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(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 要產(chǎn)品 OPNET Modeler 做了詳細(xì)的介紹。 第二章對 WSN 的 QoS 路由進(jìn)行了研究與仿真。對定向擴(kuò)散進(jìn)行了擴(kuò)展，組合地利用路徑節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(dá)到全網(wǎng)能耗均衡。 第三章對 OPNET 的流量建模機(jī)制進(jìn)行了分析與研究。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(jī)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(jìn)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。 第五章對所做工作進(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。 河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 概述 3 第 1 章 概述 絡(luò) (WSN)概述 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)中的傳感器節(jié)點(diǎn)完成一些數(shù)據(jù)采集工作，節(jié)點(diǎn)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。傳感器節(jié)點(diǎn)集成傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，并通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。借助于傳感器節(jié)點(diǎn)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。 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。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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。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。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)。作為數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn)，作為簇頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是一種獨(dú)立出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點(diǎn) (Node)，在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(gè)部分組成，如圖 11所示。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(diǎn)拋散到感興趣的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過自組織快速形成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)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(dá)匯節(jié)點(diǎn)。而匯節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，可以通過 Inter、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。也可以利用無人機(jī)飛躍網(wǎng)絡(luò)上空，通過匯節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。 能量供應(yīng)模塊 傳感器 A C / D C 處理器 存儲器 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。 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、移動管理及任務(wù)管理。應(yīng)用層為不同的應(yīng)用提供了一個(gè)相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)保持?jǐn)?shù)據(jù)流或保證與 Inter 連接；網(wǎng)絡(luò)層主要關(guān)心數(shù)據(jù)的路由；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調(diào)無線媒質(zhì)的河海大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 概述 5 訪問，盡量減少相鄰節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)的沖突；物理層為系統(tǒng)提供了一個(gè)簡單、穩(wěn)定的調(diào)制、傳輸和接收系統(tǒng)。除此之外，電源、移動和任務(wù)管理負(fù)責(zé)傳感節(jié)點(diǎn)能量、移動和任務(wù)分配的監(jiān)測，幫助傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)感測任務(wù)，盡量減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗。 (Simulation)？ 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型 ， 并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸 ， 從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù) 。 仿真就是采用模型來再現(xiàn)真實(shí)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)。 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)測網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 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(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性，明顯地降低網(wǎng)絡(luò)投資風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要的投資浪費(fèi)。 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)方面對以上四種方法做出了比較。 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。 1987 年 OPNET公司發(fā)布了其第一個(gè)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。 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。 對于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和管理，一般分為 3 個(gè)階段：第一階段為設(shè)計(jì)階段，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，協(xié)議的設(shè)計(jì)和配置以及網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇；第 二階段為發(fā)布階段，設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)能夠具有一定的性能，如吞吐率、響應(yīng)時(shí)間等等；第三階段為實(shí)際運(yùn)營中的故障診斷、排錯和升級優(yōu)化。 OPNET 憑借它強(qiáng)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。 OPNET Modeler 提供了三層建模機(jī)制，分別在進(jìn)程層，節(jié)點(diǎn)層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行由下到上的建模。 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。各個(gè)狀態(tài)再分別進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。 節(jié)點(diǎn)模型 (node model)由進(jìn)程模型構(gòu)成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實(shí)的反映所建模設(shè)備的特性。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(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能。 (2)簡單明了的建模方法。 Modeler 建模過程分為 3 個(gè)層次：過程 (process)層次、節(jié)點(diǎn) (Node)層次以及網(wǎng)絡(luò) (Network)層次。在過程層次模擬單個(gè)對象的行為，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)。幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)場景組成 “項(xiàng)目 ”，用 以比較不同的設(shè)計(jì)方案。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。 (3)有限狀態(tài)機(jī)。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。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細(xì)程度。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(gè)庫函數(shù)構(gòu)成了 Modeler 編程的核心。 OPNET 稱這個(gè)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。 (4)對協(xié)議編程的全面支持。支持 400 多個(gè)庫函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡潔的協(xié)議模型。 OPNET 的核心已經(jīng) 嵌入了眾多協(xié)議，因此對于很多協(xié)議，無需進(jìn)行額外的編程。 (5)系統(tǒng)的完全開放性。 Modeler 中源碼全部開放，用戶可以根據(jù)自己的需要添加、修改已有的源碼。 (6)高效的仿真引擎。使用 Modeler 進(jìn)行開發(fā)的仿真平臺，使仿真的效率相當(dāng)高。 (7)集成的分析工具。 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。 (8)動畫。 Modeler 可以在仿真中或仿真后顯示模型行為的動畫，使得仿真平臺具有很好的演示效果。 (9)集成調(diào)試器。快速地驗(yàn)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)。另外， OPNET 在 Windows 平臺下還支持和編程語言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 OPNET Modeler建模 流程 OPNET Modeler 的建模過程如圖 13 所示。 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(diǎn) 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(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)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。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng) 絡(luò)和移動自組網(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。它的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)節(jié)點(diǎn)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? (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，節(jié)點(diǎn)可能無全局唯一地址標(biāo)識。 (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。 (4)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)空分布，有較大冗余，應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)聚合。 (5)節(jié)點(diǎn)資源如發(fā)射功率，能量和處理能力等更加嚴(yán)格受限。 WSN 的 QoS路由 近年來 ,已提 出多種針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議 ， 但大都假定服務(wù)基于單一的盡力而為 (besteffort)模型。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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸則對延遲和抖動非常敏感 。 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。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有三 類基本實(shí)體 ： 目標(biāo) (Target)、 傳感節(jié)點(diǎn) (SensingNode)和觀測節(jié)點(diǎn) (ObserverNode)。 目標(biāo)是應(yīng)用相關(guān)的信號源 ； 傳感節(jié)點(diǎn)是目標(biāo)信息的監(jiān)測者 ， 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)布查詢請求或派發(fā)任務(wù)。通常 ， 網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)和觀測節(jié)點(diǎn)可 一 個(gè)或多個(gè) ， 可靜止或運(yùn)動 ； 傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多 ， 通常為靜止 ， 其中有效節(jié)點(diǎn) (采集到目標(biāo)有價(jià)值信息的傳感節(jié)點(diǎn) )是有限的 ， 且在時(shí)域和空域上變化 。 路由是將有效節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的過程。 為了研究方便，我們作以下假設(shè)： 觀測節(jié)點(diǎn)能量充分 ， 傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì) ； 觀測節(jié)點(diǎn)靜止 ,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘍H因傳感節(jié)點(diǎn)能量耗盡失效導(dǎo)致 ， 除此可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定的 。 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)。 其中 V 為節(jié)點(diǎn)集 ， 元素v 是圖的節(jié)點(diǎn) ； A 為弧集 ， 元素 a(i,j)∈ A 為節(jié)點(diǎn) v(i)到節(jié)點(diǎn) 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。業(yè)務(wù)對 QoS 度量的要求為 QoS 約束 C=(c1,c2,ck)。