通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-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-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 ............................................... 32 致謝 ...................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 34 附錄 英文 資料翻譯 ............................................................................................ 36 河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 引言 1 引言 近年來隨著微電子技術(shù) 、傳感器技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛，進(jìn)展很快，而且在軍事與民用方面的一些具體應(yīng)用也取得了成功，由于其良好的應(yīng)用廣泛性，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前景一片光明。OPNET 作為一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)工具，以其獨(dú)有的方法為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性。 第四章在理論分析的基礎(chǔ)上，初步建立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量模型，不斷地對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真配置、收集統(tǒng)計(jì)量，運(yùn)行仿真并查看、分析結(jié)果，在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)完善所建模型。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或組頭、簇頭節(jié)點(diǎn)的角色。 能量供應(yīng)模塊 傳感器 A C / D C 處理器 存儲(chǔ)器 網(wǎng)絡(luò) 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(yīng)用和體系結(jié)構(gòu)的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧也不盡相同，圖12 是傳感節(jié)點(diǎn)使用的最典型的協(xié)議模型。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法通常包括以下四種：經(jīng)驗(yàn)方法、物理實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)仿真，表 11 在可靠性、實(shí)現(xiàn)成本、可實(shí)現(xiàn)性和適用網(wǎng)絡(luò)規(guī)模四個(gè)方面對(duì)以上四種方法做出了比較。 進(jìn)程模型 (process model)的基礎(chǔ)是用有限狀態(tài)機(jī) FSM(Finite State Machine)來描述各種協(xié)議。這也是 Modeler 建模的重要機(jī)制，這種機(jī)制有利于項(xiàng)目的管理和分工。 OPNET 的核心已經(jīng) 嵌入了眾多協(xié)議，因此對(duì)于很多協(xié)議，無需進(jìn)行額外的編程。 Modeler 可以在仿真中或仿真后顯示模型行為的動(dòng)畫，使得仿真平臺(tái)具有很好的演示效果。 (2)可擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量與 MANET 相比要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，節(jié)點(diǎn)可能無全局唯一地址標(biāo)識(shí)。 目標(biāo)是應(yīng)用相關(guān)的信號(hào)源 ； 傳感節(jié)點(diǎn)是目標(biāo)信息的監(jiān)測(cè)者 ， 數(shù)量眾多但資源有限 ， 節(jié)點(diǎn)間以無線多跳的無中心方式連接 ； 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)作為接收者 (Sink)和控制者 (Commander)， 監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡(luò)事件消息 ， 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求或派發(fā)任務(wù)。 它應(yīng)該滿足不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求和在全網(wǎng)范圍內(nèi)的資源有效利用 。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 10 QoS路由策略 與 QoS 路由相關(guān)的策略包括： (1) QoS 度量選擇。路由更新的頻率和消息的大小應(yīng)在路由開銷和計(jì)算準(zhǔn)確性 上折衷。內(nèi)核、應(yīng)用層、濾器和濾器優(yōu)先級(jí)組合的交互過程 ,是擴(kuò)展 DD 的基礎(chǔ) 。如果河海大學(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 12 失效節(jié)點(diǎn)和有效節(jié)點(diǎn)的比率超過給定閾值，則主動(dòng)發(fā)出鏈路狀態(tài)更新請(qǐng)求，由觀測(cè)節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起梯度更新過程。仿真結(jié)果置信度 ，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 13 其余主要仿真參數(shù)包括：觀測(cè)節(jié)點(diǎn)興趣泛洪周期 300s；傳感節(jié)點(diǎn)興趣匹配后產(chǎn)生 280 個(gè)數(shù)據(jù)分組包；數(shù)據(jù)分組包數(shù)據(jù)負(fù)載 1024Byte。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 14679 11425 48978 38767 39254 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 14 時(shí)延來看 ，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)濾器能獲得最佳性能。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。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。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)。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。 (2)網(wǎng)絡(luò)性能分析。 首先是要?jiǎng)?chuàng)建仿真模型。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。 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 。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。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 。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。 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(cè)量的，但是有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的業(yè)務(wù)沖擊，對(duì)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。 (1)首先新建一個(gè)工程 。 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。 圖 36 這樣我們就成功地將背景流量加入到網(wǎng)絡(luò)中了。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 )。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。 (1)業(yè)務(wù)性能分析。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。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。如果想要獲得對(duì)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。 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(duì)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。 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。由于節(jié)點(diǎn)的通信能耗比重最大，故不考慮感知能耗。 傳統(tǒng) DD 的路徑維護(hù)通過周期性興趣泛洪和路徑探測(cè)來進(jìn)行路徑增強(qiáng)或抑制 ,但沒有提供對(duì)失效節(jié)點(diǎn)的快速修復(fù)，另外對(duì)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。 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(jí)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。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。對(duì)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。業(yè)務(wù)對(duì) QoS 度量的要求為 QoS 約束 C=(c1,c2,ck)。 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。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。 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。 (4)對(duì)協(xié)議編程的全面支持。在過程層次模擬單個(gè)對(duì)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)。 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。 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(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。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。 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。 第三章對(duì) OPNET 的流量建模機(jī)制進(jìn)行了分析與研究。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方法主要靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)，很多地方由于無法預(yù)知而抓不住設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。通過仿真，我們可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性，降低網(wǎng)絡(luò)投資風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要的投資浪費(fèi)。 XX 大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 任務(wù)書 （ 6）整理論文，完成論文答辯。 （ 2）對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由進(jìn)行了研究分析，定向擴(kuò)散進(jìn)行了擴(kuò) 展，利用一種新的 QoS 路由算法建立網(wǎng)絡(luò)模型提高網(wǎng)絡(luò)的生存期。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(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)數(shù)量眾多切分布密集等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)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。 本文基于 OPNET 仿真平臺(tái)，著重對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由和流量工程進(jìn)行了建模與仿真，分析了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、數(shù)據(jù)丟失率和端 端時(shí)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。 第五章對(duì)所做工作進(jìn)行了一個(gè)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(jìn)行的工作。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(yuǎn)方的基站 (Base Station)或匯節(jié)點(diǎn)(Sink Node)。 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(shí)也包含了傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的電源管理、移動(dòng)管理及任務(wù)管理。 設(shè)計(jì)方法 比較內(nèi)容 經(jīng)驗(yàn)方法 物理試驗(yàn) 理論計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)仿真 可靠性 不確定 高 低 較高 實(shí)現(xiàn)成本 不確定 高 低 中 可實(shí)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(jiǎn)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。各個(gè)狀態(tài)再分別進(jìn)行