節(jié)點(diǎn)或鏈路失敗時(shí)進(jìn)行路由重計(jì)算需要的過量計(jì)算開銷。為了在每個(gè)節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)間生成多條路經(jīng)，需要維護(hù)多個(gè)樹結(jié)構(gòu)，每個(gè)樹以落在sink節(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為根向外生長，枝干的選擇需滿足一定QOS要求并要有一定的能量儲備。這一處理使大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)屬于多個(gè)樹，可任選其一將采集數(shù)據(jù)回傳到sink節(jié)點(diǎn)。(4) LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) LEACH是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法

7、。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法相比,LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%,主要通過隨機(jī)選擇聚類首領(lǐng),平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來實(shí)現(xiàn)。LEACH定義了“輪”(round)的概念,一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成。為了避免額外的處理開銷,穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對較長的時(shí)間。 如圖3.4所示：初始化階段穩(wěn)定工作階段時(shí)間 LEACH協(xié)議的時(shí)序圖在初始化階段,聚類首領(lǐng)是通過下面的機(jī)制產(chǎn)生的。傳感器節(jié)點(diǎn)生成0,1之間的隨機(jī)數(shù),如果大于閾值T,則選該節(jié)點(diǎn)為聚類首領(lǐng).T的計(jì)算方法如下: （3.1）其中p為節(jié)點(diǎn)中成為聚類首領(lǐng)的百分?jǐn)?shù),r是當(dāng)前的輪數(shù)。 當(dāng)簇頭選定之后，簇頭節(jié)點(diǎn)主動向網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭

8、的消息(ADV_CH)。接收到此消息的節(jié)點(diǎn)，依據(jù)接收信號的強(qiáng)度，選擇它所要加入的簇，并發(fā)消息通知相應(yīng)的簇頭(JOIN_REQ)?；跁r(shí)分多址(Time Division Multiple Address，簡稱TDMA)的方式，簇頭節(jié)點(diǎn)為其中的每個(gè)成員分配通信時(shí)隙，并以廣播的形式通知所有的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)(ADVSCH)。這樣保證了簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在指定的傳輸時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在其他時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少了能量消耗。在穩(wěn)定工作階段，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，在自身傳輸時(shí)隙到來時(shí)把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳給簇頭節(jié)點(diǎn)(DATA)，如圖3.5所示。簇頭節(jié)點(diǎn)對接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理之后，發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)，這是一種減小通信業(yè)務(wù)量的

9、合理工作模式。持續(xù)一段時(shí)間以后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周期，重新選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。 LEACH協(xié)議采用動態(tài)轉(zhuǎn)換簇頭的方法來平均網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，使因能量耗盡而失效的節(jié)點(diǎn)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因而與一般的多跳路由協(xié)議和靜態(tài)簇算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%。但是LEACH協(xié)議在每輪固定簇頭節(jié)點(diǎn)后在劃分簇的過程中，簇頭節(jié)點(diǎn)開銷較大。并且簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇無法達(dá)到最優(yōu)，有可能簇頭節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣或者幾個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)相鄰，某些節(jié)點(diǎn)不得不傳輸較遠(yuǎn)的距離來與簇頭通信，這就導(dǎo)致了大量能量消耗。而且LEACH協(xié)議所有簇頭節(jié)點(diǎn)直接與Sink節(jié)點(diǎn)通信，采用連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送模式和單跳路徑選擇模式，使得每輪中簇頭節(jié)點(diǎn)能

10、耗巨大，因此不適合在大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。(5) TEEN (threshold sensitive energy efficient sensor network protocol) 依照應(yīng)用模式的不同，通?？梢院唵蔚貙o線自組織網(wǎng)絡(luò)(包括傳感器網(wǎng)絡(luò)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò))分為主動(proactive)和響應(yīng)(reactive)兩種類型。主動型傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)監(jiān)測周圍的物質(zhì)現(xiàn)象，并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)；而響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在被觀測變量發(fā)生突變時(shí)才傳送數(shù)據(jù)。相比之下,響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)更適合應(yīng)用在敏感時(shí)間的應(yīng)用中。TEEN和LEACH的實(shí)現(xiàn)機(jī)制非常相似,只是前者是響應(yīng)型的，而后者屬于主動型傳感

11、器網(wǎng)絡(luò)。在TEEN中定義了硬、軟兩個(gè)門限值，以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次超過設(shè)定的硬門限時(shí),節(jié)點(diǎn)用它作為新的硬門限,并在接著到來的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送它。在接下來的過程中，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟門限界定的范圍，則節(jié)點(diǎn)傳送最新采集的數(shù)據(jù)，并將它設(shè)定為新的硬門限。通過調(diào)節(jié)軟門限值的大小，可以在監(jiān)測精度和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡。圖3.6表示的是TEEN協(xié)議中由聚簇構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)。SinkHigh level cluster head ClusteringNormal sensor nodeLow level cluster headTEEN協(xié)議中由聚簇構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)TENE適用于實(shí)時(shí)

12、性要求較高的應(yīng)用場合，比如入侵警報(bào)，爆炸預(yù)警等，用戶可以及時(shí)獲取感興趣的信息。而且用戶可以通過設(shè)置不同的軟門限方便地平衡監(jiān)測的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)節(jié)能性兩項(xiàng)指標(biāo)。但是這個(gè)方案也有一些不足之處，例如門限值達(dá)不到，節(jié)點(diǎn)就永遠(yuǎn)不會和簇頭節(jié)點(diǎn)通信，用戶就無法從網(wǎng)絡(luò)得到任何數(shù)據(jù);沒有相應(yīng)的機(jī)制去區(qū)分那些沒有感應(yīng)到足夠大變化的節(jié)點(diǎn)和處于關(guān)閉狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，所以TEEN協(xié)議不適合應(yīng)用在。(6) PEGAGIS (power-efficient gathering in sensor information system)PEGASIS由LEACH發(fā)展而來。它假定組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)且靜止的。節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量遞減的測試

13、信號，通過檢測應(yīng)答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點(diǎn)。在收集數(shù)據(jù)前，首先利用貪心算法將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)連接成一條單鏈。通過這種方式，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠了解彼此的位置關(guān)系，進(jìn)而每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)自己的位置選擇所屬的聚類，聚類的首領(lǐng)向鏈的兩端發(fā)出收集數(shù)據(jù)的請求，數(shù)據(jù)從單鏈的兩個(gè)端點(diǎn)向首領(lǐng)流動。中間節(jié)點(diǎn)在傳遞數(shù)據(jù)前要執(zhí)行融合操作，最終由首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)將結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給Sink節(jié)點(diǎn)。因?yàn)镻EGASIS中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以最小功率發(fā)送數(shù)據(jù)分組，并有條件完成必要的數(shù)據(jù)融合，減小業(yè)務(wù)流量。因此,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗較小。研究結(jié)果表明，PEGASIS支持的傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是LEACH的近兩倍。 4.實(shí)驗(yàn)器材與工具M(jìn)ATLAB5.程序源代

14、碼function x=animation_datasmall=5; medium=20; large=50;% Event_name Animated Color/on/off/toggle Size anim_def=. 'Init_Application', 0, 0 0 0 , small, . 'Packet_Sent', 1, 0 1 0 , small, . 'Packet_Received', 1, 0 1 0 , small, . 'Collided_Packet_Received', 0, 1 0 0 , sm

15、all, . 'Clock_Tick', 0, 0 0 0 , small, . 'Channel_Request', 0, 0 0 0 , small, . 'Channel_Idle_Check', 1, 1 0 0 , small, . 'Packet_Receive_Start', 0, 0 1 0 , small, . 'Packet_Receive_End', 0, 0 0 0 , small, . 'Packet_Transmit_Start', 1, 1 0 0 , medium,

16、. 'Packet_Transmit_End', 0, 0 1 0 , small;for i=1:length(anim_def) a=anim_defi; x(i)=struct('event', a1, 'animated', a2, 'color', a3, 'size', a4);endfunction application(S)% DO NOT edit simulator code (lines that begin with S;)S; persistent app_data S; global

17、ID tS; t, event, ID, data=get_event(S);S; topology, mote_IDs=prowler('GetTopologyInfo');S; ix=find(mote_IDs=ID);S; if strcmp(event, 'Init_Application') S; try memory=app_dataix; catch memory=; end, S; endS; switch eventcase 'Init_Application' signal_strength=1; if ID=1 % firs

18、t node starts flood Set_Clock(1000) end PrintMessage('i') case 'Packet_Sent' PrintMessage('s') case 'Packet_Received' % data.data % message % data.signal_strength % received signal strength if memory.send p=sim_params('get_app', 'P'); if isempty(p); p=

19、.5; end if rand<p Send_Packet(radiostream(data.data, memory.signal_strength); end memory.send=0; PrintMessage('r') endcase 'Collided_Packet_Received' % this is for debug purposes only case 'Clock_Tick' Send_Packet(radiostream('Message for 00111 from Golomb', memory

20、.signal_strength);case 'GuiInfoRequest' disp(sprintf('Memory Dump of mote ID# %d:n',ID); disp(memory) case 'Application_Stopped' % this event is called when simulation is stopped/suspended case 'Application_Finished' % this event is called when simulation is finished

21、otherwise error('Bad event name for application: ' event)endS; app_dataix=memory;function b=Send_Packet(data);global ID tradio=prowler('GetRadioName');b=feval(radio, 'Send_Packet', ID, data, t);function b=Set_Clock(alarm_time);global IDprowler('InsertEvents2Q', make_e

22、vent(alarm_time, 'Clock_Tick', ID);function PrintMessage(msg)global IDprowler('TextMessage', ID, msg)function LED(msg)global IDprowler('LED', ID, msg)function varargout=infotitle1='Application FLOOD1D'str1= 'This application illustrates the simple flooding algorit

23、hm.' . ''. 'The sender mote transmits a message. Each mote receiving the'. 'message retransmits it with probability p.' ;. 'The value of p can be set in the ''Application Parameters'''. 'window. The default value is p=0.5'. ''. '

24、;If p is too low, the flood dies out before every mote could'. 'receive the message. If p it too high, the message is'. 'retransmitted several times after every mote have received it,' ;. 'thus causing an unnecessarily high settling time.'. ''. 'The optimal va

25、lue of p highly depends on topology.'. ''. 'You can change the topology by editing the file FLOOD1D_TOPOLOGY.'. ''. 'See also FLOOD2D.'. ''if nargout=0 helpwin( title1, str1, 'Application Info')else varargout= title1, str1;endfunction param=params;

26、param(1).name='P' param(1).default=0.5;function topology,mote_IDs=topology(varargin);Nx=10; Ny=1; % number of points on the gridix=1;t=;distx=1;disty=5;X=1:distx:(Nx-1)*distx+1;Y=1:disty:(Ny-1)*disty+1;for i=X for j=Y t=t; i,j; endendtopology=t;mote_IDs=1:Nx*Ny; function x=animationpersisten

27、t anim_dataif isempty(anim_data) small=5; medium=20; large=50; % Event_name Animated Color/on/off/toggle Size anim_def=. 'Init_Application', 1, 0 0 0 , small, . 'Packet_Sent', 2, 1 0 0 , small, . 'Packet_Received', 3, 1 0 0 , small, . 'Collided_Packet_Received', 4, 1

28、0 0 , small, . 'Clock_Tick', 0, 0 0 0 , small, . 'Channel_Request', 0, 0 0 0 , small, . 'Channel_Idle_Check', 1, 1 0 0 , small, . 'Packet_Receive_Start', 0, 0 1 0 , small, . 'Packet_Receive_End', 0, 0 0 0 , small, . 'Packet_Transmit_Start', 1, 1 0 0 ,

29、medium, . 'Packet_Transmit_End', 1, 0 1 0 , small; for i=1:length(anim_def) a=anim_defi; if i=1 anim_data=struct('event', a1, 'animated', a2, 'color', a3, 'size', a4); else anim_data(i)=struct('event', a1, 'animated', a2, 'color', a3, &

30、#39;size', a4); end endendx=anim_data;function application(S)S; persistent app_data S; global ID tS; t, event, ID, data=get_event(S);S; topology, mote_IDs=prowler('GetTopologyInfo');S; ix=find(mote_IDs=ID);S; if strcmp(event, 'Init_Application') S; try memory=app_dataix; catch me

31、mory=; end, S; endS; SENDER_ID=sim_params('get_app', 'Start_Mote'); if isempty(SENDER_ID), SENDER_ID=1; endswitch eventcase 'Init_Application' signal_strength=1; memory=struct('send',1, 'signal_strength', signal_strength); if ID=SENDER_ID % this node starts fl

32、ood Set_Clock(1000) end PrintMessage('i') case 'Packet_Sent' memory.send=0; PrintMessage('s') case 'Packet_Received' % data.data % message % data.signal_strength % received signal strength if memory.send p=sim_params('get_app', 'P'); if isempty(p); p=.

33、3; end % p=0.3; % p is forced to 0.3 / Comment this line if you want to use it for optimization if rand<p Send_Packet(radiostream(data.data, memory.signal_strength); end memory.send=0; PrintMessage('r') endcase 'Collided_Packet_Received' % this is for debug purposes only case '

34、;Clock_Tick' Send_Packet(radiostream('this is the message', memory.signal_strength); case 'GuiInfoRequest' if isempty(memory) disp(sprintf('Memory Dump of mote ID# %d:n',ID); disp(memory) else disp(sprintf('No memory dump available for node %d.n',ID); end case 

35、9;Application_Stopped' % this event is called when simulation is stopped/suspended case 'Application_Finished' % this event is called when simulation is finished otherwise error('Bad event name for application: ' event)endS; app_dataix=memory;S;function b=Send_Packet(data);global

36、 ID tradio=prowler('GetRadioName');b=feval(radio, 'Send_Packet', ID, data, t);function b=Set_Clock(alarm_time);global IDprowler('InsertEvents2Q', make_event(alarm_time, 'Clock_Tick', ID);function PrintMessage(msg)global IDprowler('TextMessage', ID, msg)functio

37、n varargout=infotitle1='Application FLOOD2D'str1= 'This application illustrates the flooding algorithm in 2D.' . ''. 'The sender mote transmits a message. Each mote receiving the'. 'message retransmits it with probability p.' ;. 'The value of p can be set

38、in the ''Application Parameters'''. 'window. The default value is p=0.5.'. ''. 'The starting node can also be selected (parameter Start_Mote).'. 'Try 1 to start from the lower left corner, and 55 to start from'. 'the center of the (10x10) grid.'. ''. 'If p is too low, the flood dies out before every mote could'. 'receive the message. If p it too high, the message is'. 'retransmitted several times after every mote have received it,' ;. 'thus causing an unnecessarily high settling time.'. '