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.com

　 　

【正文】 下面兩節中將詳細配置 Application 和Profile 屬性。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 OPNET 遇到對同一對節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絡流量模型時，我們注重的是對它的前景業務流量進行分析與研究，所以在之前我們已經假設該網絡已經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。 一個無線傳感器網絡 已經使用 HP Open View 的 Netmetrix軟件建立了網絡拓撲和一定的背景流量文件，現在我們 想在現有的網絡結構的基礎上增加業務負載，比如將流量負荷增加 50%或增加 75%，那么網絡的性能將呈現怎樣的變化？下面針對這個 whatif 的問題我們將在 OPNET 環境中對其建模仿真。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 24 第 4 章 WSN 流量 模型的仿真 流量模型是對網絡模型進行驗證并獲取各種重要參數的手段。結果如圖 38， 39， 310 所示。 單擊工具欄里的 圖標運行仿真。隨便選擇各個子網間的一條鏈路，然后右擊選中所有相似鏈路，并對它們的屬性做如下修改，如圖 36 所示。初步建立起來的網絡拓撲如圖34 所示。需要特別注意的是華盛頓子網。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 來放大感興趣的區域就可以清楚地看到以上提到的五個城市了。 假設在太平洋東海岸線上有一家大的公司，公司總部設立在華盛頓，此外在亞特蘭大、費城、紐約和波士頓四地設有四個辦事處，各個辦事處的網絡均與華盛頓的中心網絡相連。在指定網絡模型輸入一定的背景流量的情況下，再加上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 19 適當的前景流量進行仿真，來測試一些在背景流量下無法得到的網絡性能參數，如 TCP 連接建立時間等。 前景業務流量是網絡流量仿 真建模中最重要的組成部分，因為它影響節點模型的 CPU 處理速率模型、隊列模型和路由模型等，由此會影響各種業務的響應時間和處理時間，同時對鏈路的吞吐量和利用率也會產生影響，對它的建模常常出于下面幾種情況。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，但它會對前景業務流量產生影響，使前景業務流量中包的傳送產生延遲。在圖 32 中，指定 15m30s 到 16m0s 時段的數據包為 220pkt/s，數據比特數目為 30000bps，修改后單擊 Apply 應用修改。圖 31 就是利用 Netmetrix 讀入的網絡中的某一流量的情況。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。前景業務流量精確度高，但效率低，配置時間長。流量建模的準確性是任何通信系統性能評估的關鍵所在。 DD 提供了可擴展的無線傳感器網絡數據分發機制，本章基于 DD，利用路徑上節點的最小能量和到觀測節點的跳數建立兩類梯度，采用優先級調度法來作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 15 為多約束的路由策略，通過構造波爾茲曼概率選擇下一跳節點，擴展了路徑維護機制，得到了一種無線傳感器網絡的 QoS 路由算法。從協議代價來看 ,改進后算法有所增加，原因是更復雜的梯度建立策略以及鏈路快速修復機制所導致的協議控制開銷。分組傳輸率在各種情景下均較高，原因是節點靜止且網絡拓撲穩定，而 2Mbs 帶寬足以滿足業務帶寬需要。 (4) 分組傳輸代價，控制分組和數據分組的比率。 網絡仿真性能評價指標包括網絡生存期、端到端延遲和延遲抖動、分組傳 輸率和分組傳送代價： (1) 網絡生存期，考查協議在節點能量消耗和網絡能耗均衡方面的性能， 包括 I 類和 II 類網絡生存期 。 圖 22 網絡范圍 200 200，網絡節點數 300，節點隨機分布且圖 2 無線傳感器網絡仿真場景靜止，其發送接收最大參考距離 15；節點采用 層協議，帶寬 2Mb/s；觀測節點一個，位于網絡場景右上角，目標區域在左下角；仿真過程中假定目標區域節點通過聚合處理，只有一 個傳感節點返回匹配數據；仿真時間為網絡生存期結束。 規則 2(節點失效通知 )：在節點能量低于設定閾值后，該節點會主動向鄰居節點發出失效通知。梯度建立過程的含義是在興趣分組的泛洪過程中，組合利用 MaxMPE 和 MHC 建立兩類梯度，對于實時業務，最小延遲被優先考慮并兼顧能耗均衡，對于盡力而為業務，能耗均衡則被優先考慮而兼顧較小的延遲。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 11 圖 21 算法描述 對傳統 DD 的改進體現在三個方面：梯度建立、節點選擇和路徑維護。其主要步驟包括：興趣 (Interest)通告、梯度建立、興趣匹配、路徑維護、下一跳選擇和數據聚合。通過其他輔助信息 (如地理信息等 )或設定更新閾值可限制泛洪范圍和降低泛洪頻率。本章對多約束度量采用優先級調度法：將入選 QoS 度量依需求按優先級排序，路徑選擇按優先級依次進行，下一級度量計算基于前一級所得的路徑子集，直到滿足所有 QoS 度量。可選 QoS 度量包括時延、帶寬、分組丟失率和網絡吞吐量 等，它的選擇反映了網絡特點和應用需求。 在本部分研究中重點 考查實時業務和盡力而為兩類業務 ， 引入鏈路帶寬 、 延遲和路徑節點最小剩余能量三種度量 ， 將網絡生存期作為系統優 化目標。 節點集 V 可包括目標 、 傳感節點和觀測節點 ； 目標與傳感節點間的度量反映節點對目標的感知能力 ， 如采樣率 、 探測距離和測量精度等 ， 這是傳統通信網絡所沒有的 ； 傳感節點間以及傳感節點與觀測節點間的度量則反映網絡節點間的鏈路屬性 (包括無線鏈路質量 ， 如延遲 、 分組丟失率或節點剩余 能量等 )和傳輸代價 (如功率消耗或信息增益等 )等。 其中 V 為節點集 ， 元素v 是圖的節點 ； A 為弧集 ， 元素 a(i,j)∈ A 為節點 v(i)到節點 v(j)的弧 ； 賦權是弧的某種度量 ， 度量的操作包括可加性 、 可乘性和最小性。通常 ， 網絡中目標和觀測節點可 一 個或多個 ， 可靜止或運動 ； 傳感節點數量眾多 ， 通常為靜止 ， 其中有效節點 (采集到目標有價值信息的傳感節點 )是有限的 ， 且在時域和空域上變化 。隨著研究和應用的深入 ， 不同業務對網絡服務質量 (QoS)提出了不同要求 ， 如：軍用監控傳感器網絡中 ,對某區域關鍵參數 (如空氣中的放射物質濃度 )的周期性測量 ， 檢測結果要求傳輸可靠 ， 分組丟失率盡可能低 ； 而在事件驅動的敵方目標識別和跟蹤中 ， 實時數據傳輸則對延遲和抖動非常敏感 。 (3)面向以數據為中心的應用，而不是面向連接的端到端數據傳輸。 圖 13河海大學工學學士學位論文 第 2 章 無線傳感器網絡的 QoS 路由研究與仿真 8 第 2 章無線傳感器網絡的 QoS 路由研究與仿真 WSN 的特點 無線傳感器網絡由大量具有數據感知，信息處理和無線通信能力的傳感節點組成，節點間以無線多跳的無中心方式連接，在軍事、民用和工業生產等諸多領域具有著廣闊的應用前景。 (9)集成調試器。 (7)集成的分析工具。 (5)系統的完全開放性。 OPNET 稱這個集合為河海大學工學學士學位論文 第 1 章 概述 7 ProtoC 語言。 (3)有限狀態機。 Modeler 建模過程分為 3 個層次：過程 (process)層次、節點 (Node)層次以及網絡 (Network)層次。各個狀態再分別進行編程實現。 OPNET 憑借它強大的功能成為當前業界智能化網絡管理解決方案的主流開發工具。 設計方法 比較內容 經驗方法 物理試驗 理論計算 網絡仿真 可靠性 不確定 高 低 較高 實現成本 不確定 高 低 中 可實現性 高 低 高 中 適用的網絡規模 中、小型 小 中、小型 中、大型 表 11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 6 OPNET 簡介 OPNET 的歷史和現狀 OPNET 公司起源于 MIT(麻省理工學院 )，成立于 1986 年。 仿真就是采用模型來再現真實情況，而模型指的是系統、過程或現象的物理的、數學的或其他邏輯的表達。 圖 12 該模型既參考了現有通用網絡的 TCP/IP 的 OSI 模型的架構，同時也包含了傳感器網絡特有的電源管理、移動管理及任務管理。節點既是信息的采集和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 4 發出者，也充當了信息的路由者，采集的數據通過多跳路由到達匯節點。作為數據采集者，數據采集模塊收集周圍環境的數據 (如溫度、濕度等 )，通過通信路由協議直接或間接將數據傳輸給遠方的基站 (Base Station)或匯節點(Sink Node)。借助于傳感器節點中內置的形式多樣的傳感器件，可以測量所在周邊環境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號等信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、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現象。 第五章對所做工作進行了一個全面的總結，并展望了無線傳感器網絡的未來應用，指出下一步將要進行的工作。對定向擴散進行了擴展，組合地利用路徑節點最小能量和最小跳數信息的分布式 QoS 路由算法建立了仿真模型，使網絡生存期提高了 500%；同時，在不同比例的混合業務模式下，可以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 2 很好地支持不同業務的資源需求分配，達到全網能耗均衡。 本文基于 OPNET 仿真平臺，著重對無線傳感器網絡的 QoS 路由和流量工程進行了建模與仿真，分析了網絡業務負載對網絡的吞吐量、數據丟失率和端 端時延等性能的影響，通過將業務流合理地映射到網絡資源，減少了擁塞，提高了網絡的性能與可靠性。無論是構建新網絡，升級改造現有網絡，或者測試新協議，都需要對網絡的可靠性和有效性進行客觀地評估，從而降低網絡建設的投資風險，使設計的網絡有很高的性能，或者使測試結果能夠真實反映新協議的表現。無線傳感器網絡是由一組傳感器節點通過無線介質連接構成的無線網絡，它采用 Ad hoc 方式配置大量微型的智能傳感節點，通過節點的協同工作來采集和處理網絡覆蓋區域中的目標信息。其次著重對無線傳感器網絡的流量工程進行了建模與仿真，分析了網絡業務負載對網絡的吞吐量、數據丟失率和端 端時延等性能的影響，通過將業務流合理地映射到網絡資源，減少了擁塞，提高了網絡的性能與可靠性。無線傳感器網絡具有硬件資源有限、電源容量有限、以數據為 中心、自組織、多跳路由、動態拓撲、節點數量眾多切分布密集等特點。總結前面的工作，展望以后需要進一步展開的工作。 （ 2）對無線傳感器網絡的 QoS 路由進行了研究分析，定向擴散進行了擴 展，利用一種新的 QoS 路由算法建立網絡模型提高網絡的生存期。 （ 3）對 OPNET 的流量建模機制進行研究分析，然后闡述一種建立無線 傳感器網絡流量模型的方法。 XX 大學工學學士學位論文 任務書 （ 6）整理論文，完成論文答辯。無線傳感器網絡憑借其潛在的優勢得到了廣泛的應用。通過仿真，我們可以有效地提高網絡規劃和設計的可靠性和準確性，降低網絡投資風險，減少不必要的投資浪費。無線傳感器網絡在環境與軍事監控，地震與氣候預測、地下、深水以及外層空間探索等許多方面都具有廣泛的應用前景。傳統的網絡設計和規劃方法主要靠經驗，對復雜的大型網絡，很多地方由于無法預知而抓不住設計的要點。 第一章為概述部分，鑒于無線傳感器網絡和 OPNET 仿真平臺都是較新的 理論和技術，我在這一章中用了較大的篇幅對其進行介紹。 第三章對 OPNET 的流量建模機制進行了分析與研究。 河海大學工學學士學位論文