1、第十二章 無線傳感器網絡的仿真技術 網絡仿真概述無線傳感器網絡仿真研究現狀與發展常用的仿真軟件仿真軟件比較第十二章 無線傳感器網絡的仿真技術網絡仿真概述 無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成，通過隨機自組織無線通信方式形成的網絡系統。傳感器節點有限的處理能力、存儲能力、通信能力以及能量問題，決定了無線傳感器網絡在真實環境大規模部署前，必須對其性能、運行穩定性等因素進行測試，通過整合網絡資源以使網絡最優化。WSN的仿真方法必須具備以下五項關鍵特性：可伸縮性完整性可信性橋梁作用具有能量模型網絡仿真概述無線傳感器網絡仿真研究現狀與發展 基于無線傳感器網絡的自身特點，無線傳感器網

2、絡仿真模擬技術主要解決完整性、能耗模擬、大規模節點網絡、可擴展性、高效性、異構性等問題。（1）完整性完整性：無線傳感器網絡高度的應用相關性，使網絡沒有嚴格的層次劃分，要求模擬器必須對節點的執行進行完整模擬。（2）能耗模擬能耗模擬：要求模擬器能對能量供應源、消耗源進行建模，支持能量仿真，對能耗有效性進行評價。（3）大規模節點網絡大規模節點網絡：要求模擬器能同時模擬盡可能多的節點執行情況，適應大規模網絡部署的需要。（4）可擴展性可擴展性：模擬器能夠根據不同的需要、應用環境進行功能擴展。 （5）高效性高效性：即仿真效率，要求模擬器用較短的時間、較少的內存占用量實現盡可能大規模的網絡模擬。 （6）異構

3、性異構性：傳感器節點應該根據目標任務的不同來運行不同的應用，因此要求模擬器應具備模擬異構網絡的功能。無線傳感器網絡仿真研究現狀與發展主流的仿真平臺分為兩種：1.通用性的仿真平臺 主要包括OPNET、NS2和OMNET，其中NS2是一個開源軟件，所有代碼都是公開的，OMNET仿真工具容易入門，但對無線傳感器網絡傳輸層來說，OMNET的仿真效果不如其他仿真軟件好。2.基于TinyOS的仿真平臺 TinyOS是一種無線傳感器網絡的操作系統，其復雜度和學習難度比通用型的要大得多常用的仿真軟件-OPNET OPNET是一種優秀的圖形化、支持面向對象建模的大型網絡仿真軟件，它具有強大的仿真功能，幾乎可以模

4、擬任何網絡設備、支持各種網絡技術，能夠模擬固有通信模型、無線分組網模型和衛星通信網模型；同時，OPNET在對網絡規劃設計和現有網絡分析中也表現較為突出。此外，OPNET還提供交互式的運行調試工具和功能強大、便捷、直觀的圖形化結果分析器以及能夠實時觀測模型動態變化的動態觀測器。2三層建模機制三層建模機制 OPNET Modeler采用三層建模機制，分別是進程域建模、節點域建模和網絡域建模，建模順序由下到上。下面就簡要介紹一下OPNET的建模機制。1）網絡建模網絡建模 網絡建模是指通過鏈路將設備互聯形成網絡級的網絡，它需要對網絡有正確的拓撲描述。網絡域包括了在其他建模域中定義的所有對象，因此網絡模

5、型描述了整個仿真系統。網絡模型包括三個基本對象：子網、節點和鏈路。常用的仿真軟件-OPNET2）節點建模節點建模 互聯進程級對象可形成節點級的設備，每一個節點模型其實就是一個網絡對象（鏈路除外），它由一個或多個模塊（Module）組成，每一個模塊能夠生成、發送或從別的模塊接收數據包以完成它在節點內的功能。在節點級，模塊都是黑匣子，內部結構對用戶不可見，但用戶可以通過配置其屬性的方式來控制模塊的行為。3）進程建模進程建模 進程建模是建模機制的最底層，進程模型使用有效狀態機（FSM）來描述進程的邏輯行為協議；通過狀態轉移圖（STD）的狀態和轉移兩個方面來描述模塊的行為。常用的仿真軟件常用的仿真軟件

6、-OPNET常用的仿真軟件 NS-2NS-2是面向對象、離散事件驅動的網絡環境模擬器，它支持眾多的協議，并提供了豐富的測試腳本，主要用于解決網絡研究方面的問題，它本身有一個虛擬時鐘，所有的仿真都由離散事件驅動。使用使用NS2進行網絡仿真的方法和一般過程進行網絡仿真的方法和一般過程（1）開始編寫OTCL腳本。首先配置模擬網絡拓撲結構，此時可以確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。（2）建立協議代理，包括端設備的協議綁定和通信業務量模型的建立。（3）配置業務量模型的參數，從而確定網絡上的業務量分布。（4）設置Trace文件。NS2通過Trace文件來保存整個模擬過程。在仿真結束后，用戶可以

7、對Trace文件進行分析研究。（5）編寫其他的輔助過程，設定模擬結束時間，至此OTCL腳本編寫完成。（6）用NS2解釋執行剛才編寫的OTCL腳本。（7）對Trace文件進行分析，得出有用的數據。（8）調整配置拓撲結構和業務量模型，重新進行上述模擬過程。常用的仿真軟件- TOSSIMTinyOSWSN嵌入式操作系統TinyOS以及編程語言nesC由伯克利分校開發并維護，TinyOS面向組件，基于事情驅動。一個TinyOS程序可以用組件圖表示，每個組件具有私有變量，組件有三個計算抽象：命令、事件和任務。命令和事件命令和事件實現組件間的通信，任務體現了組件間的并行性。命令是組件的某種服務請求，如初始

8、化傳感器讀操作；事件是服務請求完成的信號，事件可以是異步的，如硬件中斷或消息的到來。命令和事件不能被阻塞，命令立即返回，經過一定時間，標志服務請求完成的信號到來。命令和事情立即執行，而命令和事件的處理程序可以發布任務，任務的執行任務的執行由TinyOS調度，這樣的機制實現命令和事件立即返回，同時把計算任務發布出去。常用的仿真軟件- TOSSIM仿真系統結構仿真軟件比較- OPNET VS NS2 OPNET可以對分組的到達時間分布、分組長度分布、網絡節點類型和鏈路類型等進行詳細的設置，通過不同廠家提供的網絡設備和應用場景來設計自己的仿真環境，用戶也可以方便地選擇庫中已有的網絡拓撲結構； NS2在這方面的選擇不如OPNET豐富，只能根據實際仿真的環境通過腳本建立邏輯的網絡結構，而查看結果則需要其他軟件的輔助。在操作易用性方面，OPNET的優越性是毋庸置疑的，它可以使用比較少的操作得到較詳盡和真實的仿真結果；而NS2則要通過編寫腳本和C+代碼來實現網絡仿真，而且用這種方式建立復雜的