【文章內(nèi)容簡介】 要產(chǎn)品 OPNET Modeler 做了詳細的介紹。 第二章對 WSN 的 QoS 路由進行了研究與仿真。對定向擴散進行了擴展，組合地利用路徑節(jié)點最小能量和最小跳數(shù)信息的分布式 QoS 路由算法建立了仿真模型，使網(wǎng)絡生存期提高了 500%；同時，在不同比例的混合業(yè)務模式下，可以河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 2 很好地支持不同業(yè)務的資源需求分配，達到全網(wǎng)能耗均衡。 第三章對 OPNET 的流量建模機制進行了分析與研究。這一章是本文的研究基礎，主要闡述了 OPNET 仿真中的三種流量建模機制，以太平洋東海岸一家公司的網(wǎng)絡為例對背景業(yè)務流量進行了研究與仿真，為建立無線傳感器網(wǎng)絡的流量模型奠定了基礎。 第四章在理論分析的基礎上，初步建立了無線傳感器網(wǎng)絡的流量模型，不斷地對建立的模型進行仿真配置、收集統(tǒng)計量，運行仿真并查看、分析結(jié)果，在反復的實驗中改進完善所建模型。 第五章對所做工作進行了一個全面的總結(jié)，并展望了無線傳感器網(wǎng)絡的未來應用，指出下一步將要進行的工作。 河海大學工學學士學位論文 第 1 章 概述 3 第 1 章 概述 絡 (WSN)概述 無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是一種新型的、無基礎設施的、自組織的無線網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點完成一些數(shù)據(jù)采集工作，節(jié)點通過傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡中，并最終由特定的應用接收。傳感器節(jié)點集成傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，并通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡。借助于傳感器節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器件，可以測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號等信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速 度和方向等等眾多感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。 無線傳感器網(wǎng)絡由許許多多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。每一個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊 (傳感器、 AID 轉(zhuǎn)換器 )、數(shù)據(jù)處理和控制模塊 (微處理器、存儲器 )、通信模塊 (無線收發(fā)器 )和供電模塊 (電池、 AC/DC 能量轉(zhuǎn)換器 )等組成。節(jié)點在網(wǎng)絡中可以充當數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或組頭、簇頭節(jié)點的角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù) (如溫度、濕度等 )，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠方的基站 (Base Station)或匯節(jié)點(Sink Node)。作為數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)站，節(jié)點除了完成采集任務外，還要接收鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點，作為簇頭節(jié)點，節(jié)點負責收集該簇內(nèi)所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點。 無線傳感器網(wǎng)絡可以認為是一種獨立出現(xiàn)的計算機網(wǎng)絡，它的基本組成單位是節(jié)點 (Node)，在不同的應用中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同，但是一般由傳感器模塊、微處理器模塊、通信模塊和能量供應模塊四個部分組成，如圖 11所示。無線傳感器網(wǎng)絡典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感 器節(jié)點拋散到感興趣的區(qū)域，節(jié)點通過自組織快速形成一個無線網(wǎng)絡。節(jié)點既是信息的采集和河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 4 發(fā)出者，也充當了信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達匯節(jié)點。而匯節(jié)點作為一個特殊節(jié)點，可以通過 Inter、移動通信網(wǎng)絡、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。也可以利用無人機飛躍網(wǎng)絡上空，通過匯節(jié)點采集數(shù)據(jù)。 能量供應模塊 傳感器 A C / D C 處理器 存儲器 網(wǎng)絡 收發(fā)器 MA C 傳感器模塊 處理器模塊 無線通信模塊 圖 11 隨著應用和體系結(jié)構(gòu)的不同，無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議棧也不盡相同，圖12 是傳感節(jié)點使用的最典型的協(xié)議模型。 圖 12 該模型既參考了現(xiàn)有通用網(wǎng)絡的 TCP/IP 的 OSI 模型的架構(gòu)，同時也包含了傳感器網(wǎng)絡特有的電源管理、移動管理及任務管理。應用層為不同的應用提供了一個相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為無線傳感器網(wǎng)絡保持數(shù)據(jù)流或保證與 Inter 連接；網(wǎng)絡層主要關(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)的河海大學工學學士學位論文 第 1 章 概述 5 訪問，盡量減少相鄰節(jié)點廣播時的沖突；物理層為系統(tǒng)提供了一個簡單、穩(wěn)定的調(diào)制、傳輸和接收系統(tǒng)。除此之外，電源、移動和任務管理負責傳感節(jié)點能量、移動和任務分配的監(jiān)測，幫助傳感節(jié)點協(xié)調(diào)感測任務，盡量減少整個系統(tǒng)的功耗。 (Simulation)？ 網(wǎng)絡仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路的統(tǒng)計模型 ， 并模擬網(wǎng)絡流量的傳輸 ， 從而獲取網(wǎng)絡設計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù) 。 仿真就是采用模型來再現(xiàn)真實情況，而模型指的是系統(tǒng)、過程或現(xiàn)象的物理的、數(shù)學的或其他邏輯的表達。 隨著網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和規(guī)模越來越復雜化以及網(wǎng)絡的應用越來越多樣化，單純地依靠經(jīng)驗進行網(wǎng)絡的規(guī)劃和設計、網(wǎng)絡設備的研發(fā)以及網(wǎng)絡協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應網(wǎng)絡的發(fā)展，因而急需一種科學的手段來反映和預測網(wǎng)絡的性能，網(wǎng)絡仿真技術(shù)應運而生。 網(wǎng)絡仿真的意義在于 它可以有效地提高網(wǎng)絡規(guī)劃和設計的可靠性和準確性，明顯地降低網(wǎng)絡投資風險，減少不必要的投資浪費。 網(wǎng)絡設計方法通常包括以下四種：經(jīng)驗方法、物理實驗、理論計算和網(wǎng)絡仿真，表 11 在可靠性、實現(xiàn)成本、可實現(xiàn)性和適用網(wǎng)絡規(guī)模四個方面對以上四種方法做出了比較。 設計方法 比較內(nèi)容 經(jīng)驗方法 物理試驗 理論計算 網(wǎng)絡仿真 可靠性 不確定 高 低 較高 實現(xiàn)成本 不確定 高 低 中 可實現(xiàn)性 高 低 高 中 適用的網(wǎng)絡規(guī)模 中、小型 小 中、小型 中、大型 表 11河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 6 OPNET 簡介 OPNET 的歷史和現(xiàn)狀 OPNET 公司起源于 MIT(麻省理工學院 )，成立于 1986 年。 1987 年 OPNET公司發(fā)布了其第一個商業(yè)化的網(wǎng)絡性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡性能優(yōu)化工具，使得具有預測性的網(wǎng)絡性能管理和仿真成為可能。 OPNET 公司最初只有一種產(chǎn)品 OPNET Modeler，到目前已經(jīng)擁有 Modeler、ITGuru、 SPGuru、 WDMGuru、 ODK 等一系列產(chǎn)品。 對于網(wǎng)絡的設計和管理，一般分為 3 個階段：第一階段為設計階段，包括網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的設計，協(xié)議的設計和配置以及網(wǎng)絡中設備的設計和選擇；第 二階段為發(fā)布階段，設計出的網(wǎng)絡能夠具有一定的性能，如吞吐率、響應時間等等；第三階段為實際運營中的故障診斷、排錯和升級優(yōu)化。 OPNET 憑借它強大的功能成為當前業(yè)界智能化網(wǎng)絡管理解決方案的主流開發(fā)工具。 OPNET Modeler的主要特性 OPNET Modeler 的主要特性包含以下幾點： (1)層次化的網(wǎng)絡模型。 OPNET Modeler 提供了三層建模機制，分別在進程層，節(jié)點層和網(wǎng)絡層進行由下到上的建模。 進程模型 (process model)的基礎是用有限狀態(tài)機 FSM(Finite State Machine)來描述各種協(xié)議。各個狀態(tài)再分別進行編程實現(xiàn)。 節(jié)點模型 (node model)由進程模型構(gòu)成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實的反映所建模設備的特性。各模塊間通過數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來進行各種操作，進而實現(xiàn)設備的功能。 (2)簡單明了的建模方法。 Modeler 建模過程分為 3 個層次：過程 (process)層次、節(jié)點 (Node)層次以及網(wǎng)絡 (Network)層次。在過程層次模擬單個對象的行為，在節(jié)點層次中將其互連成設備，在網(wǎng)絡層次中將這些設備互連組成網(wǎng)絡。幾個不同的網(wǎng)絡場景組成 “項目 ”，用 以比較不同的設計方案。這也是 Modeler 建模的重要機制，這種機制有利于項目的管理和分工。 (3)有限狀態(tài)機。在過程層次使用有限狀態(tài)機來對協(xié)議和其他過程進行建模，在有限狀態(tài)機的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中使用 C/C++語言對任何過程進行模擬。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細程度。有限狀態(tài)機加上標準的 C/C++以及 OPNET本身提供的 400 多個庫函數(shù)構(gòu)成了 Modeler 編程的核心。 OPNET 稱這個集合為河海大學工學學士學位論文 第 1 章 概述 7 ProtoC 語言。 (4)對協(xié)議編程的全面支持。支持 400 多個庫函數(shù)以及書寫風格簡潔的協(xié)議模型。 OPNET 的核心已經(jīng) 嵌入了眾多協(xié)議，因此對于很多協(xié)議，無需進行額外的編程。 (5)系統(tǒng)的完全開放性。 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。 (6)高效的仿真引擎。使用 Modeler 進行開發(fā)的仿真平臺，使仿真的效率相當高。 (7)集成的分析工具。 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，也可將曲線導出到電子表格中。 (8)動畫。 Modeler 可以在仿真中或仿真后顯示模型行為的動畫，使得仿真平臺具有很好的演示效果。 (9)集成調(diào)試器。快速地驗證仿真或發(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)。另外， OPNET 在 Windows 平臺下還支持和編程語言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 OPNET Modeler建模 流程 OPNET Modeler 的建模過程如圖 13 所示。 圖 13河海大學工學學士學位論文 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡的 QoS 路由研究與仿真 8 第 2 章無線傳感器網(wǎng)絡的 QoS 路由研究與仿真 WSN 的特點 無線傳感器網(wǎng)絡由大量具有數(shù)據(jù)感知，信息處理和無線通信能力的傳感節(jié)點組成，節(jié)點間以無線多跳的無中心方式連接，在軍事、民用和工業(yè)生產(chǎn)等諸多領域具有著廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng) 絡和移動自組網(wǎng)絡 (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)，使得相應的研究更具有挑戰(zhàn)性。它的特點表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)節(jié)點低能耗和網(wǎng)絡能耗均衡，以延長網(wǎng)絡生存期和穩(wěn)定網(wǎng)絡拓撲。 (2)可擴展性，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量與 MANET 相比要高幾個數(shù)量級，節(jié)點可能無全局唯一地址標識。 (3)面向以數(shù)據(jù)為中心的應用，而不是面向連接的端到端數(shù)據(jù)傳輸。 (4)節(jié)點數(shù)據(jù)時空分布，有較大冗余，應支持數(shù)據(jù)聚合。 (5)節(jié)點資源如發(fā)射功率，能量和處理能力等更加嚴格受限。 WSN 的 QoS路由 近年來 ,已提 出多種針對無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議 ， 但大都假定服務基于單一的盡力而為 (besteffort)模型。隨著研究和應用的深入 ， 不同業(yè)務對網(wǎng)絡服務質(zhì)量 (QoS)提出了不同要求 ， 如：軍用監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡中 ,對某區(qū)域關(guān)鍵參數(shù) (如空氣中的放射物質(zhì)濃度 )的周期性測量 ， 檢測結(jié)果要求傳輸可靠 ， 分組丟失率盡可能低 ； 而在事件驅(qū)動的敵方目標識別和跟蹤中 ， 實時數(shù)據(jù)傳輸則對延遲和抖動非常敏感 。 在無線傳感器網(wǎng)絡中 ， 要求提供有保證的差別服務 ,同時能在全網(wǎng)范圍內(nèi)實現(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。 無線傳感器網(wǎng)絡中有三 類基本實體 ： 目標 (Target)、 傳感節(jié)點 (SensingNode)和觀測節(jié)點 (ObserverNode)。 目標是應用相關(guān)的信號源 ； 傳感節(jié)點是目標信息的監(jiān)測者 ， 數(shù)量眾多但資源有限 ， 節(jié)點間以無線多跳的無中心方式連接 ； 觀測節(jié)點作為接收者 (Sink)和控制者 (Commander)， 監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡事件消息 ， 向網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務。通常 ， 網(wǎng)絡中目標和觀測節(jié)點可 一 個或多個 ， 可靜止或運動 ； 傳感節(jié)點數(shù)量眾多 ， 通常為靜止 ， 其中有效節(jié)點 (采集到目標有價值信息的傳感節(jié)點 )是有限的 ， 且在時域和空域上變化 。 路由是將有效節(jié)點信息 傳輸至觀河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 9 測節(jié)點的過程。 為了研究方便，我們作以下假設： 觀測節(jié)點能量充分 ， 傳感節(jié)點的規(guī)格指標均相同 ， 如有效傳輸距離 、 攜帶能量等 ； 節(jié)點均勻分布 ， 端到端的傳輸延遲可用所經(jīng)過的跳數(shù)來估計 ； 觀測節(jié)點靜止 ,網(wǎng)絡拓撲的變化僅因傳感節(jié)點能量耗盡失效導致 ， 除此可認為網(wǎng)絡是穩(wěn)定的 。 QoS路由 在 研究中 ， 網(wǎng)絡往往被抽象為賦權(quán)有向圖 G(V,A)。 其中 V 為節(jié)點集 ， 元素v 是圖的節(jié)點 ； A 為弧集 ， 元素 a(i,j)∈ A 為節(jié)點 v(i)到節(jié)點 v(j)的弧 ； 賦權(quán)是弧的某種度量 ， 度量的操作包括可加性 、 可乘性和最小性。業(yè)務對 QoS 度量的要求為 QoS 約束 C=(c1,c2,ck)。