無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的分析

0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議由于體積小、成本低、信息采集能力強(qiáng)，無線通信網(wǎng)絡(luò)具有良好的應(yīng)用前景，已成為該領(lǐng)域的一個(gè)新品種，也是該領(lǐng)域無線通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新研究熱點(diǎn)。而路由協(xié)議解決的是數(shù)據(jù)傳輸問題,路由協(xié)議的性能和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能密切相關(guān),因此,研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議具有重大意義。目前,許多路由協(xié)議被提了出來。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度,大體可以分為2類:即平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。常見的平面路由協(xié)議有:Flooding,Gossiping,SPIN,MTE等。由于平面路由協(xié)議需要維持較大的路由表,占據(jù)較多的存儲(chǔ)空間,因此并不適合在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中采用。在分層路由協(xié)議中,簇頭節(jié)點(diǎn)管理或控制整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的工作,可以在一定程度上解決平面路由協(xié)議的缺點(diǎn)。而LEACH算法是比較成熟的分簇算法,其他的算法,LEACH_C,LEACH_F,PEGASIS等,幾乎都是在LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上做的改進(jìn)。本文以LEACH路由協(xié)議為例,詳細(xì)介紹了基于NS2平臺進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的仿真過程,并繪出了性能分析圖。1簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)重建階段LEACH路由協(xié)議是Heinzelman(MIT,電子與計(jì)算機(jī)系)于2000年提出的分層的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。它主要分為2個(gè)階段,即簇首準(zhǔn)備階段(set-upphase)和就緒階段(readyphase)。簇準(zhǔn)備階段和就緒階段所持續(xù)的時(shí)間總和稱為一輪(round)。在簇準(zhǔn)備階段,傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)0,1之間的隨機(jī)數(shù),并且與閾值T(n)做比較,如果小于該閾值,則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)當(dāng)選為簇頭。T(n)按照下列公式計(jì)算:T(n)=???p1?p×(rmod(1p)),n∈G0,其他Τ(n)={p1-p×(rmod(1p)),n∈G0,其他式中:P為節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的百分?jǐn)?shù),r為當(dāng)前輪數(shù),G為在這一輪中未當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)集合。簇首節(jié)點(diǎn)選定后,廣播自己成為簇首的消息,節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的消息的強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇,并告知相應(yīng)的簇首,完成簇的建立過程。然后,簇首節(jié)點(diǎn)采用TDMA的方式,為簇內(nèi)成員分配傳送數(shù)據(jù)的時(shí)隙。在穩(wěn)定階段,傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇首節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后再將信息傳送給匯聚中心,匯聚中心將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。穩(wěn)定階段持續(xù)一段時(shí)間后,網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)行簇的建立階段,進(jìn)行下一輪的簇重建,不斷循環(huán)。LEACH路由協(xié)議的流程圖如圖1所示。2模擬塊協(xié)議的構(gòu)建過程2.1網(wǎng)絡(luò)模擬仿真器本文采用UcBerkeley開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器NS2來進(jìn)行模擬。NS2是一種功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真器,它使用C++和OTCL2種語言完成。NS2仿真可以分為構(gòu)件的擴(kuò)展階段,仿真階段,仿真結(jié)果分析階段。一般分為以下幾個(gè)步驟:1)編寫所需構(gòu)件;2)測試;3)編寫Otcl腳本文件;4)用NS命令執(zhí)行腳本文件;5)分析trace文件。2.2模擬調(diào)用協(xié)議的過程2.2.1主要能量消耗模型參數(shù)仿真簡介:本文仿真是在WindowsXP下用軟件CYGWIN模擬UNIX系統(tǒng)的環(huán)境,在此基礎(chǔ)上安裝NS-2.27。即仿真平臺為WindowsXP+CYGWIN+NS-2.27。圖2為采用的無線通信能量消耗模型。在此模型中,發(fā)送l個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗為:ETx(l,d)={Eelec×l+εfs×l×d2,d<d0Eelec×l+εamp×l×d4,d≥d0EΤx(l,d)={Eelec×l+εfs×l×d2,d<d0Eelec×l+εamp×l×d4,d≥d0,式中:d0=εfsεamp???√d0=εfsεamp,接收l個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗為:ERx=Eelec×l。在本次仿真中,無線通信能量消耗模型參數(shù)及意義如表1所示。假設(shè)數(shù)據(jù)在簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合消耗的能量為:EDA=5nJ/bit/signal,那么在上述的無線通信模型下,簇內(nèi)成員傳送lbit到簇頭節(jié)點(diǎn),簇內(nèi)成員消耗的能量為:Enon-CH=l×Eelec+l×εamp×dnto?CHto-CΗn簇頭傳送lbit到Sink節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量表示為:ECH=l×Eelec×(NK?1)+l×EDA×(NK)+l×Eelec+l×εamp×dnto?sinkECΗ=l×Eelec×(ΝΚ-1)+l×EDA×(ΝΚ)+l×Eelec+l×εamp×dto-sinkn2.2.2修改ns-2.27下的構(gòu)成文件1)安裝好WindowsXP+CYGWIN+NS-2.27后,下載mit.tar.gz,將其解壓到ns-2.27的目錄下。2)修改ns-2.27下的Makefile文件,輸入makeclean、make、nohupmake2>error.log>make.log&,進(jìn)行編譯。3)修改ns-2.27下的test文件,按照mit/uAMPS/sims/uamps.tcl文件中的變量,來修改tcl/lib/ns-default.tcl,添加協(xié)議運(yùn)行的參數(shù)。4)修改leach_test文件,添加leach協(xié)議運(yùn)行所需的環(huán)境參數(shù)。2.2.3生成n-ams/sims文件場景文件可以使用ns-2.27/mit/uAMPS/sims目錄下的100nodes.txt文件.或者在目錄ns-2.27/mit/uAMPS/sims下執(zhí)行nsgenscen命令,執(zhí)行完該命令后,在該目錄下產(chǎn)生new100nodes.txt文件,即得到100個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)。本次仿真用到文件的為100nodes.txt。圖3為100個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布圖。2.2.4sisk節(jié)點(diǎn)設(shè)置模擬開始時(shí),采用將100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在(100×100)的空間中,將SINK節(jié)點(diǎn)設(shè)置在(X=50,Y=175)的地方,所有節(jié)點(diǎn)都是靜止的.帶寬設(shè)置為1Mbps,消息長度設(shè)置為500byte,發(fā)送與接收的時(shí)延均為25μs,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量均為2J。2.2.5生成letch.有效運(yùn)行./test后,運(yùn)行./leach_test,這時(shí)若沒有錯(cuò)誤的話,將會(huì)在mit/leach_sims目錄下生成leach.out,leach.data,leach.alive,leach.energy等文件。否則,會(huì)在該目錄下生成的leach.err文件中產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因,然后根據(jù)錯(cuò)誤的原因進(jìn)行相應(yīng)的修改。2.3模擬結(jié)果分析2.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效利用由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池能量有限,當(dāng)能量耗盡時(shí),將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的失效甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓,因此如何提高能量利用率和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。本文主要分析了在相同的初始條件下,LEACH協(xié)議與MTE協(xié)議在能量利用率與延長網(wǎng)絡(luò)生命周期方面的性能差異。2.3.2節(jié)點(diǎn)使用nd-ms仿真數(shù)據(jù)的生成步驟運(yùn)行l(wèi)each.test后,統(tǒng)計(jì)結(jié)果存放在leach.data,leach.alive,leach.energy,leach.out等文件中。跟蹤文件Leach.tr存放在tmp目錄下。其中l(wèi)each.data中的數(shù)據(jù)表示的是,在一定的時(shí)間內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的大小。leach.alive文件中數(shù)據(jù)表示的是在一定的時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的存活情況.leach.energy中的數(shù)據(jù),表示的是在一定的時(shí)間內(nèi),各個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量情況.通過使用NS自帶工具gawk語言對文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取,然后采用畫圖工具gnuplot繪制出圖表,并將結(jié)果與MTE路由協(xié)議進(jìn)行了比較。圖4表示的是在2種路由協(xié)議下,節(jié)點(diǎn)消耗的能量隨時(shí)間變化的規(guī)律。由圖4可以看出,在相同的時(shí)間下,LEACH路由協(xié)議比MTE路由協(xié)議消耗的能量更少,因此能量整體利用律率更好。圖5表示的是兩種協(xié)議仿真時(shí),網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目隨時(shí)間的變化規(guī)律。由仿真數(shù)據(jù),LEACH協(xié)議在410s時(shí),開始出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn),而MTE協(xié)議在100s時(shí),就出現(xiàn)了死亡的節(jié)點(diǎn),這主要是因?yàn)樵贛TE中,靠近SINK節(jié)點(diǎn)的傳感器會(huì)一直承擔(dān)著路由中轉(zhuǎn)的功能,可能很快就會(huì)耗盡自己的能量而死亡,從而縮短了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。3進(jìn)行仿真NS2是一個(gè)面向