通信工程畢業(yè)設(shè)計-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(專業(yè)版)

　　

【正文】 按照以上分析并結(jié)合 OPNET 建模機(jī)制建立了如圖 41 所示的流量模型。 圖 37 當(dāng)聽到嘟的一聲時，仿真 結(jié)束。在所要創(chuàng)建的五個子網(wǎng)中，除了華 盛頓的中心網(wǎng)絡(luò)需要特殊配置以外，其他四地的辦事處的網(wǎng)絡(luò)是等同的。 業(yè)務(wù)流量建模 前景業(yè)務(wù)流量是 定義在 Workstation 和 Server 節(jié)點 之間或定義在 Station 和Station 之間的 流量 。背景利用率流量可用來考察一些難以顯性定義也不需要顯性定義的流量。試驗結(jié)果表明改進(jìn)后算法可對兩類業(yè)務(wù)提供有保證的差別服務(wù)，同時可在全網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)能量資源的充分有效利用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。 失效節(jié)點和有效節(jié)點的比率閾值設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用相關(guān)，若取值太大，下一跳數(shù)據(jù)傳遞失 敗的概率越大，可能帶來性能的較大抖動；若太小，會帶來過大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和不必要的能耗。 DirectedDiffusion的 QoS路由擴(kuò)展 Directed Diffusion及其擴(kuò)展機(jī)制 DD 為缺乏全局地址標(biāo)識的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種以數(shù)據(jù)為中心，依賴局部梯度 (gradient)信息選擇下一跳節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)散和網(wǎng)間數(shù)據(jù)聚合處理的數(shù)據(jù)分發(fā)模式。假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點失效和拓?fù)渥兓瘍H因節(jié)點能量消耗殆盡引起 ， 它可通過降低節(jié)點能耗和均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗來優(yōu)化。 (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。 (6)高效的仿真引擎。各模塊間通過數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來進(jìn)行各種操作，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備的功能。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。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。可以說，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。 （ 4）利用 OPNET 平臺對仿真模型進(jìn)行仿真實驗，驗證模型的有效性。本設(shè)計基于OPNET 仿真平臺，首先在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS 路由問題的基礎(chǔ)上，對定向擴(kuò)散進(jìn)行擴(kuò)展，組合利用路徑節(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%；在不同比例的混合業(yè)務(wù)模式下，可以很好地支持不同業(yè)務(wù)的資源需求分配，達(dá)到全網(wǎng)能耗均衡。 第二章對 WSN 的 QoS 路由進(jìn)行了研究與仿真。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)。 對于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和管理，一般分為 3 個階段：第一階段為設(shè)計階段，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計，協(xié)議的設(shè)計和配置以及網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的設(shè)計和選擇；第 二階段為發(fā)布階段，設(shè)計出的網(wǎng)絡(luò)能夠具有一定的性能，如吞吐率、響應(yīng)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。有限狀態(tài)機(jī)加上標(biāo)準(zhǔn)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 Modeler建模 流程 OPNET Modeler 的建模過程如圖 13 所示。 QoS路由 在 研究中 ， 網(wǎng)絡(luò)往往被抽象為賦權(quán)有向圖 G(V,A)。多約束 QoS 路由選擇通常是 NP 完全問題 ,可用去度量相關(guān) 性或轉(zhuǎn)化為單一度量來降低計算復(fù)雜度。 梯度建立過程：興趣分組攜帶上一跳節(jié)點能量、上一跳最大最小剩余能量、跳數(shù)、是否更新 MaxMPE 和是否更新 MHC 標(biāo)志等字段；當(dāng)同序號興趣分組通過多徑到達(dá)某節(jié)點，該節(jié)點比較自身能量和上一跳節(jié)點的 MaxMPE，取小的為該路徑的 MPE，若此 MPE 比節(jié)點保存的 MaxMPE 大，或雖相等但跳數(shù)少，則更新節(jié)點的 MaxMPE 并保留對應(yīng)的跳數(shù)，置“是否更新 MaxMPE0”標(biāo)志為真；若該路徑跳數(shù)比當(dāng)前 MHC 小，或雖相等但對應(yīng)的 MPE 大，則更新節(jié)點的 MHC并保留對應(yīng)的 MPE，置“是否更 新 MHC0”標(biāo)志為真；兩標(biāo)志都為假則丟棄該興趣分組，否則向鄰居節(jié)點廣播該分組。 (3) 分組傳輸率，成功接收分組與發(fā)送分組的比率，反映了分組傳輸質(zhì)量。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 16 第 3 章 OPNET 流量建模機(jī)制 OPNET 流量建模機(jī)制綜述 OPNET 具有在通信網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)方面的專業(yè)化設(shè)計，是目前世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺，它采用基于包的建模機(jī)制 (Simulation on Packet Level)和離散事件驅(qū)動的模擬機(jī)理 (Discrete Event Driven)，并且提供各種目 的的研究工具。如果指定整個數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)包和比特數(shù)目為恒定的話，只要簡單地在第二行輸入數(shù)字即可；如果需要指定某個時刻的數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目則需要用鼠標(biāo)先單擊上面圖形的某一個時間點，當(dāng)顯示的時間段在所要設(shè)定的時間段以后，就可以在第二行里編輯數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目了。 建立一個完整的前景流量模型必須先對各業(yè)務(wù)分別建模，然后進(jìn)行組合再進(jìn)行分析驗證，再修改，再驗證，如此多次直到符合要求為止。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(qū)別之前的 no_back_load 場景。流量模型的建立使得通過仿真系統(tǒng)得到的各項參數(shù)數(shù)據(jù)能夠較為全面地反映出網(wǎng)絡(luò)的性能。河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 26 Application Configura。流量模型的實現(xiàn)有一定的規(guī)范和要求，且必須能夠反映實際網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量狀況。 圖 34 對 FTP 服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用配置，具體配置如下圖 (圖 35)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 21 圖 35 保存場景和工程。 (3)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計。 圖 31 通過網(wǎng)絡(luò)工具讀入流量 由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(wǎng)絡(luò)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(shè)置不同時間段流量的不同參數(shù)來定義流量 ，如圖 32 所示。它與 DD 的實施模式無關(guān) ,可在滿足不同業(yè)務(wù)資 源需求的同時，追求能量資源在全網(wǎng)的均衡使用，網(wǎng)絡(luò)生存期被大大提高。 (2) 延遲和延遲抖動，延遲是分組從源節(jié)點到接收節(jié)點的平均經(jīng)過時間， 延遲抖動是同一業(yè)務(wù)流中不同分組的延遲變化量。算法的關(guān)鍵思想是利用節(jié)點的最大最小剩余能量 (MaxMinPathnodeEnergy， MaxMPE)和到觀測節(jié)點的最小跳數(shù) (MinHop Count)來建立梯度。這里 ,以網(wǎng)絡(luò)生存期為優(yōu)化目標(biāo) ,選擇路徑節(jié)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。 路由是將有效節(jié)點信息 傳輸至觀河海大學(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 9 測節(jié)點的過程。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)。在過程層次使用有限狀態(tài)機(jī)來對協(xié)議和其他過程進(jìn)行建模，在有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中使用 C/C++語言對任何過程進(jìn)行模擬。 1987 年 OPNET公司發(fā)布了其第一個商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化工具，使得具有預(yù)測性的網(wǎng)絡(luò)性能管理和仿真成為可能。作為數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)站，節(jié)點除了完成采集任務(wù)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(fù)責(zé)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。 第一章為概述部分，鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 OPNET 仿真平臺都是較新的 理論和技術(shù)，我在這一章中用了較大的篇幅對其進(jìn)行介紹。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借其潛在的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。總結(jié)前面的工作，展望以后需要進(jìn)一步展開的工作。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(jìn)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)。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(dá)和地震波信號等信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)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。 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(dá)。 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。 (7)集成的分析工具。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 。 在本部分研究中重點 考查實時業(yè)務(wù)和盡力而為兩類業(yè)務(wù) ， 引入鏈路帶寬 、 延遲和路徑節(jié)點最小剩余能量三種度量 ， 將網(wǎng)絡(luò)生存期作為系統(tǒng)優(yōu) 化目標(biāo)。其主要步驟包括：興趣 (Interest)通告、梯度建立、興趣匹配、路徑維護(hù)、下一跳選擇和數(shù)據(jù)聚合。 圖 22 網(wǎng)絡(luò)范圍 200 200，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù) 300，節(jié)點隨機(jī)分布且圖 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場景靜止，其發(fā)送接收最大參考距離 15；節(jié)點采用 層協(xié)議，帶寬 2Mb/s；觀測節(jié)點一個，位于網(wǎng)絡(luò)場景右上角，目標(biāo)區(qū)域在左下角；仿真過程中假定目標(biāo)區(qū)域節(jié)點通過聚合處理，只有一 個傳感節(jié)點返回匹配數(shù)據(jù)；仿真時間為網(wǎng)絡(luò)生存期結(jié)束。從協(xié)議代價來看 ,改進(jìn)后算法有所增加，原因是更復(fù)雜的梯度建立策略以及鏈路快速修復(fù)機(jī)制所導(dǎo)致的協(xié)議控制開銷。表 31 是常用的仿真研究問題和一般需要選擇的流量建模方式。 前景業(yè)務(wù)流量是網(wǎng)絡(luò)流量仿 真建模中最重要的組成部分，因為它影響節(jié)點模型的 CPU 處理速率模型、隊列模型和路由模型等，由此會影響各種業(yè)務(wù)的響應(yīng)時間和處理時間，同時對鏈路的吞吐量和利用率也會產(chǎn)生影響，對它的建模常常出于下面幾種情況。需要特別注意的是華盛頓子網(wǎng)。結(jié)果如圖 38， 39， 310 所示。單擊工程編輯器里的 Traffic，選擇 Import Conversation Pairs 子菜單，然后選擇 From Agilent NetMetrix 導(dǎo)入 OPNET 自帶的流量文件 ，其中需要注意的地方是流量合并類型選擇Maximum 最大模式，即當(dāng) OPNET 遇到對同一對節(jié)點的不同的流量說明的時候，OPNET 將選擇比較大的流量值來指定給這一對節(jié)點，這也是使用中最廣泛的一種模式。所以在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量模型時，我們注重的是對它的前景業(yè)務(wù)流量進(jìn)行分析與研究，所以在之前我們已經(jīng)假設(shè)該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)通過使用某種流量控制軟件 Netmetrix加載了一定的背景流量文件，通過下文介紹我們便知道，這個背景流量文件就是。 單擊工具欄里的 圖標(biāo)運行仿真。因為該公司位于太平洋東海岸，所以在新建一個工程時我們可以從地圖中選擇 usa 作為建模范圍，為了能在范圍內(nèi)顯示東海岸的那五個城市，我們點擊 zoom in 來放大感興趣的區(qū)域就可以清楚地看到以上提到的五個城市了。背景利用率流量常可用來代表基本的背景流量和不太重要的流量，在仿真過程中，不必有真正的包傳送，但它會對前景業(yè)務(wù)流量產(chǎn)生影響，使前景業(yè)務(wù)流量中包的傳送產(chǎn)生延遲。前景業(yè)務(wù)流量精確度高，但效率低，配置時間長。分組傳輸率在各種情景下均較高，原因是節(jié)點靜止且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定，而 2Mbs 帶寬足以滿足業(yè)務(wù)帶寬需要。 規(guī)則 2(節(jié)點失效通知 )：在節(jié)點能量低于設(shè)定閾值后，該節(jié)點會主動向鄰居節(jié)點發(fā)出失效通知。通過其他輔助信息 (如地理信息等 )或設(shè)定更新閾值可限制泛洪范圍和降低泛洪頻率。 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)點與觀測節(jié)點間的度量則反映網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的鏈路屬性 (包括無線鏈路質(zhì)量 ， 如延遲 、 分組丟失率或節(jié)點剩余 能量等 )和傳輸代價 (如功率消耗或信息增益等 )等。 (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)系統(tǒng)的完全開放性。各個狀態(tài)再分別進(jìn)行編程實現(xiàn)。 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。 第五章對所做工作進(jìn)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(jìn)行的工作。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