通信工程畢業設計-基于opnet的無線傳感器網絡qos路由及流量建模研究與仿真-wenkub

　

【正文】 第 1 章 概述 3 第 1 章 概述 絡 (WSN)概述 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，是一種新型的、無基礎設施的、自組織的無線網絡。 無線傳感器網絡由許許多多個功能相同或不同的無線傳感器節點組成。作為數據 中轉站，節點除了完成采集任務外，還要接收鄰居節點的數據，將其轉發給距離基站更近的鄰居節點或者直接轉發到基站或匯節點，作為簇頭節點，節點負責收集該簇內所有節點采集的數據，經數據融合后，發送到基站或匯節點。而匯節點作為一個特殊節點，可以通過 Inter、移動通信網絡、衛星等與監控中心通信。應用層為不同的應用提供了一個相對統一的高層接口；如果需要，傳輸層可為無線傳感器網絡保持數據流或保證與 Inter 連接；網絡層主要關心數據的路由；數據鏈路層協調無線媒質的河海大學工學學士學位論文 第 1 章 概述 5 訪問，盡量減少相鄰節點廣播時的沖突；物理層為系統提供了一個簡單、穩定的調制、傳輸和接收系統。 隨著網絡結構和規模越來越復雜化以及網絡的應用越來越多樣化，單純地依靠經驗進行網絡的規劃和設計、網絡設備的研發以及網絡協議的開發，已經不能適應網絡的發展，因而急需一種科學的手段來反映和預測網絡的性能，網絡仿真技術應運而生。 1987 年 OPNET公司發布了其第一個商業化的網絡性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網絡性能優化工具，使得具有預測性的網絡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： (1)層次化的網絡模型。 節點模型 (node model)由進程模型構成，可以組成完整的協議棧，真實的反映所建模設備的特性。在過程層次模擬單個對象的行為，在節點層次中將其互連成設備，在網絡層次中將這些設備互連組成網絡。在過程層次使用有限狀態機來對協議和其他過程進行建模，在有限狀態機的狀態和轉移條件中使用 C/C++語言對任何過程進行模擬。 (4)對協議編程的全面支持。 Modeler 中源碼全部開放，用戶可以根據自己的需要添加、修改已有的源碼。 Modeler 仿真結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。快速地驗證仿真或發現仿真中存 在的問題， OPNET 本身有自己的調試工具 ——OPNET Debugger(ODB)。與傳統的通信網 絡和移動自組網絡 (MANET)有著顯著的不同，其路由協議不能移用傳統的路由技術，使得相應的研究更具有挑戰性。 (4)節點數據時空分布，有較大冗余，應支持數據聚合。 在無線傳感器網絡中 ， 要求提供有保證的差別服務 ,同時能在全網范圍內實現資源的充分有效利用 ， QoS 路由是解決該問題的關鍵技術之一。 路由是將有效節點信息 傳輸至觀河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 9 測節點的過程。業務對 QoS 度量的要求為 QoS 約束 C=(c1,c2,ck)。 網絡生存期 (Network Lifetime)是無線傳感器網絡最重要的評價指標之一。對于任意給定信源 s 和信宿 d 的路徑 P(s,d)， 無線傳感器網絡 QoS 路由問題可表述為以下各式的聯合優化 問題。這里 ,以網絡生存期為優化目標 ,選擇路徑節點最小剩余能量、時延和時延抖動以及分組丟失率等作為 QoS 路由度量。另外，能力有限的傳感節點采用依靠鄰居節點信息的分布式計算。路由建立或維護時機基于按需驅動模式 ，可在連接未斷時提供軟 QoS 保證；鏈路失效時 ,需通過備份 (冗余 )路徑、路徑修復以及自適應等機制來實現服務質量的平滑過渡。 DD 默認提供基于最小延遲的路由機制，但它定位為一種數據分發模式，適合研究人員以濾器 (Filter)和濾器優先級組合的形式設計新的路由選擇和數據聚合處理算法，如 GEAR 和 GPSR。算法的關鍵思想是利用節點的最大最小剩余能量 (MaxMinPathnodeEnergy， MaxMPE)和到觀測節點的最小跳數 (MinHop Count)來建立梯度。 傳統 DD 的路徑維護通過周期性興趣泛洪和路徑探測來進行路徑增強或抑制 ,但沒有提供對失效節點的快速修復，另外對故障節點的多次發送嘗試會消耗當前節點的能量并增加了分組的端到端時延。規則 2 反向調動規則 1，可以大大減少由于對失效鏈路嘗試所帶來的時延開銷和能量消耗。由于節點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，延遲是分組從源節點到接收節點的平均經過時間， 延遲抖動是同一業務流中不同分組的延遲變化量。 DD的性能比較 表 21 上表為采用實時業務濾器和盡力而為業務濾器的改進算法與采用默認最小延遲策略的傳統 DD 的性能比較，考察了兩類網絡生存期，其中 A 為傳統 DD 算法、 B 為只采用實時業務濾器的改進算法、 C 只采用盡力而為業務濾器。從 I 類網絡生存期來看，采用實時業務濾器比傳統 DD 提高了 50%，而盡力而為業務濾器則提高了 540%；從 II 類網絡生存期來看 ,采用實時業務濾器僅比傳統 DD 提高了7%，而盡力而為業務濾器則提高了 21%。 調節實時業務流量和盡力而為業務量的比例 (TrafficMixedRatio， TMR)，研究改進算法對實時和盡力而為兩類業務 QoS 需求的滿足能力，結果如圖 23 和圖24。它與 DD 的實施模式無關 ,可在滿足不同業務資 源需求的同時，追求能量資源在全網的均衡使用，網絡生存期被大大提高。如果想要獲得對實際網絡設計有指導意義的結果，那么用于仿真的業務源必須能夠正確反映實際業務的統計特性，因為 Modeler 就象個黑箱，如果加載不精確的業務，出來的結果也就不精確的。背景路由流量缺乏對特定業務的針對性。在本章接下來的三節中將依次地詳細介紹這三種流量建模方式。 圖 31 通過網絡工具讀入流量 由于網絡規模龐大 ， HP Openiew 的 RMON 流量探頭比較昂貴等客觀因素 ，往往不能同時讀入整個網絡的 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 ,即可通過設置不同時間段流量的不同參數來定義流量 ，如圖 32 所示。仔細比較可以發現在 15m30s 到 16m0s 時段圖 32 與圖 31 存在明顯的區別。 這種流量定義方法的優點是縮短了配置仿真網絡流量的時間 ,使仿真運行速度加快 。 (1)業務性能分析。 (3)網絡規劃和設計。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業務的影響。為了比較有無背景流量下網絡響應 FTP 業務的時間，我們將首先建立的場景命名為 no_backload。通過雙擊華盛頓子網圖標進入其子網編輯器，為了達到仿真的目的，我們需要在這個中心子網中添加一個交換機和一個 FTP 服務器 (用橢圓圈出的部分 )。 圖 34 對 FTP 服務器進行應用配置，具體配置如下圖 (圖 35)河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 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絡中了。設置仿真運行的參數，具體的配置見下圖 (圖 37)。 圖 38 河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 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，當到達穩定狀態時，有背景業務流量的情況下，FTP 下載的響應時間明顯增加了近 5 秒。流量模型的實現有一定的規范和要求，且必須能夠反映實際網絡的業務流量狀況。 (1)首先新建一個工程 。 所以，在這里我們可以近似將此處的網絡看成一個總線型的 10BaseT Lan。 現在網絡的背景路由流量已經導入到網絡中了，這些流量只代表著一段時間的業務量，它通常是選擇比較典型的時間來測量的，但是有時候會出現暫時的業務沖擊，對于這種情況下網絡性 能的分析可以采用增加背景流量的百分比來觀察網絡的性能。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 26 Application Configura。在 OPNET 仿真平臺之上 進行流量模型的建模和仿真， 一般 需要經過 應用定義 (Application Definitions)和描述定義 (Profile Definitions)兩個步驟。河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 25 圖 41 (2)導入系統的流量文件。無線傳感器網絡各節點間是沒有實際的鏈路連接的，只要兩個節點間的距離足夠近 (在適于無線通信的范圍 )，那么即使背景流量再大也不會影響節點間的正常通信；而如果節點間距離超出了這個范圍時，節點間將無法進行通信 。流量模型的建立使得通過仿真系統得到的各項參數數據能夠較為全面地反映出網絡的性能。其他的網絡性能參數也都可以通過搜集統計量和運行仿真來查看，這里就不鰲述了。右擊工程空白區，選擇 Compare Result 比較沒有背景流量和存在背景流量情況下網絡的 FTP 下載時間，鏈路的利用率和吞吐量的變化。 在工程的空白區域單擊鼠標由鍵，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 。具體方式是點擊 Scenarios菜單下的 Duplicate Scenarios命令，然后將其命名為 back_load來區別之前的 no_back_load 場景。河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 20 圖 33 然后用 10BaseT 鏈路將各個子網連接起來。所以我們只需要創建一個子網，然后將其復制到其他三地就可以了。 首先是要創建仿真模型。 建立一個完整的前景流量模型必須先對各業務分別建模，然后進行組合再進行分析驗證，再修改，再驗證，如此多次直到符合要求為止。 (2)網絡性能分析。 通 過節點的 屬性 (attribute) 和 應用定義 (Application Configuration)來定義 ， Application 包括 Email， Http， Ftp， Print， Database Access，Tel 和 Video Conference 等業務 ,每種業務均可由用戶定義相關參數 ， 如對于Http 業務 ， 可指定其業務流量 ， 所用服務器 、 服務類型等等 。這種流量定義方法可以指定網絡資源的消耗，如設備CPU 的背景利用率，鏈路所占用帶寬等。如果指定整個數據段的數據包和比特數目為恒定的話，只要簡單地在第二行輸入數字即可；如果需要指定某個時刻的數據包和數據比特的數目則需要用鼠標先單擊上面圖形的某一個時間點，當顯示的時間段在所要設定的時間段以后，就可以在第二行里編輯數據包和數據比特的數目了。通過網管系統的工具讀入流量時可以設置讀入流量數據的起始、終止時間等參數。通常情況下，是綜合運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。河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 16 第 3 章 OPNET 流量建模機制 OPNET 流量建模機制綜述 OPNET 具有在通信網絡和信息系統方面的專業化設計，是目前世界上最先進的網絡仿真開發和應用平臺，它采用基于包的建模機制 (Simulation on Packet Level)和離散事件驅動的模擬機理 (Discrete Event Driven)，并且提供各種目 的的研究工具。協議很好的支持了兩類業務的不同需求；圖 24 顯示，盡力而為業務量的增大顯著提高網絡生存期，因為更多的傾向于全網的能耗均衡。實時業務濾器的性能提升較小，原因是最小跳策略與傳統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 規格化數據包收 /發 分組傳輸率 (%) 123/124 700/730 189/190 756/780 839/845 830/854 控制包總數 2369 14