無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及其仿真平臺(tái)分析

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)[1]具有無線網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)以及節(jié)點(diǎn)的微型性、低成本、低功耗等綜合特性，因此對(duì)其的研究已成為熱點(diǎn)。WSN由大量的同構(gòu)或異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成，它們能夠協(xié)作地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境對(duì)象的數(shù)據(jù)，通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌系統(tǒng)對(duì)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(duì)環(huán)境進(jìn)行測控。但由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)際網(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、記錄網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的各種參數(shù)，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估結(jié)果，以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)模型、結(jié)構(gòu)框架及設(shè)計(jì)、路由協(xié)議、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方向，并根據(jù)WSN的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)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(diǎn)問題，并預(yù)測WSN的發(fā)展和研究方向。

　　1 WSN技術(shù)特點(diǎn)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(diǎn)組成，它們能夠協(xié)同地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，感知和采集各種環(huán)境對(duì)象的數(shù)據(jù)，通過節(jié)點(diǎn)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(diǎn)檢測對(duì)象可以是溫度、濕度、化學(xué)品濃度、振動(dòng)、壓力、光強(qiáng)度、音頻信號(hào)、微波信號(hào)等。但是，由于WSN本身資源的限制(如蓄電能力、處理能力、存儲(chǔ)空間及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等)，對(duì)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(shí)間、擴(kuò)展性、容錯(cuò)性及其他獲益質(zhì)量點(diǎn)等。因此，需要從節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)考慮以下幾個(gè)方面因素：

　　(1)從單純的傳感節(jié)點(diǎn)方面看，主要涉及傳感節(jié)點(diǎn)能耗、存儲(chǔ)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(jì)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(jì)方面看，WSN可分單跳和多跳網(wǎng)絡(luò)。特別針對(duì)大規(guī)模多跳WSN，傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，也是本文主要研究的內(nèi)容。大規(guī)模多跳WSN中有一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，稱為匯聚(sink)節(jié)點(diǎn)或基站，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中測控?cái)?shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理控制臺(tái)。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(dòng)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(huì)出現(xiàn)無線通信鏈路的變化，導(dǎo)致傳感節(jié)點(diǎn)通信時(shí)斷時(shí)通，或者節(jié)點(diǎn)能耗問題造成傳感節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效，或者感知對(duì)象的移動(dòng)、新傳感節(jié)點(diǎn)的加入或老傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(jì)方面可對(duì)減少能耗起到關(guān)鍵作用，因此要求選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖疃搪窂健５疃搪窂降倪x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(huì)因?yàn)閼?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(diǎn)往往也是偏重某個(gè)或某些技術(shù)研究。下面對(duì)當(dāng)前幾種仿真平臺(tái)進(jìn)行分析和研究。

　　2 主流仿真平臺(tái)分析及研究
    
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真是評(píng)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(tái)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(tái)
    
　　(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(dòng)、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(shí)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(duì)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(duì)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(jì)語言)和C++實(shí)現(xiàn)。
    
　　(2)OPNET。OPNET是一個(gè)強(qiáng)大的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動(dòng)的通用網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。作為一個(gè)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(jì)、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。

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　　2.2 基于TinyOS的仿真平臺(tái)
    
　　TinyOS是一種面向WSN的新型操作系統(tǒng)。TinyOS采用了輕量級(jí)線程技術(shù)、主動(dòng)消息通信技術(shù)、組件化編程技術(shù)，它是一個(gè)基于事件驅(qū)動(dòng)的深度嵌入式操作系統(tǒng)[7]。目前基于TinyOS主流仿真平臺(tái)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(diǎn)仿真環(huán)境的實(shí)現(xiàn)代表，源碼公開，主要應(yīng)用于MICA系列的WSN節(jié)點(diǎn)。其仿真應(yīng)用隨同TinyOS被編譯進(jìn)事件驅(qū)動(dòng)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(shí)際節(jié)點(diǎn)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(tái)，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(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)，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(tái)比較

　　在軟件功能和操作易用性方面，由于OPNET可以對(duì)數(shù)據(jù)分組、節(jié)點(diǎn)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(tái)。但要實(shí)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(huì)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(diǎn)和過程層次的編程方能實(shí)現(xiàn)；在涉及底層編程的網(wǎng)元建模時(shí)，還需要對(duì)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)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(jí)，允許一定范圍內(nèi)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真，實(shí)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。

　　總之，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(diǎn)數(shù)目可達(dá)成千上萬。盡管可以從標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)通信協(xié)議中獲益，但在通用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件上實(shí)現(xiàn)WSN協(xié)議和應(yīng)用交互，經(jīng)常要進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，這會(huì)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(duì)應(yīng)用行為建模，缺少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行代碼的仿真，特別對(duì)數(shù)據(jù)包級(jí)細(xì)節(jié)仿真方面，接近于運(yùn)行時(shí)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(gè)TinyOS節(jié)點(diǎn)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(duì)能耗進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)，必須設(shè)計(jì)開發(fā)獨(dú)立的能量管理模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)剩余能量。目前雖有PowerTOSSIM采用實(shí)測的MICA2節(jié)點(diǎn)能耗模型對(duì)節(jié)點(diǎn)的各種操作所消耗的能量進(jìn)行跟蹤，但是所有節(jié)點(diǎn)的程序代碼必須相同，且無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)的抽象算法仿真。網(wǎng)絡(luò)抽象級(jí)仿真規(guī)模上的各類仿真平臺(tái)比較如圖3所示。

　　3 仿真評(píng)估指標(biāo)

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是并發(fā)密集、模塊化程度高。這些特點(diǎn)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(dòng)態(tài)性、綜合仿真平臺(tái)等問題。而以上仿真只能在一些線性時(shí)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(jì)思想，使仿真平臺(tái)更接近現(xiàn)實(shí)模型，使整個(gè)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(diǎn)為TCP實(shí)現(xiàn)協(xié)議，原因在于無線鏈路出錯(cuò)、信號(hào)衰減及交接等造成不能精確計(jì)算出吞吐量的期望值和實(shí)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(diǎn)有限的資源(如：內(nèi)存、計(jì)算能力、電能等)下，以主要仿真?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)處理、發(fā)送和接收k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)。如在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理方面，仿真架構(gòu)能夠評(píng)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(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)的能耗，k為節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離。在多跳路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與基站的距離，k是任意一節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)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(diǎn)的刪除、新傳感節(jié)點(diǎn)加入及移動(dòng)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(jì)，包括低資源傳感器模塊和高資源微服務(wù)器平臺(tái)交互等。在網(wǎng)絡(luò)生命期方面，既要考慮單個(gè)節(jié)點(diǎn)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(duì)象仿真環(huán)境、實(shí)現(xiàn)的管理平臺(tái)、WSN的可靠性和容錯(cuò)性研究(消息的丟失、復(fù)原、運(yùn)行時(shí)間等)、底層操作系統(tǒng)選擇、智能化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型、節(jié)點(diǎn)代碼的可移植性等。
    
　　當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)仿真的主流平臺(tái)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(jià)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(diǎn)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(shí)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(gè)重點(diǎn)研究方向。當(dāng)然，硬件技術(shù)的提高，如量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)、高效的電池蓄電能力及存儲(chǔ)技術(shù)等，對(duì)WSN也起到推動(dòng)作用。