WSN中LEACH协议源码分析.doc

WSN中LEACH协议源码分析

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12

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WSN中LEACH协议源码分析
分析（一）
首先对wireless。tcl进行分析，先对默认的脚本选项进行初始化:
set opt(chan)Channel/WirelessChannel
set opt（prop） Propagation/TwoRayGround
set opt（netif）Phy/WirelessPhy
set opt（mac) Mac/802_11
set opt(ifq） Queue/DropTail/PriQueue
set opt（ll) LL
set opt（ant） Antenna/OmniAntenna
set opt(x） 0 ;＃ X dimension of the topography
set opt(y) 0 ;# Y dimension of the topography
set opt(cp） "”
set opt(sc) ”。。/mobility/scene/scen-670x670—50—600—20—2” ;# scenario file

set opt（ifqlen） 50；＃ max packet in if
set opt（nn） 51 ;# number of nodes
set opt（seed） 0.0
set opt(stop） 10.0 ;＃ simulation time
set opt(tr) out。tr ；# trace file
set opt(rp） dsdv ；＃ routing protocol script
set opt（lm） "on” ；＃ log movement
在这个wireless.tcl中设置了一些全局变量：
＃
＃ Initialize Global Variables
＃
set ns_ [new Simulator]
set chan ［new $opt（chan）]
set prop ［new $opt(prop)］
set topo ［new Topography]
set tracefd [open ＄opt（tr） w]
＄topo load_flatgrid $opt（x） ＄opt（y）
＄prop topography ＄topo
这些初始化将在后面的使用中用到，该文件最重要的是创建leach节点：创建方法如下：
} elseif { [string compare ＄opt(rp） "leach”] == 0} {
for ｛set i 0｝ ｛$i < $opt（nn) ｝ ｛incr i} ｛
leach—create—mobile-node $i
}
如果路由协议是leach协议,则在Uamps.tcl中调用leach-create-mobile-node方法创建leach节点。将在第二小节讲如何创建leach节点。
for {set i 0} {$i 〈 ＄opt（nn） } ｛incr i｝ ｛
＄ns_ at ＄opt(stop)。000000001 "＄node_($i) reset"； //完成后，重置节点的应用
｝
$ns_ at ＄opt（stop）。00000001 ”puts \"NS EXITING。。。\" ; $ns_ halt"
if { $opt(sc） == ”” } {
puts ”**＊ NOTE: no scenario file specified.”
set opt（sc) ”none”
} else {
puts "Loading scenario file。.."
source ＄opt（sc)
puts "Load complete。。.”
}
ns在什么时候结束simulation，并告诉ns加载sc场景文件。最后＄ns_ run则ns就开始运行了。
分析(二）
上节对wireless。tcl进行了简要的分析，接下来对Uamps.tcl脚本进行分析。
set opt（Efriss_amp) ［expr [expr 1。1 ＊ ＄opt(RXThresh） ＊ 16 ＊ $PI ＊ $PI］ / \
［expr ＄opt(bw） ＊ ＄opt(Gt) * ＄opt(Gr) ＊ ＄l * ＄l］］
＃ Etwo_ray_amp = RXThresh / （Rb Gt Gr ht^2 hr^2）
set opt（Etwo_ray_amp） [expr 1.1 ＊ ＄opt(RXThresh) / \
[expr $opt(bw) ＊ ＄opt（Gt） ＊ ＄opt(Gr） * \
$opt(ht） ＊ $opt(ht） * $opt(ht) ＊ $opt(ht）］］
set opt(EXcvr） 50e—9 ;# Energy for radio circuitry
set opt（e_bf) 5e-9 ；# Beamforming energy （J/bit）
set opt(Esense） 0 ;# Sensing energy （J/bit）
set opt（thresh_energy) 0。00 ；# Threshold for power adaptation
set opt(Pidle) 0 ；# Idle power (W）
set opt（Psleep） 0 ；# Sleep power (W）

set initialized 0
set rng_ ［new RNG]＃用于产生随机数
首先往opt数组里面添加一些变量，并对这些变量进行初化。opt（Psleep） ，opt（Pidle）， opt（thresh_energy）在ns—leach。tcl中使用到,这个是计算单位时间空闲所消耗的能量和休眠所消耗的能量。
这个脚本主要是创建leach节点：
if {$initialized == 0｝ ｛
＃remove old trace
sens_init
set initialized 1
｝
＃ Remove old trace files.
catch ”eval exec rm ［glob —nocomplain ＄opt（dirname）/TDMAschedule.＊.txt］”
catch ”exec rm ＄opt（dirname）/＄opt（filename).energy"
catch ”exec rm $opt（dirname）/＄opt(filename).data"
catch ”exec rm $opt（dirname）/$opt（filename).alive"
catch ”exec rm ＄opt（dirname）/startup.energy”
catch ”exec rm ＄opt(dirname)/init.energy"

如果没有初始化过，则将以前的跟踪文件删除，接着回到创建leach的函数中,创建节点:
if {＄id ！= ＄opt(nn_）｝ ｛
puts —nonewline "＄id ”
#important
set node_（$id) [new MobileNode/ResourceAwareNode］
｝ else ｛
puts "($opt(nn_） == BS）”
set node_($id) ［new MobileNode/ResourceAwareNode ＄BS_NODE］
}
如果不是簇头节点则将＄opt（nn_)-1个节点设置为一般节点，将＄opt(nn_）设置为BS节点.newMobileNode/ResourceAwareNode函数是在ns—ranode.tcl中。分析完这个我们接下来分析newMobileNode/ResourceAwareNode这个函数。

set node $node_（$id)
if {＄id != $opt(nn_)｝ {
# Set initial node energy。
if ｛$opt（eq_energy） == 1｝ {
＄node set-energy ＄opt(init_energy） ＄opt（thresh_energy)
｝ else ｛
由于eq-energy在leach—test中给定，将eq—energy=1；则每个节点都会对能量进行初始化,设置节点的初始能量和门槛能量（个人理解，死亡能量）。
set high_e_nodes [list 97 19 12 87 8 22 83 55 34 72]
if {［lsearch $high_e_nodes ＄id］ == —1} {
set E 2
｝ else {
set E 200
}
$node set-energy ＄E $opt（thresh_energy）
set initf ［open ”$opt（dirname)/init。energy" a]
puts $initf ”$id\t＄E"
close ＄initf
将不属于list中的能量初始化能量设置为2,将属于list中的能量设置为200。并将初始化能量写到init.energy中，将节点id和节点初始能量写进去。
else ｛
# Base station has an infinite amount of energy。
＄node set—energy 50000 $opt（thresh_energy）
}
节点为簇头节点，则将节点的初始化能量设置为50000，能量无限.
到此为止,创建节点完成并将每个节点的能量初始化完成。下一节将分析ns-ranode.tcl脚本。区分普通节点和簇头节点的不同。接下来是配置节点信道和跟踪文件：
$ns_ at 0.0 "＄node_（＄id） start—app" ns在0的时候启动应用，应用在ns—ranode。tcl中分析。
分析(三）
对前面两个脚本进行分析后,已经创建好节点和设置好节点的初始能量，将opt(nn_）-1个节点设置为普通节点,而将opt(nn_)设置为bs。现在对ns—ranode。tcl进行分析。好了我们现在就开始分析这个脚本。
Class MobileNode/ResourceAwareNode —superclass Node/MobileNode
MobileNode/ResourceAwareNode instproc init args
set bs_node [lindex $args 0］
eval ＄self next ［lreplace ＄args 0 0］
args由参数传递进来,若节点为簇头节点则bs_node=1，调用父类初始化函数。
set ResourceManager_ [new ResourceManager]
＄ResourceManager_ Register ［new Resource/NeighborResource]
set energy ［new Resource/Energy］
＄ResourceManager_ Register ＄energy

ResourceManager在ns—resouce-manager.tcl中定义的。Resource/NeighborResource在ns—neighbor—resource中对能量进行管理。
＃ Create a new agent and attach it to the node
if {＄bs_node == 1} ｛
set agent [new Agent/BSAgent］
} else ｛
set agent [new Agent/RCAgent］
}
set rca_agent_ $agent

普通节点的应用为RCAgent，BS的应用为BSAGgent. 并将应用attch到node上。
下面两段看不明白，但是这两段不影响看程序。
set haslist [find_haslist [$self id］]
if {＄bs_node == 1} {
set rca ［new ＄opt（bsapp)］
｝ else ｛
set rca ［new ＄opt（rcapp) $opt（mtype) ＄wantslist ＄haslist]
｝
＄ns_ attach—agent $self ＄agent
＄rca attach-agent $agent

set rca_app_ $rca
将bs节点的应用设置为bsapp，普通节点的应用设置为rcaapp，并将节点的服务设置为不同的服务。bsapp在ns—app。tcl中。＄opt（rcapp）定义在leach。tcl中，opt(mtype)定义在leach。tcl中。
set opt(rcapp） ”Application/LEACH" ;# Application type
set opt(ra_adv) [TxTime ［expr ＄opt（hdr_size) + 4]]
;＃ Total time （s) for CH ADVs
；＃ Assume max 4(nn*%) CHs
set opt（ra_adv_total) [expr $opt(ra_adv)＊($opt(num_clusters)＊4 + 1)]
；＃ RA Time （s) for nodes' join reqs
set opt(ra_join） [expr 0。01 * $opt（nn_)]
;# Buffer time for join req xmittal
set opt(ra_delay) ［TxTime ［expr ＄opt（hdr_size） + 4］］
；# Maximum time required to transmit
;# a schedule （n nodes in 1 cluster）
set opt(xmit_sch) [expr 0。005 + ［TxTime [expr ＄opt（nn_）＊4+$opt(hdr_size)］］]
；# Overhead time for cluster set-up
set opt(start_xmit) ［expr ＄opt(ra_adv_total） + $opt(ra_join) + ＄opt（xmit_sch)］
一般节点的应用为Application/LEACH，最终sink节点的应用为Application/BSApp。
通过前3次的分析得出，在分析1中定义变量,在分析2中创建leach节点，在分析3中将节点的应用绑定在节点上。
下面将分析leach的主要协议ns-leach.tcl脚本。
分析（四）
完成前面3个脚本的分析，最后进行ns—leach.tcl脚本的分析.首先我们看下这个脚本要使用的有哪些功能。
Application/LEACH instproc init args {} 对leach进行初始化,即构造函数。
下面是leach的一些方法
Application/LEACH instproc start ｛} ｛｝
Application/LEACH instproc getRandomNumber ｛llim ulim} ｛} 得到随机数
Application/LEACH instproc node {｝ ｛｝
Application/LEACH instproc nodeID {｝ ｛｝
Application/LEACH instproc mac ｛｝ ｛｝
Application/LEACH instproc getX ｛｝ ｛｝
Application/LEACH instproc getY ｛｝ {｝
Application/LEACH instproc getER {} ｛｝
Application/LEACH instproc GoToSleep {｝ ｛} 节点进行休眠
Application/LEACH instproc WakeUp {} {｝节点醒来
Application/LEACH instproc setCode code ｛｝｛}
Application/LEACH instproc checkAlive {} ｛｝ 节点是否存活
Application/LEACH instproc isClusterHead？ {｝ {} 判断是否是簇头节点
Application/LEACH instproc hasbeenClusterHead？ {｝ {｝ 判断是否成为过簇头节点
Application/LEACH instproc hasnotbeenClusterHead ｛} {｝hasbeench=0不是簇头节点
Application/LEACH instproc setClusterHead {} ｛｝ 设置为簇头节点
Application/LEACH instproc unsetClusterHead {｝ {} 设置为非簇头节点
Application/LEACH instproc decideClusterHead ｛｝ ｛｝ 决定簇头节点，非常重要
Application/LEACH instproc advertiseClusterHead ｛} {｝ 广播簇头节点
Application/LEACH instproc findBestCluster ｛} {｝ 找到最佳簇
Application/LEACH instproc informClusterHead ｛｝ {} 通知簇头节点
Application/LEACH instproc createSchedule ｛｝ {｝ 创建TDMA调度
接收功能：
Application/LEACH instproc recv {args} ｛｝
Application/LEACH instproc recvADV_CH {msg} {｝
Application/LEACH instproc recvJOIN_REQ ｛nodeID｝ {}
Application/LEACH instproc recvADV_SCH ｛order｝ {｝
Application/LEACH instproc recvDATA ｛msg｝ ｛｝
发送功能:
Application/LEACH instproc sendData ｛｝ {｝
Application/LEACH instproc send {mac_dst link_dst type msgdata_size dist code｝ ｛｝
Application/LEACH instproc send_now {mac_dst link_dst type msg data_size dist code｝ ｛}
Application/LEACH instproc SendDataToBS ｛} ｛｝
Application/LEACH instproc SendMyDataToBS ｛｝ {｝
分析（五)
由leach 分析三可知，一般节点的应用为Application/LEACH。则现在就是如何选择簇头节点和设置门槛值.我们接下来分析leach 分析4中红色的方法。在leach 分析3中创建一个Application/LEACH对象则就会自动调用start方法。
Application/LEACH instproc start {} ｛
[＄self mac] set node_num_ [＄self nodeID]
$self decideClusterHead
$self checkAlive
}
在这个方法中会调用decideClusterHead和checkAlive方法。
Application/LEACH instproc GoToSleep {｝ ｛
global opt ns_
＄self instvar begin_idle_ begin_sleep_

［［$self node］ set netif_（0)] set sleep_ 1

# If node has been awake, remove idle energy (e.g。, the amount of energy
# dissipated while the node is in the idle state)。 Otherwise, the node
＃ has been asleep and must remove sleep energy （e.g。， the amount of
＃ energy dissipated while the node is in the sleep state）.
if ｛＄begin_idle_ 〉 ＄begin_sleep_} {
set idle_energy ［expr ＄opt(Pidle) * ［expr [$ns_ now］ — $begin_idle_］]
［$self getER］ remove ＄idle_energy
} else {
set sleep_energy ［expr ＄opt(Psleep) * [expr [$ns_ now］ - ＄begin_sleep_］]
［$self getER］ remove $sleep_energy
｝
set begin_sleep_ [＄ns_ now]
set begin_idle_ 0
｝
分析（六)
在start中调用下面这个方法.
Application/LEACH instproc decideClusterHead ｛｝ ｛

global ns_ chan opt node_

$self instvar alive_ TDMAschedule_
＄self instvar begin_idle_ begin_sleep_

＃ Check the alive status of the node. If the node has run out of
＃ energy， it no longer functions in the network。
set ISalive ［[［＄self node] set netif_（0)］ set alive_]
if ｛＄alive_ == 1｝ ｛
if {$ISalive == 0} {
puts "Node ［＄self nodeID］ is DEAD！！！！"
＄chan removeif [［$self node] set netif_(0)］
set alive_ 0
set opt（nn_) [expr ＄opt(nn_) - 1]

set ISalive ［[［$self node］ set netif_（0)］ set alive_] ＃从网络接口netif中查看当前节点状 况

如果节点存活，但是节点能量耗光,则＄chan removeif ［[＄self node] set netif_（0）］将节点信道中移出，并将节点设置为死亡.节点的总数目减少一个.
if {＄opt(eq_energy) == 1｝ {
#
＃ Pi（t） = k / (N — k mod(r，N/k））
＃ where k is the expected number of clusters per round
＃ N is the total number of sensor nodes in the network
# and r is the number of rounds that have already passed.
#
set nn $opt（nn_）
if ｛[expr ＄nn — ＄opt（num_clusters） ＊ ＄round_］ < 1｝ ｛
set thresh 1
｝ else ｛
set thresh ［expr double(＄opt(num_clusters)) / \
［expr $nn - $opt（num_clusters） ＊ $round_］］
＃ Whenever round_ is 0, all nodes are eligible to be cluster-head。
if ｛＄round_ == 0} {
$self hasnotbeenClusterHead
}
}
# If node has been cluster—head in this group of rounds， it will not
# act as a cluster-head for this round.
if ｛[＄self hasbeenClusterHead?］} ｛
set thresh 0
}
} else {
＃
# Pi（t) = Ei(t) / Etotal(t) * k
# where k is the expected number of clusters per round，
＃ Ei(t) is the node’s current energy, and Etotal（t) is the total
# energy from all nodes in the network.
＃
set Etotal 0
# Note! In a real network， would need a routing protocol to get this
＃ information. Alternatively, each node could estimate Etotal（t) from
＃ the energy of nodes in its cluster。
for ｛set id 0｝ ｛＄id 〈 [expr $opt（nn）—1］} {incr id} {
set app ［$node_（＄id） set rca_app_]
set E [[＄app getER］ query]
set Etotal [expr ＄Etotal + $E］
}
set E ［［$self getER］ query]
set thresh ［expr double（[expr ＄E * ＄opt(num_clusters)]) / ＄Etotal］
｝

上面是对thresh的计算，当（N - k mod（r，N/k））〈1，则将thresh设置为1，否则节点thresh=k / (N — k mod(r，N/k）），每个节点在一个1/p中都要成为簇头节点一次。p=簇头节点占所有节点的比例，在r=0的时候每个节点都有机会吃呢更为簇头节点.如果节点成为过簇头节点则thresh=0,则这个节点在1/p轮后才可以成为簇头节点。
if ｛[$self getRandomNumber 0 1］ 〈 ＄thresh} {
puts "＄nodeID: ***＊*＊＊*＊*＊*＊*＊*＊*＊***＊＊**＊＊*＊＊*＊＊＊＊**＊＊***”
puts "＄nodeID： Is a cluster head at time ［＄ns_ now]”
＄self setClusterHead
set random_access [$self getRandomNumber 0 ＄opt（ra_adv)］ ＃opt(ra_adv) in leach。tcl

＄ns_ at ［expr ＄now_ + ＄random_access] "＄self advertiseClusterHead"
} else ｛
puts ”＄nodeID： ＊**＊*＊**＊*＊＊＊***＊＊**＊***＊*＊****＊＊*＊＊＊***＊＊*"
＄self unsetClusterHead
}
如果thresh〉getRandomNumber，则节点成为簇头节点。然后调用advertiseClusterHead方法。
set next_change_time_ [expr $now_ + ＄opt（ch_change)］
＄ns_ at ＄next_change_time_ "＄self decideClusterHead"
$ns_ at ［expr $now_ + ＄opt（ra_adv_total）］ ”$self findBestCluster"
当节点成为簇头节点，则节点调用 advertiseClusterHead方法。
set chID [$self nodeID］
set currentCH_ $chID
pp ”Cluster Head $currentCH_ broadcasting ADV at time ［＄ns_ now］"
set mac_dst ＄MAC_BROADCAST
set link_dst $LINK_BROADCAST set msg [list ＄currentCH_] set datasize ［expr $BYTES_ID * ［llength $msg]］ ＃ Send beacons opt(max_dist） meters so all nodes can hear。 $self send ＄mac_dst ＄link_dst $ADV_CH ＄msg $datasize ＄opt(max_dist） $code_
将该节点设置为簇头节点,设置当前节点所处的簇号。然后发送数据,广播该节点为簇头信息到全局网络。
在$ns_ at [expr $now_ + ＄opt(ra_adv_total)] "＄self findBestCluster"调用findBestCluster方法。
分析（七）
当簇头发出了一个ADV类型的包时,其他的节点会接收这个包，并会将发送这个包的簇头的节点号按顺序先后记录在clusterChoices_中，还会计算每个簇头到接收节点的距离并记录在clusterDist_中。这样可以方便每个节点选簇的时候进行比较.具体的实现在ns-leach.tcl中的recvADV_CH函数中.
findBestCluster
if ［$self isClusterHead?］ {
＃ If node is CH, determine code and create a TDMA schedule。
set dist_ $opt(max_dist）
set currentCH_ $nodeID
set myADVnum_ ［[＄self mac] set myADVnum_］
# There are opt（spreading) - 1 codes available b/c need 1 code
＃ for communication with the base station.
set numCodesAvail [expr 2 ＊ $opt（spreading） — 1]
set ClusterCode [expr int(fmod（＄myADVnum_， ＄numCodesAvail)) + 1]
＄ns_ at [expr $now_ + ＄opt（ra_adv_total) + $opt(