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Word下载.docx
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5.8~6.5整理相关资料,撰写毕业设计论文,准备论文答辩
Ⅳ、主要参考资料:
【1】王文博,张金文.OPNETModeler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
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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。
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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。
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日期:
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
日期:
导师签名:
日期:
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
Abstract
Wirelesssensornetwork(WSN)isanewkindofwirelessnetworks,usingbran-newinformation-gatheringandprocessingtechnology.TheWSN,self-organized,isofnoinfrastructure.Numbersofsensingnodes,composingofsensingimplement,dataprocessingunitandcommunicationmodule,structuretheWSNself-driven.WSNhassuchcharacteristicsashardwareresourcelimitation,powercapacitylimitation,data-central,self-organization,multi-hoprouting,dynamictopology,densedistributionwithnumerousnodes.WSNiswidelyusedforitspotentialascendancy.
However,inmodernsociety,informationtechnologychangeswitheachpassingday.Withthenetworkstructureandscalegoingmoreandmorecomplexandthemultiplicityofnetworkapplication,it’llneveradapttotherapiddevelopmentifyoustillrelysimplyonyourexperiencewhenyoulayoutanddesignanewnetwork,R&
Dnetworkfacilitiesandexplodenetworkprotocols.Ascientificmethodisbadlyneededtoreflectandpredictthecapabilitiesofthenetwork.ThenOPNETemergesasthetimesrequire.ThisdesignisintheOPNETsurroundings.First,onthebasisofanalyzingtheproblemofQoSroutinginthewirelesssensornetworks,anewdistributedQoSroutingalgorithmaccordingtotheminimumnodeenergiesonpathandminimumhopcountshasbeenproposedbyextendingDirectedDiffusion.Thenthemodelisdesigned.Byanalyzingtheresultsofsimulation,Ifindthisporosedalgorithmcanprovidedifferentialservicesbothforreal-timetrafficandbest-efforttraffic,achievetheenergy-cost-balancingonthewholenetworkandprolongthenetworklifetimeby500%.Second,IemphasizemyattentionontheflowprojectofWSNandmakemodelingandsimulationaboutit.Fromthesimulationresults,Iknowtheimpactofportfoliotowardsthethroughputofthenetwork,dataloserateandpoint-to-pointdelay.Bymappingtheportfoliowiththenetresources,wemaydecreasecongestion,improvethecharacteristicsofthenetworkanditssecurity.ThroughOpneting,we’retoincreasethereliabilityandaccuracyofnetworkprogramminganddesigning.Ofcourse,therewillbelessriskofinvestmentandlesswasteswhichareunnecessary.
Keywords:
wirelesssensornetwork(WSN),OPNETsimulation,QoSrouting,directeddiffusion,flowproject,throughput,delay
目录
中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
引言1
第1章概述3
1.1无线传感器网络(WSN)概述3
1.1.1无线传感器网络基本概念3
1.1.2无线传感器网络的通信结构3
1.2网络仿真5
1.2.1什么叫仿真(Simulation)?
5
1.2.2仿真的意义5
1.3OPNET简介6
1.3.1OPNET的历史和现状6
1.3.2OPNETModeler的主要特性6
1.3.3OPNETModeler建模流程7
第2章无线传感器网络的QoS路由研究与仿真8
2.1WSN的特点8
2.2WSN的QoS路由8
2.2.1网络模型和QoS路由9
2.2.2QoS路由策略10
2.3基于DirectedDiffusion的QoS路由扩展10
2.3.1DirectedDiffusion及其扩展机制10
2.3.2算法描述11
2.4仿真试验与结果分析12
2.4.1仿真环境与评价方法12
2.4.1.1仿真环境12
2.4.1.2评价方法13
2.4.2与传统DD的性能比较13
2.4.3不同业务混合比例性能分析14
2.5本章小结14
第3章OPNET流量建模机制16
3.1OPNET流量建模机制综述16
3.2背景路由流量建模17
3.3背景利用率流量建模18
3.4前景业务流量建模18
3.5实例仿真19
第4章WSN流量模型的仿真24
4.1网络拓扑结构24
4.2ApplicationConfiguration26
4.3ProfileConfiguration26
4.4搜集统计量28
4.5复制场景28
4.6配置并运行仿真29
4.7查看并分析结果29
第5章总结与展望31
5.1总结31
5.2展望32
致谢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Adhoc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OPNETModeler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(BaseStation)或汇节点(SinkNode)。
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
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
中
可实现性
适用的网络规模
中、小型
小
中、大型
表1-1
1.3OPNET简介
1.3.1OPNET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OPNETModeler,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。
1.3.2OPNETModeler的主要特性
OPNETModeler的主要特性包含以下几点:
(1)层次化的网络模型。
OPNETModeler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(processmodel)的基础是用有限状态机FSM(FiniteStateMachine)来描述各种协议。
各个状态再分别进行编程实现。
节点模型(nodemodel)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
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