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1、河 海 大 学本科毕业设计（论文）任务书（理 工 科 类）、毕业设计（论文）题目： 基于OPNET的无线传感器网络QoS路由及流量建模研究与仿真 、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）： （1）搜集/阅读无线传感器网络、OPNET网络仿真等资料文献，熟悉无 线传感器网络的基本理论问题，熟悉OPNET网络仿真这个仿真软 件。 （2）对无线传感器网络的QoS路由进行了研究分析，定向扩散进行了扩 展，利用一种新的QoS路由算法建立网络模型提高网络的生存期。 （3）对OPNET的流量建模机制
2、进行研究分析，然后阐述一种建立无线 传感器网络流量模型的方法。 （4）利用OPNET平台对仿真模型进行仿真实验，验证模型的有效性。 （5）总结与展望。总结前面的工作，展望以后需要进一步展开的工作。 （6）整理论文，完成论文答辩。 、进度安排： 3.23.17 查阅无线传感器网络（WSN）、OPNET网络仿真及相关资料 3.183.28 熟悉OPNET仿真平台 3.294.12 研究分析无线传感器网络的QoS路由算法和OPNET的流量建 模机制，提出一种建立无线传感器网络流量模型的方法 4.125.8 对所提模型进行OPNET仿真实验，验证其有效性 5.86.5 整理相关资料，撰写毕业设计论文，
3、准备论文答辩 、主要参考资料：【1】王文博，张金文. OPNET Modeler与网络仿真，人民邮电出版社， 2003.10 【2】孙屹，孟晨. OPNET通信仿真开发手册，国防工业出版社，2005.1 【3】陈敏. OPNET网络仿真，清华大学出版社，2004.4 【4】孙利民，李建中，陈渝，朱红松. 无线传感器网络，清华大学出版 社，2005.5.1 指导教师： ， 2006 年 3 月 2 日学生姓名： ，专业年级：2002级通信工程专业系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 系负责人签字： ， 年 月 日摘
4、 要无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，是一种新型的、无基础设施的、自组织的无线网络。大量的传感器节点通过自组织的方式构成了网络，每个节点集成了传感器件、数据处理单元和通信模块。无线传感器网络具有硬件资源有限、电源容量有限、以数据为中心、自组织、多跳路由、动态拓扑、节点数量众多切分布密集等特点。无线传感器网络凭借其潜在的优势得到了广泛的应用。然而在信息技术日新月异的现代社会，随着网络结构和规模越来越复杂化以及网络的应用越来越多样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展，因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，OPNET网络
5、仿真技术应运而生。本设计基于OPNET仿真平台，首先在分析无线传感器网络QoS路由问题的基础上，对定向扩散进行扩展，组合利用路径节点最小能量和最小跳数信息的分布式QoS路由算法建立了仿真模型，使网络生存期提高了500%；在不同比例的混合业务模式下，可以很好地支持不同业务的资源需求分配，达到全网能耗均衡。其次着重对无线传感器网络的流量工程进行了建模与仿真，分析了网络业务负载对网络的吞吐量、数据丢失率和端-端时延等性能的影响，通过将业务流合理地映射到网络资源，减少了拥塞，提高了网络的性能与可靠性。通过仿真，我们可以有效地提高网络规划和设计的可靠性和准确性，降低网络投资风险，减少不必要的投资浪费。关
6、键词：无线传感器网络；OPNET仿真；QoS路由；定向扩散；流量工程；网络吞吐量；时延AbstractWireless sensor network (WSN) is a new kind of wireless networks, using bran-new information-gathering and processing technology. The WSN, self-organized, is of no infrastructure. Numbers of sensing nodes, composing of sensing implement, data proces
7、sing unit and communication module, structure the WSN self-driven. WSN has such characteristics as hardware resource limitation, power capacity limitation, data-central, self-organization, multi-hop routing, dynamic topology, dense distribution with numerous nodes. WSN is widely used for its potenti
8、al ascendancy.However, in modern society, information technology changes with each passing day. With the network structure and scale going more and more complex and the multiplicity of network application, itll never adapt to the rapid development if you still rely simply on your experience when you
9、 layout and design a new network, R&D network facilities and explode network protocols. A scientific method is badly needed to reflect and predict the capabilities of the network. Then OPNET emerges as the times require. This design is in the OPNET surroundings. First, on the basis of analyzing the
10、problem of QoS routing in the wireless sensor networks, a new distributed QoS routing algorithm according to the minimum node energies on path and minimum hop counts has been proposed by extending Directed Diffusion. Then the model is designed. By analyzing the results of simulation, I find this por
11、osed algorithm can provide differential services both for real-time traffic and best-effort traffic, achieve the energy-cost-balancing on the whole network and prolong the network lifetime by 500%. Second, I emphasize my attention on the flow project of WSN and make modeling and simulation about it.
12、 From the simulation results, I know the impact of portfolio towards the throughput of the network, data lose rate and point-to-point delay. By mapping the portfolio with the net resources, we may decrease congestion, improve the characteristics of the network and its security. Through Opneting, wer
13、e to increase the reliability and accuracy of network programming and designing. Of course, there will be less risk of investment and less wastes which are unnecessary.Keywords: wireless sensor network (WSN), OPNET simulation, QoS routing, directed diffusion, flow project, throughput, delay目 录中文摘要英文
14、摘要引言1第1章 概述31.1无线传感器网络(WSN)概述31.1.1无线传感器网络基本概念31.1.2无线传感器网络的通信结构31.2网络仿真51.2.1什么叫仿真（Simulation）？51.2.2仿真的意义51.3 OPNET简介61.3.1 OPNET的历史和现状61.3.2 OPNET Modeler的主要特性61.3.3 OPNET Modeler建模流程7第2章 无线传感器网络的QoS路由研究与仿真82.1 WSN的特点82.2 WSN的QoS路由82.2.1网络模型和QoS路由92.2.2 QoS路由策略102.3 基于DirectedDiffusion的QoS路由扩展102
15、.3.1 Directed Diffusion及其扩展机制102.3.2 算法描述112.4仿真试验与结果分析122.4.1仿真环境与评价方法122.4.1.1仿真环境122.4.1.2评价方法132.4.2与传统DD的性能比较132.4.3不同业务混合比例性能分析142.5本章小结14第3章 OPNET流量建模机制163.1 OPNET流量建模机制综述163.2背景路由流量建模173.3背景利用率流量建模183.4前景业务流量建模183.5实例仿真19第4章 WSN流量模型的仿真244.1网络拓扑结构244.2 Application Configuration 264.3 Profile
16、Configuration 264.4搜集统计量284.5复制场景284.6配置并运行仿真294.7查看并分析结果29第5章 总结与展望315.1总结315.2展望32致谢33参考文献34附录 英文资料翻译36引言近年来随着微电子技术、传感器技术及通信技术的发展，无线传感器网络技术发展迅猛，进展很快，而且在军事与民用方面的一些具体应用也取得了成功，由于其良好的应用广泛性，使得无线传感器网络的前景一片光明。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用Ad hoc方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线传感器网络在环境与
17、军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说，无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。可是在今天这样信息飞速发展的时代，网络结构和规模日益复杂庞大，表现出多种类型的网络日益走向融合，业务种类增加，网络负载也日益繁重，新的网络技术层出不穷，如何规划和优化网络已经成为一个极富挑战性的课题。无论是构建新网络，升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的可靠性和有效性进行客观地评估，从而降低网络建设的投资风险，使设计的网络有很高的性能，或者使测试结果能够真实反映新协议的表现。传统的网络设计和规划方法主要靠经验，对复杂的大型
18、网络，很多地方由于无法预知而抓不住设计的要点。因此越来越需要一种新的网络规划和设计手段，在这种情况下网络仿真应运而生。OPNET作为一种新的网络规划和设计工具，以其独有的方法为网络的规划设计提供了客观、可靠的定量依据，缩短了网络建设周期，提高了网络建设中决策的科学性。本文基于OPNET仿真平台，着重对无线传感器网络的QoS路由和流量工程进行了建模与仿真，分析了网络业务负载对网络的吞吐量、数据丢失率和端-端时延等性能的影响，通过将业务流合理地映射到网络资源，减少了拥塞，提高了网络的性能与可靠性。第一章为概述部分，鉴于无线传感器网络和OPNET仿真平台都是较新的理论和技术，我在这一章中用了较大的篇
19、幅对其进行介绍。在前部分中，主要介绍了无线传感器网络的基本概念、通信结构、协议栈和它的特点，后部分则对OPNET的历史和现状以及OPNET的最主要产品OPNET Modeler做了详细的介绍。第二章对WSN的QoS路由进行了研究与仿真。对定向扩散进行了扩展，组合地利用路径节点最小能量和最小跳数信息的分布式QoS路由算法建立了仿真模型，使网络生存期提高了500%；同时，在不同比例的混合业务模式下，可以很好地支持不同业务的资源需求分配，达到全网能耗均衡。第三章对OPNET的流量建模机制进行了分析与研究。这一章是本文的研究基础，主要阐述了OPNET仿真中的三种流量建模机制，以太平洋东海岸一家公司的网
20、络为例对背景业务流量进行了研究与仿真，为建立无线传感器网络的流量模型奠定了基础。第四章在理论分析的基础上，初步建立了无线传感器网络的流量模型，不断地对建立的模型进行仿真配置、收集统计量，运行仿真并查看、分析结果，在反复的实验中改进完善所建模型。第五章对所做工作进行了一个全面的总结，并展望了无线传感器网络的未来应用，指出下一步将要进行的工作。第1章 概述1.1无线传感器网络(WSN)概述1.1.1无线传感器网络基本概念无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，是一种新型的、无基础设施的、自组织的无线网络。无线传感器网络中的传感器节点完成一些数据采集工作，节点通过传感器网络将数据发送到网络中，
21、并最终由特定的应用接收。传感器节点集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等等众多感兴趣的物质现象。无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、AID转换器)、数据处理和控制模块(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)等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或组头、簇头节点
22、的角色。作为数据采集者，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的基站(Base Station)或汇节点(Sink Node)。作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，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汇节点，作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。1.1.2无线传感器网络的通信结构无线传感器网络可以认为是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点(Node)，在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但是一般由传感器模块、微处理器模块、通信模
23、块和能量供应模块四个部分组成，如图1-1所示。无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点抛散到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当了信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达汇节点。而汇节点作为一个特殊节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞跃网络上空，通过汇节点采集数据。图1-1随着应用和体系结构的不同，无线传感器网络的通信协议栈也不尽相同，图1-2是传感节点使用的最典型的协议模型。图1-2该模型既参考了现有通用网络的TCP/IP的OSI模型的架构，同时也包含了传感器网络特有的电源管理
24、、移动管理及任务管理。应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口；如果需要，传输层可为无线传感器网络保持数据流或保证与Internet连接；网络层主要关心数据的路由；数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突；物理层为系统提供了一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。除此之外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。1.2网络仿真1.2.1什么叫仿真(Simulation)？网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。仿
25、真就是采用模型来再现真实情况，而模型指的是系统、过程或现象的物理的、数学的或其他逻辑的表达。1.2.2仿真的意义随着网络结构和规模越来越复杂化以及网络的应用越来越多样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展，因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，网络仿真技术应运而生。网络仿真的意义在于它可以有效地提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显地降低网络投资风险，减少不必要的投资浪费。网络设计方法通常包括以下四种：经验方法、物理实验、理论计算和网络仿真，表1-1在可靠性、实现成本、可实现性和适用网络规模四个方面对以上四种方法做出了比较。设
26、计方法比较内容经验方法物理试验理论计算网络仿真可靠性不确定高低较高实现成本不确定高低中可实现性高低高中适用的网络规模中、小型小中、小型中、大型表1-11.3 OPNET简介1.3.1 OPNET的历史和现状OPNET公司起源于MIT(麻省理工学院)，成立于1986年。1987年OPNET公司发布了其第一个商业化的网络性能仿真软件，提供了具有重要意义的网络性能优化工具，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。OPNET公司最初只有一种产品OPNET Modeler，到目前已经拥有Modeler、ITGuru、SPGuru、WDMGuru、ODK等一系列产品。对于网络的设计和管理，一般分为3个
27、阶段：第一阶段为设计阶段，包括网络拓扑结构的设计，协议的设计和配置以及网络中设备的设计和选择；第二阶段为发布阶段，设计出的网络能够具有一定的性能，如吞吐率、响应时间等等；第三阶段为实际运营中的故障诊断、排错和升级优化。OPNET凭借它强大的功能成为当前业界智能化网络管理解决方案的主流开发工具。1.3.2 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，节点层和网络层进行由下到上的建模。进程模型(process model)的基础是用有限状态机FSM(Finite State
28、 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(node model)由进程模型构成，可以组成完整的协议栈，真实的反映所建模设备的特性。各模块间通过数据包和状态信息的传递来进行各种操作，进而实现设备的功能。(2)简单明了的建模方法。Modeler建模过程分为3个层次：过程(process)层次、节点(Node)层次以及网络(Network)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”，用以比较不同的设计方案。这也是Modeler建模的重要机制，这种机制有利于项目的管理和分工。(3)有限
29、状态机。在过程层次使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模，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。OPNET称这个集合为Proto-C语言。(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的核心已经嵌入了众多协议，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，用户可以根据自己的需要添加、修改已有的源码。(6)高效的仿真引擎。使用Modeler进行开
30、发的仿真平台，使仿真的效率相当高。(7)集成的分析工具。Modeler仿真结果的显示界面十分友好，可以轻松刻画和分析各种类型的曲线，也可将曲线导出到电子表格中。(8)动画。Modeler可以在仿真中或仿真后显示模型行为的动画，使得仿真平台具有很好的演示效果。(9)集成调试器。快速地验证仿真或发现仿真中存在的问题，OPNET本身有自己的调试工具OPNET Debugger(ODB)。另外，OPNET在Windows平台下还支持和编程语言VC的联合调试。1.3.3 OPNET Modeler建模流程OPNET Modeler的建模过程如图1-3所示。图1-3第2章无线传感器网络的QoS路由研究与仿
31、真2.1 WSN的特点无线传感器网络由大量具有数据感知，信息处理和无线通信能力的传感节点组成，节点间以无线多跳的无中心方式连接，在军事、民用和工业生产等诸多领域具有着广阔的应用前景。与传统的通信网络和移动自组网络(MANET)有着显著的不同，其路由协议不能移用传统的路由技术，使得相应的研究更具有挑战性。它的特点表现在以下几个方面： (1)节点低能耗和网络能耗均衡，以延长网络生存期和稳定网络拓扑。(2)可扩展性，网络节点数量与MANET相比要高几个数量级，节点可能无全局唯一地址标识。(3)面向以数据为中心的应用，而不是面向连接的端到端数据传输。(4)节点数据时空分布，有较大冗余，应支持数据聚合。
32、(5)节点资源如发射功率，能量和处理能力等更加严格受限。2.2 WSN的QoS路由近年来,已提出多种针对无线传感器网络的路由协议，但大都假定服务基于单一的尽力而为(besteffort)模型。随着研究和应用的深入，不同业务对网络服务质量(QoS)提出了不同要求，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，检测结果要求传输可靠，分组丢失率尽可能低；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。无线传感器网络中
33、有三类基本实体：目标(Target)、传感节点(SensingNode)和观测节点(ObserverNode)。目标是应用相关的信号源；传感节点是目标信息的监测者，数量众多但资源有限，节点间以无线多跳的无中心方式连接；观测节点作为接收者(Sink)和控制者(Commander)，监听和处理网络事件消息，向网络发布查询请求或派发任务。通常，网络中目标和观测节点可一个或多个，可静止或运动；传感节点数量众多，通常为静止，其中有效节点(采集到目标有价值信息的传感节点)是有限的，且在时域和空域上变化。路由是将有效节点信息传输至观测节点的过程。为了研究方便，我们作以下假设：观测节点能量充分，传感节点的规格
34、指标均相同，如有效传输距离、携带能量等；节点均匀分布，端到端的传输延迟可用所经过的跳数来估计；观测节点静止,网络拓扑的变化仅因传感节点能量耗尽失效导致，除此可认为网络是稳定的。2.2.1网络模型和QoS路由在研究中，网络往往被抽象为赋权有向图G(V,A)。其中V为节点集，元素v是图的节点；A为弧集，元素a(i,j)A为节点v(i)到节点v(j)的弧；赋权是弧的某种度量，度量的操作包括可加性、可乘性和最小性。业务对QoS度量的要求为QoS约束C=(c1,c2,ck)。QoS路由是在图G中,寻找满足业务QoS约束C,从源节点v(0)到目标节点v(n)的可能路径P=v(0)v(1) v(n)。它应该
35、满足不同业务的服务质量要求和在全网范围内的资源有效利用。节点集V可包括目标、传感节点和观测节点；目标与传感节点间的度量反映节点对目标的感知能力，如采样率、探测距离和测量精度等，这是传统通信网络所没有的；传感节点间以及传感节点与观测节点间的度量则反映网络节点间的链路属性(包括无线链路质量，如延迟、分组丢失率或节点剩余能量等)和传输代价(如功率消耗或信息增益等)等。网络生存期(Network Lifetime)是无线传感器网络最重要的评价指标之一。假定网络节点失效和拓扑变化仅因节点能量消耗殆尽引起，它可通过降低节点能耗和均衡网络能量消耗来优化。本章中讨论两类网络生存期：以网络中第一个节点失效的时间
36、为标示的I类网络生存期；以网络中源节点变为孤立节点(无法传递任何数据)的时间为标示的II类网络生存期。在本部分研究中重点考查实时业务和尽力而为两类业务，引入链路带宽、延迟和路径节点最小剩余能量三种度量，将网络生存期作为系统优化目标。对于任意给定信源s和信宿d的路径P(s,d)，无线传感器网络QoS路由问题可表述为以下各式的联合优化问题。最优路径P*(s,d)满足：Network-Lifetimemax (1)Ep=maxminE(i)|v(i)P (2)Bp=minB(i,j)|a(i,j)PBmin (3)Dp=a(i,j)Pd(i,j)Dmax (4)其中,式(1)表明网络生存期是系统优化
37、目标,式(2)中Ep是所有路径中能量瓶颈最小的,式(3)表明路径最小链路带宽Bp应不小于业务所需最小带宽Bmin,式(4)表明路径延迟Dp应不大于业务的最大容忍延迟Dmax。2.2.2 QoS路由策略与QoS路由相关的策略包括：(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
38、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(冗余)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。2.3基于DirectedDiffusion的QoS路由扩展2.3.1 Directed Diffusion
39、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。其主要步骤包括：兴趣(Interest)通告、梯度建立、兴趣匹配、路径维护、下一跳选择和数据聚合。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(Filter)和滤器优先级组合的形式设计新的路由选择和数据聚
40、合处理算法，如GEAR和GPSR。基于DD的节点信息处理流程如图2-1所示。内核、应用层、滤器和滤器优先级组合的交互过程,是扩展DD的基础。图2-12.3.2 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MPE的最大值，它是当前节点与观测节点
41、间多条路径的能量瓶颈评价标准，如式(2)；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，如式(4)。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
42、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。传统DD的路径维护通过周期性兴趣泛洪和路径探测来进行路径增强或抑制,但没有提供对失效节点的快速修复，另外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。因此,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
43、表中将与此下一跳节点间的链路代价标为无穷大，并重新进行下一跳选择。如果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；若太小，会带来过大的网络负载和不必要的能耗。2.4仿真试验与结果分析2.4.1仿真环境与评价方法2.4.1.1仿真环境在OPNET仿真环境下，我们建立了如图2-2所示的网络场景。图2-2网络范围200200，网络节点数300，节点随机分布且图2无线传感器网络仿真场景静止，其发送接收最大参考距离15；节点采用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。由于节点的通信能耗比重最大，故
