1、基于OPNET的无线传感器网络QoS路由及流量建模研究与仿真学士学位论文河 海 大 学本科毕业设计（论文）任务书（理 工 科 类）、毕业设计（论文）题目： 基于OPNET的无线传感器网络QoS路由及流量建模研究与仿真 、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）： （1）搜集/阅读无线传感器网络、OPNET网络仿真等资料文献，熟悉无 线传感器网络的基本理论问题，熟悉OPNET网络仿真这个仿真软 件。 （2）对无线传感器网络的QoS路由进行了研究分析，定向扩散进行了扩 展，利用一种新的QoS
2、路由算法建立网络模型提高网络的生存期。 （3）对OPNET的流量建模机制进行研究分析，然后阐述一种建立无线 传感器网络流量模型的方法。 （4）利用OPNET平台对仿真模型进行仿真实验，验证模型的有效性。 （5）总结与展望。总结前面的工作，展望以后需要进一步展开的工作。 （6）整理论文，完成论文答辩。 、进度安排： 3.23.17 查阅无线传感器网络（WSN）、OPNET网络仿真及相关资料 3.183.28 熟悉OPNET仿真平台 3.294.12 研究分析无线传感器网络的QoS路由算法和OPNET的流量建 模机制，提出一种建立无线传感器网络流量模型的方法 4.125.8 对所提模型进行OPNE
3、T仿真实验，验证其有效性 5.86.5 整理相关资料，撰写毕业设计论文，准备论文答辩 、主要参考资料：【1】王文博，张金文. OPNET Modeler与网络仿真，人民邮电出版社， 2003.10 【2】孙屹，孟晨. OPNET通信仿真开发手册，国防工业出版社，2005.1 【3】陈敏. OPNET网络仿真，清华大学出版社，2004.4 【4】孙利民，李建中，陈渝，朱红松. 无线传感器网络，清华大学出版 社，2005.5.1 指导教师： 胡 钢 ， 2006 年 3 月 2 日学生姓名： 陈世志 ，专业年级：2002级通信工程专业系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程
4、实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 系负责人签字： ， 年 月 日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校
5、要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论
6、文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，是一种新型的、无基础设施的、自组织的无线网络。大量的传感器节点通过自组织的方式构成了网络，每个节点集成了传感器件、数据处理单元和通信模块。无线传感器网络具有硬件资源有限、电源容量有限、以数据为中心、自组织、多
7、跳路由、动态拓扑、节点数量众多切分布密集等特点。无线传感器网络凭借其潜在的优势得到了广泛的应用。然而在信息技术日新月异的现代社会，随着网络结构和规模越来越复杂化以及网络的应用越来越多样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展，因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，OPNET网络仿真技术应运而生。本设计基于OPNET仿真平台，首先在分析无线传感器网络QoS路由问题的基础上，对定向扩散进行扩展，组合利用路径节点最小能量和最小跳数信息的分布式QoS路由算法建立了仿真模型，使网络生存期提高了500%；在不同比例的混合业务模式下，可以很好地
8、支持不同业务的资源需求分配，达到全网能耗均衡。其次着重对无线传感器网络的流量工程进行了建模与仿真，分析了网络业务负载对网络的吞吐量、数据丢失率和端-端时延等性能的影响，通过将业务流合理地映射到网络资源，减少了拥塞，提高了网络的性能与可靠性。通过仿真，我们可以有效地提高网络规划和设计的可靠性和准确性，降低网络投资风险，减少不必要的投资浪费。关键词：无线传感器网络；OPNET仿真；QoS路由；定向扩散；流量工程；网络吞吐量；时延AbstractWireless sensor network (WSN) is a new kind of wireless networks, using bran-n
9、ew information-gathering and processing technology. The WSN, self-organized, is of no infrastructure. Numbers of sensing nodes, composing of sensing implement, data processing unit and communication module, structure the WSN self-driven. WSN has such characteristics as hardware resource limitation,
10、power capacity limitation, data-central, self-organization, multi-hop routing, dynamic topology, dense distribution with numerous nodes. WSN is widely used for its potential ascendancy.However, in modern society, information technology changes with each passing day. With the network structure and sc
11、ale going more and more complex and the multiplicity of network application, itll never adapt to the rapid development if you still rely simply on your experience when you layout and design a new network, R&D network facilities and explode network protocols. A scientific method is badly needed to re
12、flect and predict the capabilities of the network. Then OPNET emerges as the times require. This design is in the OPNET surroundings. First, on the basis of analyzing the problem of QoS routing in the wireless sensor networks, a new distributed QoS routing algorithm according to the minimum node ene
13、rgies on path and minimum hop counts has been proposed by extending Directed Diffusion. Then the model is designed. By analyzing the results of simulation, I find this porosed algorithm can provide differential services both for real-time traffic and best-effort traffic, achieve the energy-cost-bala
14、ncing on the whole network and prolong the network lifetime by 500%. Second, I emphasize my attention on the flow project of WSN and make modeling and simulation about it. From the simulation results, I know the impact of portfolio towards the throughput of the network, data lose rate and point-to-p
15、oint delay. By mapping the portfolio with the net resources, we may decrease congestion, improve the characteristics of the network and its security. Through Opneting, were to increase the reliability and accuracy of network programming and designing. Of course, there will be less risk of investment
16、 and less wastes which are unnecessary.Keywords: wireless sensor network (WSN), OPNET simulation, QoS routing, directed diffusion, flow project, throughput, delay目 录中文摘要 英文摘要 引言 1第1章 概述 31.1无线传感器网络(WSN)概述 31.1.1无线传感器网络基本概念 31.1.2无线传感器网络的通信结构 31.2网络仿真 51.2.1什么叫仿真（Simulation）？ 51.2.2仿真的意义 51.3 OPNET简介
17、 61.3.1 OPNET的历史和现状 61.3.2 OPNET Modeler的主要特性 61.3.3 OPNET Modeler建模流程 7第2章 无线传感器网络的QoS路由研究与仿真 82.1 WSN的特点 82.2 WSN的QoS路由 82.2.1网络模型和QoS路由 92.2.2 QoS路由策略 102.3 基于DirectedDiffusion的QoS路由扩展 102.3.1 Directed Diffusion及其扩展机制 102.3.2 算法描述 112.4仿真试验与结果分析 122.4.1仿真环境与评价方法 122.4.1.1仿真环境 122.4.1.2评价方法 132.4.
18、2与传统DD的性能比较 132.4.3不同业务混合比例性能分析 142.5本章小结 14第3章 OPNET流量建模机制 163.1 OPNET流量建模机制综述 163.2背景路由流量建模 173.3背景利用率流量建模 183.4前景业务流量建模 183.5实例仿真 19第4章 WSN流量模型的仿真 244.1网络拓扑结构 244.2 Application Configuration 264.3 Profile Configuration 264.4搜集统计量 284.5复制场景 284.6配置并运行仿真 294.7查看并分析结果 29第5章 总结与展望 315.1总结 315.2展望 32致
19、谢 33参考文献 34附录 英文资料翻译 36引言近年来随着微电子技术、传感器技术及通信技术的发展，无线传感器网络技术发展迅猛，进展很快，而且在军事与民用方面的一些具体应用也取得了成功，由于其良好的应用广泛性，使得无线传感器网络的前景一片光明。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用Ad hoc方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说，无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。可
20、是在今天这样信息飞速发展的时代，网络结构和规模日益复杂庞大，表现出多种类型的网络日益走向融合，业务种类增加，网络负载也日益繁重，新的网络技术层出不穷，如何规划和优化网络已经成为一个极富挑战性的课题。无论是构建新网络，升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的可靠性和有效性进行客观地评估，从而降低网络建设的投资风险，使设计的网络有很高的性能，或者使测试结果能够真实反映新协议的表现。传统的网络设计和规划方法主要靠经验，对复杂的大型网络，很多地方由于无法预知而抓不住设计的要点。因此越来越需要一种新的网络规划和设计手段，在这种情况下网络仿真应运而生。OPNET作为一种新的网络规划和设计工具，以其
21、独有的方法为网络的规划设计提供了客观、可靠的定量依据，缩短了网络建设周期，提高了网络建设中决策的科学性。本文基于OPNET仿真平台，着重对无线传感器网络的QoS路由和流量工程进行了建模与仿真，分析了网络业务负载对网络的吞吐量、数据丢失率和端-端时延等性能的影响，通过将业务流合理地映射到网络资源，减少了拥塞，提高了网络的性能与可靠性。第一章为概述部分，鉴于无线传感器网络和OPNET仿真平台都是较新的理论和技术，我在这一章中用了较大的篇幅对其进行介绍。在前部分中，主要介绍了无线传感器网络的基本概念、通信结构、协议栈和它的特点，后部分则对OPNET的历史和现状以及OPNET的最主要产品OPNET M
22、odeler做了详细的介绍。第二章对WSN的QoS路由进行了研究与仿真。对定向扩散进行了扩展，组合地利用路径节点最小能量和最小跳数信息的分布式QoS路由算法建立了仿真模型，使网络生存期提高了500%；同时，在不同比例的混合业务模式下，可以很好地支持不同业务的资源需求分配，达到全网能耗均衡。第三章对OPNET的流量建模机制进行了分析与研究。这一章是本文的研究基础，主要阐述了OPNET仿真中的三种流量建模机制，以太平洋东海岸一家公司的网络为例对背景业务流量进行了研究与仿真，为建立无线传感器网络的流量模型奠定了基础。第四章在理论分析的基础上，初步建立了无线传感器网络的流量模型，不断地对建立的模型进行
23、仿真配置、收集统计量，运行仿真并查看、分析结果，在反复的实验中改进完善所建模型。第五章对所做工作进行了一个全面的总结，并展望了无线传感器网络的未来应用，指出下一步将要进行的工作。第1章 概述1.1无线传感器网络(WSN)概述1.1.1无线传感器网络基本概念无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，是一种新型的、无基础设施的、自组织的无线网络。无线传感器网络中的传感器节点完成一些数据采集工作，节点通过传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。传感器节点集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环境
24、中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等等众多感兴趣的物质现象。无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、AID转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、AC/DC能量转换器)等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或组头、簇头节点的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度等)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方的基站(Base Station)或汇节点(Si
25、nk Node)。作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点，作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。1.1.2无线传感器网络的通信结构无线传感器网络可以认为是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点(Node)，在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但是一般由传感器模块、微处理器模块、通信模块和能量供应模块四个部分组成，如图1-1所示。无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点抛散到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点
26、既是信息的采集和发出者，也充当了信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达汇节点。而汇节点作为一个特殊节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞跃网络上空，通过汇节点采集数据。图1-1随着应用和体系结构的不同，无线传感器网络的通信协议栈也不尽相同，图1-2是传感节点使用的最典型的协议模型。图1-2该模型既参考了现有通用网络的TCP/IP的OSI模型的架构，同时也包含了传感器网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口；如果需要，传输层可为无线传感器网络保持数据流或保证与Internet连接；网络层主要关心数据的
27、路由；数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突；物理层为系统提供了一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。除此之外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。1.2网络仿真1.2.1什么叫仿真(Simulation)？网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。仿真就是采用模型来再现真实情况，而模型指的是系统、过程或现象的物理的、数学的或其他逻辑的表达。1.2.2仿真的意义随着网络结构和规模越来越复杂化以及网络的应用越来越多
28、样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展，因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，网络仿真技术应运而生。网络仿真的意义在于它可以有效地提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显地降低网络投资风险，减少不必要的投资浪费。网络设计方法通常包括以下四种：经验方法、物理实验、理论计算和网络仿真，表1-1在可靠性、实现成本、可实现性和适用网络规模四个方面对以上四种方法做出了比较。设计方法比较内容经验方法物理试验理论计算网络仿真可靠性不确定高低较高实现成本不确定高低中可实现性高低高中适用的网络规模中、小型小中、小型中、大型表1-11.3 OPN
29、ET简介1.3.1 OPNET的历史和现状OPNET公司起源于MIT(麻省理工学院)，成立于1986年。1987年OPNET公司发布了其第一个商业化的网络性能仿真软件，提供了具有重要意义的网络性能优化工具，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。OPNET公司最初只有一种产品OPNET Modeler，到目前已经拥有Modeler、ITGuru、SPGuru、WDMGuru、ODK等一系列产品。对于网络的设计和管理，一般分为3个阶段：第一阶段为设计阶段，包括网络拓扑结构的设计，协议的设计和配置以及网络中设备的设计和选择；第二阶段为发布阶段，设计出的网络能够具有一定的性能，如吞吐率、响应时间
30、等等；第三阶段为实际运营中的故障诊断、排错和升级优化。OPNET凭借它强大的功能成为当前业界智能化网络管理解决方案的主流开发工具。1.3.2 OPNET Modeler的主要特性OPNET Modeler的主要特性包含以下几点：(1)层次化的网络模型。OPNET Modeler提供了三层建模机制，分别在进程层，节点层和网络层进行由下到上的建模。进程模型(process model)的基础是用有限状态机FSM(Finite State Machine)来描述各种协议。各个状态再分别进行编程实现。节点模型(node model)由进程模型构成，可以组成完整的协议栈，真实的反映所建模设备的特性。各模
31、块间通过数据包和状态信息的传递来进行各种操作，进而实现设备的功能。(2)简单明了的建模方法。Modeler建模过程分为3个层次：过程(process)层次、节点(Node)层次以及网络(Network)层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”，用以比较不同的设计方案。这也是Modeler建模的重要机制，这种机制有利于项目的管理和分工。(3)有限状态机。在过程层次使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模，在有限状态机的状态和转移条件中使用C/C+语言对任何过程进行模拟。用户可以随心所欲地控制仿真的详细程度。有限状态机加上标准的C/C+以及OPNET本身提供的400多个库函数构成了Modeler编程的核心。OPNET称这个集合为Proto-C语言。(4)对协议编程的全面支持。支持400多个库函数以及书写风格简洁的协议模型。OPNET的核心已经嵌入了众多协议，因此对于很多协议，无需进行额外的编程。(5)系统的完全开放性。Modeler中源码全部开放，用户可以根据自
