姜慶臣 ，高 峰 ，2

(1.浙江林學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310032)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)[1]具有無線網(wǎng)、移動網(wǎng)以及節(jié)點的微型性、低成本、低功耗等綜合特性，因此對其的研究已成為熱點。WSN由大量的同構(gòu)或異構(gòu)節(jié)點組成，它們能夠協(xié)作地進(jìn)行實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境對象的數(shù)據(jù)，通過節(jié)點內(nèi)嵌系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的信息發(fā)送到遠(yuǎn)端客戶，并能接收遠(yuǎn)端客戶指令對環(huán)境進(jìn)行測控。但由于真實實驗環(huán)境的建立存在諸多限制，如成本高、周期長、效果差等，因此需要一種良好的軟件仿真技術(shù)來加速無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究。但現(xiàn)實中WSN很多功能沒有開發(fā)出來，也沒有與處理大型網(wǎng)絡(luò)速度相結(jié)合的高水平的協(xié)議和抽象算法等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真[2]是一種使用軟件模擬實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸、記錄網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的各種參數(shù)，對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能的評估結(jié)果，以便對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計或優(yōu)化的仿真技術(shù)。目前現(xiàn)有的模擬仿真技術(shù)在實現(xiàn)WSN的仿真上存在不少問題。因此，本文在闡述WSN的良好節(jié)點模型、結(jié)構(gòu)框架及設(shè)計、路由協(xié)議、系統(tǒng)實現(xiàn)等方向，并根據(jù)WSN的技術(shù)特點對主流仿真環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了WSN仿真的關(guān)鍵指標(biāo)和重點問題，并預(yù)測WSN的發(fā)展和研究方向。

1 WSN技術(shù)特點分析

WSN由大量隨機(jī)布置在檢測區(qū)域內(nèi)的傳感節(jié)點組成，它們能夠協(xié)同地進(jìn)行實時監(jiān)測，感知和采集各種環(huán)境對象的數(shù)據(jù)，通過節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)和程序?qū)π畔⑦M(jìn)行處理，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的信息發(fā)送到客戶端。WSN節(jié)點檢測對象可以是溫度、濕度、化學(xué)品濃度、振動、壓力、光強(qiáng)度、音頻信號、微波信號等。但是，由于WSN本身資源的限制(如蓄電能力、處理能力、存儲空間及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等)，對以上檢測事件，WSN仿真服務(wù)質(zhì)量的操作機(jī)制需要做出權(quán)衡，如能耗、精確性、響應(yīng)時間、擴(kuò)展性、容錯性及其他獲益質(zhì)量點等。因此，需要從節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)考慮以下幾個方面因素：

(1)從單純的傳感節(jié)點方面看，主要涉及傳感節(jié)點能耗、存儲空間、帶寬限制、操作和調(diào)試等，其目標(biāo)主要體現(xiàn)在在現(xiàn)有的硬件資源下，如何從軟件設(shè)計和功能上做出權(quán)衡。

(2)從網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)生成設(shè)計方面看，WSN可分單跳和多跳網(wǎng)絡(luò)。特別針對大規(guī)模多跳WSN，傳感節(jié)點分布的地理區(qū)域大、數(shù)量大、分布密集，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大而復(fù)雜。這是網(wǎng)絡(luò)生成涉及的技術(shù)難點，也是本文主要研究的內(nèi)容。大規(guī)模多跳WSN中有一個特殊節(jié)點，稱為匯聚(sink)節(jié)點或基站，傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，測控的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中測控數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理控制臺。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问健?shù)據(jù)檢索和處理的不同階段如圖1、圖2所示。

其中主要涉及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性和可擴(kuò)展性，如：由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)無線通信鏈路的變化，導(dǎo)致傳感節(jié)點通信時斷時通，或者節(jié)點能耗問題造成傳感節(jié)點出現(xiàn)故障或失效，或者感知對象的移動、新傳感節(jié)點的加入或老傳感節(jié)點刪除等。

(3)從相配套的協(xié)議和路由的選擇方面看，由于傳感節(jié)點本身的限制和應(yīng)用需求，不可能完全采用網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)或TCP/IP協(xié)議。為了延長整體網(wǎng)絡(luò)生命期，往往需要對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行重新定義，特別是在路由和傳輸層協(xié)議設(shè)計方面可對減少能耗起到關(guān)鍵作用，因此要求選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖疃搪窂?。但最短路徑的選擇本身是NP難問題，特別是在延長網(wǎng)絡(luò)整體生命期和傳輸數(shù)據(jù)最短路徑上需要權(quán)衡。

目前各類路由傳輸算法協(xié)議只在某些方面做出優(yōu)化，其適用場合也會因為應(yīng)用環(huán)境及規(guī)模而變化，通用的、達(dá)到最好效能的路由和數(shù)據(jù)融合算法當(dāng)前并不存在。其仿真技術(shù)關(guān)注點往往也是偏重某個或某些技術(shù)研究。下面對當(dāng)前幾種仿真平臺進(jìn)行分析和研究。

2 主流仿真平臺分析及研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真是評估WSN性能的有效方法之一，其優(yōu)越性體現(xiàn)在初期應(yīng)用成本不高，構(gòu)建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，后期投資不斷下降。因此，一種好的WSN仿真平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究相當(dāng)重要。

2.1 基于通用網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺

(1)NS2。NS2是由伯克利大學(xué)1989年開始開發(fā)的一種源代碼開放的共享軟件，是一種可擴(kuò)展、可重用、基于離散事件驅(qū)動、面向?qū)ο蟮姆抡孳浖4]。NS2可以用于仿真各種不同的IP網(wǎng)，實現(xiàn)了多播、一些MAC子層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(如：TCP/UDP協(xié)議)、業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器、路由隊列管理機(jī)制以及路由算法等。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型拓?fù)?單跳)和對等式拓?fù)?Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多跳形式)2種，通過編程語言O(shè)TCL(具有面向?qū)ο筇匦缘腡CL腳本程序設(shè)計語言)和C++實現(xiàn)。

(2)OPNET。OPNET是一個強(qiáng)大的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的通用網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。作為一個全面的集成開發(fā)環(huán)境，在無線傳輸方面的建模能力涉及仿真研究的各階段，包括模型設(shè)計、仿真、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析，所有的無線特性與高層協(xié)議模型無縫連接。

當(dāng)然，還有其他通用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的仿真環(huán)境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。

2.2 基于TinyOS的仿真平臺

TinyOS是一種面向WSN的新型操作系統(tǒng)。TinyOS采用了輕量級線程技術(shù)、主動消息通信技術(shù)、組件化編程技術(shù)，它是一個基于事件驅(qū)動的深度嵌入式操作系統(tǒng)[7]。目前基于TinyOS主流仿真平臺有2種。

(1)TOSSIM。TOSSIM是一種基于嵌入式TinyOS操作系統(tǒng)的WSN節(jié)點仿真環(huán)境的實現(xiàn)代表，源碼公開，主要應(yīng)用于MICA系列的WSN節(jié)點。其仿真應(yīng)用隨同TinyOS被編譯進(jìn)事件驅(qū)動的模擬仿真器。由于TinyOS基于組件的特性和仿真環(huán)境運(yùn)行的程序與網(wǎng)絡(luò)硬件程序基本相同，其代碼可以不變地移植到實際節(jié)點上，只是在一些底層相關(guān)部分有所不同。

(2)OMNET++。OMNET++是一種開源的基于組件的模塊化的開放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，近年來在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域逐漸流行。作為離散事件仿真器，其具備強(qiáng)大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內(nèi)核，運(yùn)行于多個操作系統(tǒng)平臺，可以簡便定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備編程、調(diào)試和跟蹤支持等功能，主要用于通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的仿真。

2.3 仿真平臺比較

在軟件功能和操作易用性方面，由于OPNET可以對數(shù)據(jù)分組、節(jié)點類型、鏈路類型、應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，所以O(shè)PNET明顯優(yōu)于其他仿真平臺。但要實現(xiàn)OPNET WSN仿真，還需要添加能量模型，而且其最大問題是仿真速度慢，效率會隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量增大而降低，且某些特殊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建模必須依靠節(jié)點和過程層次的編程方能實現(xiàn)；在涉及底層編程的網(wǎng)元建模時，還需要對協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)及其實現(xiàn)有深入了解。NS2主要致力于OSI模型的仿真，工作在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包級，允許一定范圍內(nèi)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真，實現(xiàn)了協(xié)議分離等?？梢允褂肗S2進(jìn)行算法和協(xié)議的仿真研究，且源碼開放使其能支持WSN仿真，包括傳感器和電池模型、混合仿真支持等?？傊?，NS2是一種很優(yōu)秀的仿真器，可以精確地仿真無線和有線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點數(shù)目可達(dá)成千上萬。盡管可以從標(biāo)準(zhǔn)和實驗通信協(xié)議中獲益，但在通用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件上實現(xiàn)WSN協(xié)議和應(yīng)用交互，經(jīng)常要進(jìn)行跨層設(shè)計，這會導(dǎo)致大量的協(xié)議添加和跨層協(xié)議修改工作，從而增加了仿真難度和工作量；而且NS2不對應(yīng)用行為建模，缺少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點執(zhí)行代碼的仿真，特別對數(shù)據(jù)包級細(xì)節(jié)仿真方面，接近于運(yùn)行時的數(shù)據(jù)包數(shù)量，使其無法進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真。TOSSIM雖具有一定的可信度和完整性，也能夠捕獲成千上萬個TinyOS節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)行為和相互作用，但在能量消耗模型方面，沒有現(xiàn)成的能量管理模塊，無法對能耗進(jìn)行有效性評價，必須設(shè)計開發(fā)獨(dú)立的能量管理模型計算節(jié)點剩余能量。目前雖有PowerTOSSIM采用實測的MICA2節(jié)點能耗模型對節(jié)點的各種操作所消耗的能量進(jìn)行跟蹤，但是所有節(jié)點的程序代碼必須相同，且無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級的抽象算法仿真。網(wǎng)絡(luò)抽象級仿真規(guī)模上的各類仿真平臺比較如圖3所示。

3 仿真評估指標(biāo)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個傳感器節(jié)點的特點是并發(fā)密集、模塊化程度高。這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真需要解決可擴(kuò)展性與仿真效率、分布與異步特性、動態(tài)性、綜合仿真平臺等問題。而以上仿真只能在一些線性時空方式、多高斯數(shù)據(jù)分布下進(jìn)行。因此，要充分利用面向?qū)ο笤O(shè)計思想，使仿真平臺更接近現(xiàn)實模型，使整個系統(tǒng)的軟件框架更加合理、明確。

3.1 協(xié)議分析指標(biāo)

以有效地減少能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命為目標(biāo)，如高效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議。常見的路由協(xié)議有 SPIN、Direct Diffusion、TEEN、GEAR等，常見的拓?fù)淇刂茀f(xié)議有 GAF、SPAN、STEM等，它們各有其不同的前提條件及適用環(huán)境。但主要關(guān)注點為TCP實現(xiàn)協(xié)議，原因在于無線鏈路出錯、信號衰減及交接等造成不能精確計算出吞吐量的期望值和實際值。目前大部分協(xié)議建立在基于能量平衡的、輪轉(zhuǎn)的“簇”概念基礎(chǔ)上，包括 LEACH、BCDCP、PEGAGSIS等協(xié)議。其使用場景的協(xié)議選擇、簇頭選擇、TCP傳輸協(xié)議改良，有利于提供可靠高速的傳輸，減少能量消耗。

3.2 能量消耗分析模型

在傳感器節(jié)點有限的資源(如：內(nèi)存、計算能力、電能等)下，以主要仿真?zhèn)鞲衅鞴?jié)點處理、發(fā)送和接收k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量作為評價指標(biāo)基礎(chǔ)。如在節(jié)點數(shù)據(jù)處理方面，仿真架構(gòu)能夠評估編譯后在現(xiàn)存的傳感器模塊運(yùn)行的算法的能耗；在節(jié)點之間通信方面，根據(jù)藍(lán)牙無線技術(shù)的資料，單跳路由協(xié)議每個傳感器節(jié)點的能耗與距離關(guān)系表示為：E=λk2(k=1，2，3…)，其中，λ 是單位數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單位距離時的能耗，k為節(jié)點與基站之間的距離。在多跳路由協(xié)議中，節(jié)點能耗與距離關(guān)系表示為 E=[d2-(k-1)2]/(2k-1)(k=1，2，…d)，其中 d 是離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點與基站的距離，k是任意一節(jié)點到基站的距離。

3.3 網(wǎng)絡(luò)生成及通信模型

網(wǎng)絡(luò)生成及通信模型主要考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)及可擴(kuò)展性，以典型的“簇”網(wǎng)絡(luò)為例，除了完成整個網(wǎng)絡(luò)活動由“簇”的建立期和穩(wěn)定工作期2種狀態(tài)外，還要考慮后期簇的變化，如因環(huán)境因素、老的傳感節(jié)點的刪除、新傳感節(jié)點加入及移動性等擴(kuò)展功能。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互操作性上，要涉及到通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計，包括低資源傳感器模塊和高資源微服務(wù)器平臺交互等。在網(wǎng)絡(luò)生命期方面，既要考慮單個節(jié)點的生命期，又要考慮整體網(wǎng)絡(luò)的生命期。

除上述方向外，研究指標(biāo)還包括：提供良好的可視化對象仿真環(huán)境、實現(xiàn)的管理平臺、WSN的可靠性和容錯性研究(消息的丟失、復(fù)原、運(yùn)行時間等)、底層操作系統(tǒng)選擇、智能化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型、節(jié)點代碼的可移植性等。

當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)仿真的主流平臺多種多樣，商業(yè)版仿真軟件主要有Mil3公司的OPNET、Cadence公司的VCC等軟件。這些軟件價格昂貴。廣泛使用的免費(fèi)仿真軟件是NS2、TOSSIM及OMNeT++等。從以上分析和研究可以看出，在軟硬件資源有限、仿真環(huán)境多樣性的情況下，WSN仿真技術(shù)首先要能在能耗模型、節(jié)點行為、底層協(xié)議、抽象算法、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)及環(huán)境仿真等方面實現(xiàn)；其次，仿真技術(shù)還要具備完整性、可信度和伸縮性等功能。特別是在路由傳輸協(xié)議方面，如平面路由協(xié)議和聚類路由協(xié)議[5]，需要從傳統(tǒng)編程式路由算法協(xié)議(如：LEACH，BCDCP，PEGAGSIS，PEDAP)過渡到智能型路由協(xié)議(如：基于多智能體的WSN、基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的WSN數(shù)據(jù)融合路由算法、ACRA、Ant-Net等)。人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，使得WSN具有學(xué)習(xí)能力的群體智能行為，使之能協(xié)同工作，這方面可能成為今后一個重點研究方向。當(dāng)然，硬件技術(shù)的提高，如量子計算機(jī)的出現(xiàn)、高效的電池蓄電能力及存儲技術(shù)等，對WSN也起到推動作用。

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