【正文】 1 年 3 月 2 日 學(xué)生姓名： ， 專業(yè)年級： 2021 級通信工程專業(yè) 系負(fù)責(zé)人審核意見（ 從選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、是否結(jié)合科研或工程實際、綜合訓(xùn)練程度、內(nèi)容難度及工作量等方面加以審核 ）： XX 大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 任務(wù)書 系負(fù)責(zé)人簽字： ， 年 月 日河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 中文摘要 Ⅰ 摘 要 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)具有硬件資源有限、電源容量有限、以數(shù)據(jù)為 中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓?fù)?、?jié)點數(shù)量眾多切分布密集等特點。 然而在信息技術(shù)日新月異的現(xiàn)代社會，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)驗進行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計、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， OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)運而生。其次著重對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量工程進行了建模與仿真，分析了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載對網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、數(shù)據(jù)丟失率和端 端時延等性能的影響，通過將業(yè)務(wù)流合理地映射到網(wǎng)絡(luò)資源，減少了擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能與可靠性。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； OPNET 仿真； QoS 路由；定向擴散 ；流量工程；網(wǎng)絡(luò)吞吐量；時延 河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 英文摘要 Ⅱ Abstract Wireless sensor work (WSN) is a new kind of wireless works, using brannew informationgathering and processing technology. The WSN, selfanized, is of no infrastructure. Numbers of sensing nodes, posing of sensing implement, data processing unit and munication module, structure the WSN selfdriven. WSN has such characteristics as hardware resource limitation, power capacity limitation, datacentral, selfanization, multihop routing, dynamic topology, dense distribution with numerous nodes. WSN is widely used for its potential ascendancy. However, in modern society, information technology changes with each passing day. With the work structure and scale going more and more plex and the multiplicity of work application, it’ll never adapt to the rapid development if you still rely simply on your experience when you layout and design a new work, Ramp。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器節(jié)點通過無線介質(zhì)連接構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，它采用 Ad hoc 方式配置大量微型的智能傳感節(jié)點，通過節(jié)點的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的目標(biāo)信息?？梢哉f，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場革命，是 21 世紀(jì)最 重要的技術(shù)之一。無論是構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，升級改造現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或者測試新協(xié)議，都需要對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和有效性進行客觀地評估，從而降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險，使設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)有很高的性能，或者使測試結(jié)果能夠真實反映新協(xié)議的表現(xiàn)。因此越來越 需要一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計手段，在這種情況下網(wǎng)絡(luò)仿真應(yīng)運而生。 本文基于 OPNET 仿真平臺，著重對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由和流量工程進行了建模與仿真，分析了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載對網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、數(shù)據(jù)丟失率和端 端時延等性能的影響，通過將業(yè)務(wù)流合理地映射到網(wǎng)絡(luò)資源，減少了擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能與可靠性。在前部分中，主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、通信結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧和它的特點，后部分則對OPNET 的歷史和現(xiàn)狀以及 OPNET 的最主要產(chǎn)品 OPNET Modeler 做了詳細(xì)的介紹。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(luò)生存期提高了 500%；同時，在不同比例的混合業(yè)務(wù)模式下，可以河海大學(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 2 很好地支持不同業(yè)務(wù)的資源需求分配，達到全網(wǎng)能耗均衡。這一章是本文的研究基礎(chǔ)，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(luò)為例對背景業(yè)務(wù)流量進行了研究與仿真，為建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量模型奠定了基礎(chǔ)。 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(luò)的未來應(yīng)用，指出下一步將要進行的工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，并最終由特定的應(yīng)用接收。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。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。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)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是一種獨立出現(xiàn)的計算機網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點 (Node)，在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)模塊四個部分組成，如圖 11所示。節(jié)點既是信息的采集和河海大學(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 4 發(fā)出者，也充當(dāng)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。也可以利用無人機飛躍網(wǎng)絡(luò)上空，通過匯節(jié)點采集數(shù)據(jù)。 圖 12 該模型既參考了現(xiàn)有通用網(wǎng)絡(luò)的 TCP/IP 的 OSI 模型的架構(gòu)，同時也包含了傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的電源管理、移動管理及任務(wù)管理。除此之外，電源、移動和任務(wù)管理負(fù)責(zé)傳感節(jié)點能量、移動和任務(wù)分配的監(jiān)測，幫助傳感節(jié)點協(xié)調(diào)感測任務(wù)，盡量減少整個系統(tǒng)的功耗。 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(xué)的或其他邏輯的表達。 網(wǎng)絡(luò)仿真的意義在于 它可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計的可靠性和準(zhǔn)確性，明顯地降低網(wǎng)絡(luò)投資風(fēng)險，減少不必要的投資浪費。 設(shè)計方法 比較內(nèi)容 經(jīng)驗方法 物理試驗 理論計算 網(wǎng)絡(luò)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(luò)規(guī)模 中、小型 小 中、小型 中、大型 表 11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 6 OPNET 簡介 OPNET 的歷史和現(xiàn)狀 OPNET 公司起源于 MIT(麻省理工學(xué)院 )，成立于 1986 年。 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。 OPNET 憑借它強大的功能成為當(dāng)前業(yè)界智能化網(wǎng)絡(luò)管理解決方案的主流開發(fā)工具。 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(luò)層進行由下到上的建模。各個狀態(tài)再分別進行編程實現(xiàn)。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(shè)備的功能。 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(luò) (Network)層次。幾個不同的網(wǎng)絡(luò)場景組成 “項目 ”，用 以比較不同的設(shè)計方案。 (3)有限狀態(tài)機。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細(xì)程度。 OPNET 稱這個集合為河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 概述 7 ProtoC 語言。支持 400 多個庫函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡潔的協(xié)議模型。 (5)系統(tǒng)的完全開放性。 (6)高效的仿真引擎。 (7)集成的分析工具。 (8)動畫。 (9)集成調(diào)試器。另外， OPNET 在 Windows 平臺下還支持和編程語言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 圖 13河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由研究與仿真 8 第 2 章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由研究與仿真 WSN 的特點 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域具有著廣闊的應(yīng)用前景。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(luò)能耗均衡，以延長網(wǎng)絡(luò)生存期和穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹? (3)面向以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用，而不是面向連接的端到端數(shù)據(jù)傳輸。 (5)節(jié)點資源如發(fā)射功率，能量和處理能力等更加嚴(yán)格受限。隨著研究和應(yīng)用的深入 ， 不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量 (QoS)提出了不同要求 ， 如：軍用監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有三 類基本實體 ： 目標(biāo) (Target)、 傳感節(jié)點 (SensingNode)和觀測節(jié)點 (ObserverNode)。通常 ， 網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)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(biāo)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 。 為了研究方便，我們作以下假設(shè)： 觀測節(jié)點能量充分 ， 傳感節(jié)點的規(guī)格指標(biāo)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(luò)拓?fù)涞淖兓瘍H因傳感節(jié)點能量耗盡失效導(dǎo)致 ， 除此可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定的 。 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。 QoS 路由是在圖 G 中 ,尋找滿足業(yè)務(wù) QoS 約束 C,從源節(jié)點 v(0)到目標(biāo)節(jié)點 v(n)的可能路徑 P=v(0)→ v(1) →??→ v(n)。 節(jié)點集 V 可包括目標(biāo) 、 傳感節(jié)點和觀測節(jié)點 ； 目標(biāo)與傳感節(jié)點間的度量反映節(jié)點對目標(biāo)的感知能力 ， 如采樣率 、 探測距離和測量精度等 ， 這是傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)所沒有的 ； 傳感節(jié)點間以及傳感節(jié)