完整版基于OPNET的无线传感器网络路由仿真与研究本科生毕业论文.docx
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完整版基于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
学生姓名:
学号:
专业班级:
指导教师:
完成时间:
2014年05月
目录
摘要I
AbstractII
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
1.2OPNET简介7
1.2.1OPNETModeler的主要特性7
1.2.2OPNET的安装8
1.2.3OPNET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
2.2.4QoS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
3.2QoS路由仿真与分析25
3.2.1QoS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
3.3.1LEACH协议简介30
3.3.2LEACH协议算法分析31
3.3.3LEACH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,
Abstract
Wireless sensornetwork isanew informationacquisition and processingtechnology,its applicationprospects increasingly attractedwidespreadattention inacademiaandindustry. Asthe researchinthisfield isstillinits infancy, therearemany sensornetworkroutingtechnologydeficiencies. Therefore,therouting ofwireless sensor networks isworth exploring andthinking.ThisthesisstudyofwirelesssensornetworksandOPNET-basedstudyofwirelesssensornetworkrouting,exploringtrendsandresearchdirectionsofwirelesssensorrouting.First,byusingwirelesssensornetworksanditsroutingprinciplesoflearningOPNETsimulationplatformforwirelesssensornetworkroutingexistingclassificationresearch.Secondly,intheOPNETsimulationexperimentstoDDwirelesssensornetworkprotocolsimulation,basedonamodelagreementDD,respectivelyLEACHroutingprotocolemulationandQoSimprovement.Throughcontinuousresearchandcomparevarioustypesofroutingmechanism,summarizesomeoftheadvantagesanddisadvantagesofLEACHsimulationandQoS.ComparedtotheDDprotocol,LEACHprotocolcaneffectivelyreduceenergyconsumption,anditslifeexpectancyisabouttwicetheDDagreement.QoSisperformedontheDDmodelimprovements,itisagoodallocationofresourcestosupportdifferentbusinessneeds,thewholenetworkcanachieveoptimalenergybalance,networklifetimeisgreatlyimproved.Wecanenvisionagoodwirelesssensornetworkroutingshouldbebasedonreducingtraffic,loadbalancing,supportmobility,faulttolerance,multicastrouting,routingsecurity,scalability,QoSrouting,cross-layerprotocoloptimization,combinedwithIPv6astrendsandresearchdirections.
Keywords:
wirelesssensornetworkrouting,OPNET,LEACH,DDprotocol,QoSrouting,
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。
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wirelesssensornetwork,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(BaseStation)或汇节点(SinkNode)。
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,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、Radiofrequency:
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:
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。
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
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。
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;
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Adhoe网络中现有的路由协议,如基于距离矢量的按需路由(AdhocOnDemandDistanceVector,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,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。
1.2OPNET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。
1.2.1OPNETModeler的主要特性
OPNETModeler的主要特性包含以下几点:
1、层次化的网络模型
OPNETModeler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(FiniteStateMachine)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——OPNETDebugger。
另外,OPNET在Windows平台下还支持和编程语言VC的联合调试。
1.2.2OPNET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1-4OPNET安装环境变量的配置
下载OPNET安装文件,按:
models_14.5.A_PL1_27-Feb-2008.exeWindowsmodeler_docs_145A_7015_28Jan2008.exe,Windows\modeler_145A_7116.exe的顺序安装,即可安装完成。
图1-5OPNET安装图
1.2.3OPNET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。
开始
图1-6OPNET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。
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(DirectedDiffusion)
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
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