opnet仿真

第 28 卷　第 6 期 2006 年 12 月 电气电子教学学报 JOU RNAL OF EEE Vol. 28 　No. 6 Dec. 2006 基于 OPNET的无线传感器网络仿真 胡　静 (东南大学 　移动通信国家重点实验室 , 江苏 南京 210096) 　 摘　要 :OPN ET 是目前广泛使用的可用于网络仿真及 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 分析等的仿真工具软件。本文以 L EACH 协议为例 ,阐述了基于 OPN ET 平台进行 无线传感器网络协议仿真的一般过程。首先本文简要描述了 L EACH 协议的网络模型以及能量模型 ,随后介绍了利用 OPN ET 进行 L EACH 协议建模的步骤 ,最后给出并分析了仿真结果。 关键词 :OPN ET ;无线传感器网络 ;网络仿真 ;L EACH 中图分类号 : TN91912 　　 文献标识码 :A 　　　　　　　文章编号 :1008 - 0686 (2006) 06 - 0046 - 04 Simulation of Wireless Sensor Net works Based on OPNET HU Jing ( N ational Mobile Communications Research L ab , S outheast Universit y , N anj ing 210096 , China) Abstract :OPN ET is a simulation sof tware for network simulation and protocol analysis. Taking an exam2 ple for L EACH protocol , t his paper discusses t he common procedure of wireless sensor networks simula2 tion based on OPN ET. Firstly t he network model and energy model of L EACH are briefly described , then modeling step s of L EACH based on OPN ET are int roduced , lastly t he simulation result is p resented and analyzed. Keywords :O PN ET ;wireless sensor networks ;network simulation ;L EACH 0 　引言 网络仿真技术是一种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。网 络仿真技术具有以下特点 : (1) 全新的模拟实验机 理 ,使其具有在高度复杂的网络环境下得到高可信 度结果的特点 ; (2) 使用范围广 ,既可以用于现有网 络的优化和扩容 ,也可以用于新网络的设计 ,而且特 别适用于中大型网络的设计和优化 ; (3)初期应用成 本不高 ,而且建好的网络模型可以延续使用 ,后期投 资还会不断下降。 目前用于网络仿真尤其是无线网络仿真的主流 平台有 Network Simulato22 (简称 NS22) 、O PN ET、 GloMoSim 以及 OMNe T + + 等。一个好的仿真环境应该是模块化、层次化的 ,并能充分利用工作站的图形。O PN ET 就是这样一个强大的面向对象的通用网络仿真环境。作为一个全面的集成开发环境 ,OPN ET 主要用于对通信网络进行描述、仿真和性能分析。此外 ,O PN ET 提供了对无线传输各方面特性的建模能力 ,所有的无线特性与高层协议模型无缝连接 ,使无线技术研发人员可以利用 OPN ET先进的仿真能力和丰富的协议模型库来优化研发 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ,更有效地开发诸如 802111、WiMAX、U WB、蓝牙及 3 G/ 4 G等无线通信技术。本文以 L EACH 协议为例 ,阐述了基于 OPN ET 平台进行无线传感器网络协议仿真的一般过程 , 首先简要描述了L EACH 协议的主要内容 ,随后介绍了一种利用 　　　 收稿日期 :2006 - 11 - 01 ;修回日期 :2006 - 11 - 27 　　江苏省高技术研究项目 (BG2005001) ;江苏省科技攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (BE2004008) 作者简介 :胡　静 (1975 - ) ,女 ,江苏扬州人 ,博士研究生 ,讲师 ,主要研究方向为短距离无线通信、无线传感器网络。 OPN ET 进行 L EACH 协议建模的步骤 ,最后给出 并分析了仿真结果。 1 　L EACH协议简介[ 3] 传感器网络由大量无线传感器节点互连而成。 传感器节点被随机或按一定要求布置在监测区域 内 ,并根据用户的要求 ,可对感知物体的运动速度和 方向等各种环境参数进行测量。无线传感器网络中 有一个特殊节点 ,称为汇聚 ( sink) 节点或基站 ,该节 点可向区域内的传感器节点发送数据采集命令 ,并 接收和处理传感器节点传送来的数据。传感器节点 通过自组织方式构成网络 ,监测的数据沿着其他传 感器节点逐跳地进行传输 ,在传输过程中监测数据 可能被多个节点处理 ,经过多跳路由到汇聚节点 ,最 后通过互联网或卫星到达管理节点[2 ] 。 无线传感器网络可以看作是一种特定用途的 Ad Hoc 网络 ,大量的研究集中于设计能量高效的 MAC 协议、路由协议以及应用层协议。常见的路 由协议有 SPIN、Direct Diff usion、TEEN、GEAR 等 ,常见的拓扑控制协议有 GA F、SPAN、STEM 等 ,它们各有其不同的前提条件及适用环境[2 ] 。 L EACH 协议兼有路由与拓扑控制的功能 ,这里将 其看作是网络层协议。该协议的设计思想贯穿于该 领域大量后续研究工作当中 ,例如 H EED 算法。 L EACH 适用于周期性监测网络 ,即每隔固定的时 间进行数据采样与收集 ,其核心思想是减少与基站 直接通信的节点数量来达到节能的目的。L EACH 按簇 (Cluster)将网络划分为多个小区 ,每个簇由一 个簇头节点 (cluster head) 和多成员节点 ( member nodes)构成。网络模型如图 1 所示。 整个网络活动由簇的建立期和稳定工作期两种 状态组成 ,两种状态交替出现。分簇算法定时被激 发 ,设经过时间 Tsetup 后分簇形成 ,接着进入稳定工 作期 ,设其时间长度为 Twork 。为降低成簇开销 ,显 然应该有 Tsetup ν Twork 。在簇形成阶段 ,首先随机选 出部分传感器节点作为簇头 ,接着选出的簇头向其 它普通节点发送广播消息 ,普通节点根据接收信号 的强弱来选择自己的簇头加入 ,并同该簇头一起形 成簇 ,成为该簇的成员节点。在稳定阶段中 ,簇头节 点向其成员节点发送 TDMA 帧 ,即将传输时隙 (time slot)分配给其成员节点。簇中的成员节点在 所分配的时隙内 ,把采集得到的数据传送给簇头 ,簇 图 1 　L EACH 协议网络模型 图 2 　时间分配 头将簇内所有成员节点收集的数据进行数据融合后 再发给 Sink 节点。时间分配如图 2 所示。 2 　OPNET建模 OPN ET 采用离散事件驱动模拟机理对模型的 功能和性能进行仿真分析。它涉及仿真研究的各阶 段 ,包括模型设计、仿真、数据搜集和数据分析。 OPN ET 中 ,协议和其他进程通过有限状态机 FSM ( Finite state machine) 来建立模型 , FSM 的状态和 状态的转换用 C/ C + + 描述。OPN ET 提供了三层 建模机制 ,分别为 :进程层、节点层和网络层[1 ] 。在 进程层对每个对象的行为进行仿真 ,在节点层对进 程级对象互连形成设备 ,在网络级通过链路将设备 互联成网络 ,将多个网络场景组织在一起形成 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 , 即仿真平台。本节对 L EACH 协议进行仿真建模 , 同时为了提供比较基准 ,仿真了另一种简单的直接 传输 (Direct Trans) 协议 ,该协议不对网络进行分 簇 ,所有节点直接与基站通信。 211 　进程模型 根据 前 面 所 述 的 L EACH 协 议 行 为 , 对 L EACH 协议进程模型建模得到状态图 (图 3) 。协 议中每个节点均经历 3 个阶段 :初始化阶段、建立阶 段以及稳定阶段。 直接传输协议只是简单地将数据直接传送 74第 6 期 胡 　静 :基于 OPN ET 的无线传感器网络仿真 图 3 　L EACH 协议状态图 Sink 节点 ,协议状态图略。 由于 O PN ET 没有现成的能量管理模块 ,这里 采用独立的能量管理模型计算节点剩余能量。能量 管理模型定义了 6 种状态 : IN IT、IDL E、RECEIV E、 SEND、SL EEP、DEAD ,状态转换时需要对节点剩 余能量进行计算。进程状态图如图 4 所示。 图 4 　能量管理进程状态图 212 　节点模型 O PN ET 中节点模型用于定义每一个节点的行 为。一个节点通常由多个模块组成 ,其行为由其使 用的不同的模块决定 ,每个模块完成节点一部分的 功能。在 L EACH 协议仿真模型中 ,传感器节点模 型主要包括如下几个模块 : ROU TE (路由算法实现 模块 ,使用 L EACH 进程模型与 Direct Trans 进程 模型可以实现 2 种不同的节点) 、Energy (能量管理 进程模块) 、MAC 层模块以及 MAC 接口层模块。 模型内部结构如图 5 所示。 213 　网络模型 这里使用 OPN ET 提供的外部模块访问 EMA ( External Model Access) 功能 ,它采用文本方式建 模 ,可以用循环语句来刻画多个特定规格的节点。 图 5 　传感器节点模型 EMA 文件以 3 1em1c 文件的形式编写 ,编译成功后 产生可执行文件 3 1em. x ,每执行一次 3 1em1 x 程 序即可产生一个新的场景文件。本文假设监测区域 为 100m ×100m 的正方形区域 ,其中随机放置 100 个传感器节点 ,节点的横坐标与纵坐标服从[0 ,100 ] 区间上的均匀分布。图 6 是根据某一场景文件自动 生成的传感器节点分布图 (不包括汇聚节点) 。 图 6 　节点分布图 3 　仿真结果分析及讨论 仿真假设所有节点每隔 30 秒产生并发送一次 数据 ,数据包长度为 100bytes ,分簇消息长度为 25bytes , Twork定为 5 个 TDMA 帧长 ,其余参数可参 见文献[ 3 ]。基于同一场景文件分别运行 L EACH 与 Direct Trans 协议的某一次仿真结果 ,如图 7 所 示。 84 　　　　电气电子教学学报 　　　　 第 28 卷 图 7 　一次仿真结果 图 7 中横坐标表示仿真时间 ,纵坐标表示存活 节点所占比例。由仿真结果明显可以看出 ,采用 L EACH 协议能有效的减少能量消耗 ,与 Direct Trans 相比可延长网络生命期一倍以上。对于其他 网络协议的研究设计与分析对比 ,均可在本文所设 计的仿真架构中进行 ,一般只需要建立新的进程模 块 ,替换节点模型中的 ROU TE 模块既可。 使用 O PN ET 进行无线仿真存在的最大问题是 仿真速度较慢 ,由于无线的广播传输方式 ,封包被大 量复制 ,使仿真时间急剧增加 ,这个问题可以从采用 优化的仿真核心、简化无线封包的复制以及过滤无 线传输过程中无关的管道阶段等几个方面加以改 善[1 ] 。 4 　结语 本文以 L EACH 协议为例 ,搭建了一个具有良 好通用性的 OPN ET 仿真平台 , 不仅可用于对 L EACH 协议本身的研究 ,更可以用于其它新型网 络协议的设计开发 ,具有显著的理论意义以及实用 价值。需要指出的是 ,O PN ET 一般适用于对网络 及以上各层的仿真 ,如果需要对物理层进行非常精 细的仿真 ,仅使用 OPN ET 的无线信道仿真机制可 能达不到要求的仿真精度 ,需要使用 Matlab、SPW 和 COSSA P 等软件仿真链路层相关协议 ,然后通过 接口与 OPN ET 联系起来。 参考文献 : [ 1 ] 　陈敏1 OPN ET 网络仿真[ M ]1 北京 :清华大学出版社 ,2004 [2 ] 　任丰原 ,黄海宁 ,林闯1 无线传感器网络[J ]1 北京 :软件学报 , 2003 ,7 (14) :1282 - 1291 [ 3 ] 　W. Heinzelman , A. Chandrakasan , and H. Balakrishnan. “An Application2Specific Protocol Architecture for Wireless Mi2 crosensor Networks”[ J ] . IEEE Trans. Wireless Comm. , 2002 ,4 (1) :660 - 670 (上接第 41 页罗运先等文) 　　(5) 在 IG出现时 ,不得有两个以上的增益地址 产生 ;而在 IRA Z 作用期间、IG 出现是禁止增益地 址产生。 (6)放大器应有 0dB、定点、浮点三种增益工作 方式。 参考文献 : [ 1 ] 　罗运先 ,吴雄英等1 勘探仪器中自动校零环路设计[J ]1 成都 : 成都理工大学学报 ,2005 ,31 (4) :395 - 398[ 2 ] 　邓元庆 ,贾鹏1 数字电路与系统设计 [ M ]1 西安 :西安电子科技大学出版社 ,2003[ 3 ] 　Wakerly J F. Digital Design Principles & Practices[ M] . Hall .Inc ,2000[ 4 ] 　《数字地震仪》编写组1 数字地震仪[ M ]1 北京 :石油工业出版社 ,1979 94第 6 期 胡 　静 :基于 OPN ET 的无线传感器网络仿真