【正文】 第 1 章 概述 3 第 1 章 概述 絡(luò) (WSN)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是一種新型的、無基礎(chǔ)設(shè)施的、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許許多多個(gè)功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。作為數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn)，作為簇頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn)。而匯節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，可以通過 Inter、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。應(yīng)用層為不同的應(yīng)用提供了一個(gè)相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)保持?jǐn)?shù)據(jù)流或保證與 Inter 連接；網(wǎng)絡(luò)層主要關(guān)心數(shù)據(jù)的路由；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調(diào)無線媒質(zhì)的河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 概述 5 訪問，盡量減少相鄰節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)的沖突；物理層為系統(tǒng)提供了一個(gè)簡單、穩(wěn)定的調(diào)制、傳輸和接收系統(tǒng)。 隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模越來越復(fù)雜化以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越多樣化，單純地依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，因而急需一種科學(xué)的手段來反映和預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 1987 年 OPNET公司發(fā)布了其第一個(gè)商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化工具，使得具有預(yù)測性的網(wǎng)絡(luò)性能管理和仿真成為可能。 OPNET Modeler的主要特性 OPNET Modeler 的主要特性包含以下幾點(diǎn)： (1)層次化的網(wǎng)絡(luò)模型。 節(jié)點(diǎn)模型 (node model)由進(jìn)程模型構(gòu)成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實(shí)的反映所建模設(shè)備的特性。在過程層次模擬單個(gè)對象的行為，在節(jié)點(diǎn)層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組成網(wǎng)絡(luò)。在過程層次使用有限狀態(tài)機(jī)來對協(xié)議和其他過程進(jìn)行建模，在有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中使用 C/C++語言對任何過程進(jìn)行模擬。 (4)對協(xié)議編程的全面支持。 Modeler 中源碼全部開放，用戶可以根據(jù)自己的需要添加、修改已有的源碼。 Modeler 仿真結(jié)果的顯示界面十分友好，可以輕松刻畫和分析各種類型的曲線，也可將曲線導(dǎo)出到電子表格中?？焖俚仳?yàn)證仿真或發(fā)現(xiàn)仿真中存 在的問題， OPNET 本身有自己的調(diào)試工具 ——OPNET Debugger(ODB)。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng) 絡(luò)和移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò) (MANET)有著顯著的不同，其路由協(xié)議不能移用傳統(tǒng)的路由技術(shù)，使得相應(yīng)的研究更具有挑戰(zhàn)性。 (4)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)空分布，有較大冗余，應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)聚合。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ， 要求提供有保證的差別服務(wù) ,同時(shí)能在全網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的充分有效利用 ， QoS 路由是解決該問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。 路由是將有效節(jié)點(diǎn)信息 傳輸至觀河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS 路由及流量建模研究與仿真 9 測節(jié)點(diǎn)的過程。業(yè)務(wù)對 QoS 度量的要求為 QoS 約束 C=(c1,c2,ck)。 網(wǎng)絡(luò)生存期 (Network Lifetime)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的評價(jià)指標(biāo)之一。對于任意給定信源 s 和信宿 d 的路徑 P(s,d)， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS 路由問題可表述為以下各式的聯(lián)合優(yōu)化 問題。這里 ,以網(wǎng)絡(luò)生存期為優(yōu)化目標(biāo) ,選擇路徑節(jié)點(diǎn)最小剩余能量、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)以及分組丟失率等作為 QoS 路由度量。另外，能力有限的傳感節(jié)點(diǎn)采用依靠鄰居節(jié)點(diǎn)信息的分布式計(jì)算。路由建立或維護(hù)時(shí)機(jī)基于按需驅(qū)動(dòng)模式 ，可在連接未斷時(shí)提供軟 QoS 保證；鏈路失效時(shí) ,需通過備份 (冗余 )路徑、路徑修復(fù)以及自適應(yīng)等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量的平滑過渡。 DD 默認(rèn)提供基于最小延遲的路由機(jī)制，但它定位為一種數(shù)據(jù)分發(fā)模式，適合研究人員以濾器 (Filter)和濾器優(yōu)先級組合的形式設(shè)計(jì)新的路由選擇和數(shù)據(jù)聚合處理算法，如 GEAR 和 GPSR。算法的關(guān)鍵思想是利用節(jié)點(diǎn)的最大最小剩余能量 (MaxMinPathnodeEnergy， MaxMPE)和到觀測節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù) (MinHop Count)來建立梯度。 傳統(tǒng) DD 的路徑維護(hù)通過周期性興趣泛洪和路徑探測來進(jìn)行路徑增強(qiáng)或抑制 ,但沒有提供對失效節(jié)點(diǎn)的快速修復(fù)，另外對故障節(jié)點(diǎn)的多次發(fā)送嘗試會(huì)消耗當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量并增加了分組的端到端時(shí)延。規(guī)則 2 反向調(diào)動(dòng)規(guī)則 1，可以大大減少由于對失效鏈路嘗試所帶來的時(shí)延開銷和能量消耗。由于節(jié)點(diǎn)的通信能耗比重最大，故不考慮感知能耗。 (2) 延遲和延遲抖動(dòng)，延遲是分組從源節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的平均經(jīng)過時(shí)間， 延遲抖動(dòng)是同一業(yè)務(wù)流中不同分組的延遲變化量。 DD的性能比較 表 21 上表為采用實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器和盡力而為業(yè)務(wù)濾器的改進(jìn)算法與采用默認(rèn)最小延遲策略的傳統(tǒng) DD 的性能比較，考察了兩類網(wǎng)絡(luò)生存期，其中 A 為傳統(tǒng) DD 算法、 B 為只采用實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器的改進(jìn)算法、 C 只采用盡力而為業(yè)務(wù)濾器。從 I 類網(wǎng)絡(luò)生存期來看，采用實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器比傳統(tǒng) DD 提高了 50%，而盡力而為業(yè)務(wù)濾器則提高了 540%；從 II 類網(wǎng)絡(luò)生存期來看 ,采用實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器僅比傳統(tǒng) DD 提高了7%，而盡力而為業(yè)務(wù)濾器則提高了 21%。 調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流量和盡力而為業(yè)務(wù)量的比例 (TrafficMixedRatio， TMR)，研究改進(jìn)算法對實(shí)時(shí)和盡力而為兩類業(yè)務(wù) QoS 需求的滿足能力，結(jié)果如圖 23 和圖24。它與 DD 的實(shí)施模式無關(guān) ,可在滿足不同業(yè)務(wù)資 源需求的同時(shí)，追求能量資源在全網(wǎng)的均衡使用，網(wǎng)絡(luò)生存期被大大提高。如果想要獲得對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義的結(jié)果，那么用于仿真的業(yè)務(wù)源必須能夠正確反映實(shí)際業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)特性，因?yàn)?Modeler 就象個(gè)黑箱，如果加載不精確的業(yè)務(wù)，出來的結(jié)果也就不精確的。背景路由流量缺乏對特定業(yè)務(wù)的針對性。在本章接下來的三節(jié)中將依次地詳細(xì)介紹這三種流量建模方式。 圖 31 通過網(wǎng)絡(luò)工具讀入流量 由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大 ， HP Openiew 的 RMON 流量探頭比較昂貴等客觀因素 ，往往不能同時(shí)讀入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 背景路由流量 ，并且這種流量輸入的方法也不靈活，為此， OPNET 提供了手工建立 背景路由流量 的方法 ,即可通過設(shè)置不同時(shí)間段流量的不同參數(shù)來定義流量 ，如圖 32 所示。仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)在 15m30s 到 16m0s 時(shí)段圖 32 與圖 31 存在明顯的區(qū)別。 這種流量定義方法的優(yōu)點(diǎn)是縮短了配置仿真網(wǎng)絡(luò)流量的時(shí)間 ,使仿真運(yùn)行速度加快 。 (1)業(yè)務(wù)性能分析。 (3)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。各 辦事處之間是通過電話線路連接的，所以非常容易受到線路上的不相關(guān)業(yè)務(wù)的影響。為了比較有無背景流量下網(wǎng)絡(luò)響應(yīng) FTP 業(yè)務(wù)的時(shí)間，我們將首先建立的場景命名為 no_backload。通過雙擊華盛頓子網(wǎng)圖標(biāo)進(jìn)入其子網(wǎng)編輯器，為了達(dá)到仿真的目的，我們需要在這個(gè)中心子網(wǎng)中添加一個(gè)交換機(jī)和一個(gè) FTP 服務(wù)器 (用橢圓圈出的部分 )。 圖 34 對 FTP 服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用配置，具體配置如下圖 (圖 35)河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS 路由及流量建模研究與仿真 21 圖 35 保存場景和工程。 圖 36 這樣我們就成功地將背景流量加入到網(wǎng)絡(luò)中了。設(shè)置仿真運(yùn)行的參數(shù)，具體的配置見下圖 (圖 37)。 圖 38 河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS 路由及流量建模研究與仿真 23 圖 39 圖 310 從圖 38 中我們可以看到，當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有背景業(yè)務(wù)流量的情況下，F(xiàn)TP 下載的響應(yīng)時(shí)間明顯增加了近 5 秒。流量模型的實(shí)現(xiàn)有一定的規(guī)范和要求，且必須能夠反映實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量狀況。 (1)首先新建一個(gè)工程 。 所以，在這里我們可以近似將此處的網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)總線型的 10BaseT Lan。 現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的背景路由流量已經(jīng)導(dǎo)入到網(wǎng)絡(luò)中了，這些流量只代表著一段時(shí)間的業(yè)務(wù)量，它通常是選擇比較典型的時(shí)間來測量的，但是有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的業(yè)務(wù)沖擊，對于這種情況下網(wǎng)絡(luò)性 能的分析可以采用增加背景流量的百分比來觀察網(wǎng)絡(luò)的性能。河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 26 Application Configura。在 OPNET 仿真平臺(tái)之上 進(jìn)行流量模型的建模和仿真， 一般 需要經(jīng)過 應(yīng)用定義 (Application Definitions)和描述定義 (Profile Definitions)兩個(gè)步驟。河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS 路由及流量建模研究與仿真 25 圖 41 (2)導(dǎo)入系統(tǒng)的流量文件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間是沒有實(shí)際的鏈路連接的，只要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離足夠近 (在適于無線通信的范圍 )，那么即使背景流量再大也不會(huì)影響節(jié)點(diǎn)間的正常通信；而如果節(jié)點(diǎn)間距離超出了這個(gè)范圍時(shí)，節(jié)點(diǎn)間將無法進(jìn)行通信 。流量模型的建立使得通過仿真系統(tǒng)得到的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)能夠較為全面地反映出網(wǎng)絡(luò)的性能。其他的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)也都可以通過搜集統(tǒng)計(jì)量和運(yùn)行仿真來查看，這里就不鰲述了。右擊工程空白區(qū)，選擇 Compare Result 比較沒有背景流量和存在背景流量情況下網(wǎng)絡(luò)的 FTP 下載時(shí)間，鏈路的利用率和吞吐量的變化。 在工程的空白區(qū)域單擊鼠標(biāo)由鍵，從中選擇 Choose Individual DES Statistics，在彈出的選擇框中選擇 Global Statistics Ftp Download Response Time (sec) statistic， Link Statistics pointtopoint throughput (bits/sec) 和 Link Statistics pointtopoint utilization 。具體方式是點(diǎn)擊 Scenarios菜單下的 Duplicate Scenarios命令，然后將其命名為 back_load來區(qū)別之前的 no_back_load 場景。河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機(jī)制 20 圖 33 然后用 10BaseT 鏈路將各個(gè)子網(wǎng)連接起來。所以我們只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)子網(wǎng)，然后將其復(fù)制到其他三地就可以了。 首先是要?jiǎng)?chuàng)建仿真模型。 建立一個(gè)完整的前景流量模型必須先對各業(yè)務(wù)分別建模，然后進(jìn)行組合再進(jìn)行分析驗(yàn)證，再修改，再驗(yàn)證，如此多次直到符合要求為止。 (2)網(wǎng)絡(luò)性能分析。 通 過節(jié)點(diǎn)的 屬性 (attribute) 和 應(yīng)用定義 (Application Configuration)來定義 ， Application 包括 Email， Http， Ftp， Print， Database Access，Tel 和 Video Conference 等業(yè)務(wù) ,每種業(yè)務(wù)均可由用戶定義相關(guān)參數(shù) ， 如對于Http 業(yè)務(wù) ， 可指定其業(yè)務(wù)流量 ， 所用服務(wù)器 、 服務(wù)類型等等 。這種流量定義方法可以指定網(wǎng)絡(luò)資源的消耗，如設(shè)備CPU 的背景利用率，鏈路所占用帶寬等。如果指定整個(gè)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)包和比特?cái)?shù)目為恒定的話，只要簡單地在第二行輸入數(shù)字即可；如果需要指定某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目則需要用鼠標(biāo)先單擊上面圖形的某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)顯示的時(shí)間段在所要設(shè)定的時(shí)間段以后，就可以在第二行里編輯數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目了。通過網(wǎng)管系統(tǒng)的工具讀入流量時(shí)可以設(shè)置讀入流量數(shù)據(jù)的起始、終止時(shí)間等參數(shù)。通常情況下，是綜合運(yùn)用幾種流量建模方式，從而在精確性和效率之間取得平衡。選擇哪種流量建模方式用于建立流量模型取決于仿真研究的目的。河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機(jī)制 16 第 3 章 OPNET 流量建模機(jī)制 OPNET 流量建模機(jī)制綜述 OPNET 具有在通信網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)方面的專業(yè)化設(shè)計(jì)，是目前世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)，它采用基于包的建模機(jī)制 (Simulation on Packet Level)和離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理 (Discrete Event Driven)，并且提供各種目 的的研究工具。協(xié)議很好的支持了兩類業(yè)務(wù)的不同需求；圖 24 顯示，盡力而為業(yè)務(wù)量的增大顯著提高網(wǎng)絡(luò)生存期，因?yàn)楦嗟膬A向于全網(wǎng)的能耗均衡。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器的性能提升較小，原因是最小跳策略與傳統(tǒng)DD 的最小延遲策略類 似，但兼顧考慮最大化路徑能量瓶頸還是明顯提升了性能。BE RT RT BE BE 平均 ETE 包延遲 (ms) 3627 19238 5242 24319 24121 25260 規(guī)格化數(shù)據(jù)包收 /發(fā) 分組傳輸率 (%) 123/124 700/730 189/190 756/780 839/845 830/854 控制包總數(shù) 2369 14