基于Ｔｒｕｅｔｉｍｅ的無線傳感器網絡仿真研究
2009-01-01 00:00:00閆斌周小佳王厚軍郎方年王蜀黎
計算機應用研究 2009年5期
（1.電子科技大學 自動化工程學院 成都 610054；2.四川大學 計算機學院 成都 610064)
摘 要：在分析現有典型仿真工具的基礎上，引入了一種新的無線傳感器網絡仿真工具Truetime，并總結了其建模的關鍵步驟；最后以實例進一步明確了Truetime的使用方法，為無線傳感器網絡仿真提供了一種新的思路。
關鍵詞：無線傳感器網絡;仿真;Truetime
中圖分類號：TP393文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2009)05-1880-03
Research of wireless sensor networks simulation based on Truetime
YAN Bin1，ZHOU Xiaojia1，WANG Houjun1，LANG Fangnian2，WANG Shuli1
（1.School of Automation University of Electronic Science Technology of China Chengdu 610054 China;2.School of Computer Sichuan University， Chengdu 610064 China）
Abstract:Followed with analysis of typical simulation methods，this paper presented a new simulation tools named Truetime and introduced the key steps while creating model. After that，continued to illuminate the simulation method by an example. Truetime provides a novel ideal for simulating of wireless sensor networks.
Key words:wireless sensor networks(WSN);simulation;Truetime
無線傳感器網絡(WSN)是由大量具有通信和計算處理能力的微小傳感器節點組成的，能自主完成特定監測任務的無線網絡系統。它基于IEEE 802.15.4協議，與傳統網絡不同，無線傳感器網絡的很多關鍵技術尚需進一步解決，如能量優化、網絡拓撲控制、路由協議、定位技術、安全、時間同步等。這些問題的解決一方面借助于理論上的分析、解決方案的設計；另一方面更需要對所得方法或結論進行驗證，從不同側面對系統進行評估。目前主要的驗證方式有兩種：a）實際系統的運行測試。它需要特定的硬件平臺，如節點、各種檢測設備等，開發周期較長，而且很多場景不能實現。b）模擬仿真。它往往采用特定軟件系統對通信網絡建模，通過程序的運行模擬網絡的運行情況，從而分析、驗證算法或結論的可行性。目前，模擬仿真方法是科學研究的重要手段。
1 WSN典型仿真方法
仿真是對無線傳感器網絡的算法應用效果進行輔助分析的一種有效手段，目前應用比較廣泛的仿真方法有NS2、OPNET、OMNeT++等。
NS2[1，2]是一種面向對象、離散事件驅動的開源仿真工具，可為網絡仿真提供一個功能多樣、更接近真實網絡環境的通信模型；但是NS2沒有統一的架構，組件重構性較差，開發過程復雜、開發周期較長。OPNET[3]同樣采用離散時間驅動機制，是一種用于網絡仿真的商業軟件，具有比較齊全的模型庫，對節點的修改只需通過設置相關數據即可完成，操作方便。同時，OPNET提供模型級、節點級、進程級三層建模機制，它們與實際的網絡、協議、設備完全對應，全面反映了網絡的相關特性。但是，OPNET是一款商業軟件，費用昂貴；同時，對于特殊節點需要進行底層編程的網元建模，具有較高的技術難度。OMNeT++[4，5]是另一種基于組件的模塊化網絡仿真平臺，采用C++語言開發，可運行于多個操作系統平臺，主要用于通信協議、計算機網絡多處理器和分布式、管理系統的建模與仿真，并提供了對無線傳感器網絡的仿真支持。本文引入另外一種無線傳感器網絡的仿真工具Truetime[6]，并說明其建模方法；最后以一個實例對Truetime的
WSN仿真進行了進一步分析。
2 基于Truetime的WSN仿真
Truetime是瑞典Lund工學院的Danh等人開發的基于MATLAB圖形化仿真環境Simulink[7]的一種聯合仿真工具，除了可對網絡控制系統進行仿真外[8]，還可模擬電池供電的無線網絡節點，進行無線傳感器網絡相關算法的仿真驗證。Truetime采用事件驅動方式，任務的執行取決于內部事件（如定時到、任務完成等）和外部事件（如信息到達網絡等）；可同時模擬發生在節點內部的計算過程，節點之間的通信以及環境的動態變化情況，如模擬節點特定功率下的覆蓋半徑，數據包的發送、接收，節點的移動，多任務模式下的中斷，MAC層的信道爭用、網絡擁塞、丟包率等。
2.1 Truetime工具箱的組成
Truetime工具箱主要包括以下四個模塊（圖1）：
a）計算機模塊（Truetime kernel）。該模塊主要用于模擬節點，實現用戶定義的任務和中斷，每個任務和中斷均由相應的代碼函數實現，用于實現用戶的設計思想。該模塊的初始化過程主要包括建立數據緩沖區、網絡及各周期性任務或非周期性任務的初始化、節點輸入輸出的初始化等。
b）無線網絡模塊（Truetime wireless network）。該模塊支持兩種網絡模型，即IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4（ZigBee）；采用事件驅動方式工作，當有數據到達網絡，比如有數據發送或接收，該模塊根據選定的網絡模型執行特定的代碼函數，完成數據的相應處理任務。該模塊通過其參數設置窗口設置無線網絡的各個屬性，如數據率、數據幀大小、傳輸功率、鏈路衰減模型、信號接收門限等。其中鏈路衰減模型可由用戶自行定義，默認為自由空間模型。
c）有線網絡模塊（Truetime network）。該模塊工作模式類似于無線網絡模塊，其支持的網絡模型包括CSMA/CD (如Ethernet)、CSMA/AMP(如CAN)、Round Robin(如TokenBus)、FDMA、TDMA(如TTP)以及Switched Ethernet。
d)電池模塊（Truetime battery）。它連接于計算機模塊的反饋環上，通過Simulink的積分模塊實現功耗變化情況的模擬。其輸入為CPU速度、發送或接收數據的情況、節點功耗等；輸出反饋給計算機模塊，當輸出為0時，節點停止一切活動。
結合MATLAB/Simulink中的相關模塊，利用Truetime工具箱可以構建無線傳感器網絡仿真系統。
2.2 構建基于Truetime的無線傳感器網絡路由
本文以單路徑路由及多路徑路由兩種路由模式為例，說明Truetime工具箱在無線傳感器網絡仿真中的應用。設有22個節點。其中：1為源節點；22為sink節點，它們形成一個多跳路由，每一跳有兩個節點，如圖2所示。對于單路徑路由，每一跳只有一個節點接收并轉發數據包；而對于多路徑路由，每一跳的兩個節點都接收并轉發數據包。現通過Truetime工具建模分析該路由的丟包情況。
2.2.1 幾個關鍵步驟
1）建立仿真模型 仿真模型如圖2所示，該模型由22個節點子系統及一個無線網絡子系統組成。節點子系統通過計算機模塊Truetime kernel實現。其內部結構如圖3所示，用于模擬節點在無線傳感器網絡數據發送及接收過程中的特定行為，它包括兩個輸入和三個輸出端口。端口說明如表1所示。無線網絡子系統采用Truetime wireless network模塊實現，其Rcv、x、y及Snd、P端口分別對應每個節點的同名端口、實現數據的收發及節點坐標的設定，通過參數設置窗口可以設定網絡類型（IEEE 802.15.4）、數據率、數據包大小、錯誤代碼門限等。
2）建立模型初始化代碼函數在模型被調用時首先執行，其主要任務是定義模型運行之前需要加載的變量、矩陣或函數等。
3）建立節點初始化代碼函數 每個節點都有一個由M文件或C++語言實現的初始化代碼函數，不同節點的初始化代碼函數可以相同。在節點初始化時，該函數首先被調用。它主要針對節點子系統及網絡子系統進行初始化，用于創建網絡中斷句柄及各種任務，并向網絡注冊該節點。如采用ttCreatePeriodicTask建立周期性任務，采用ttCreateTask建立觸發式任務；以ttCreateMailbox建立發送、接收數據緩沖區，調用ttCreateInterruptHandler創建中斷句柄，并通過ttInitNetwork初始化網絡。
4）編寫各任務、中斷的代碼函數 Truetime采用事件驅動模式，當某個任務被觸發（如定時時間到、數據包到達等事件），則系統調用該任務對應的代碼函數實現相應的計算邏輯，完成用戶定義的任務，從而實現算法的驗證。
2.2.2 數據的發送和接收過程
1）數據發送 源節點在其應用層建立周期性的數據發送任務，當定時時間到，該任務自動觸發，其對應的代碼函數得以執行，通過語句ttTryPost將應用層數據發送到發送緩沖區；然后調用函數ttCreateJob 觸發網絡層的數據發送任務。數據發送任務的代碼函數的偽碼如下所示：
msg←ttTryFetch(′TTRSendBox′)//fetch message from send buffer if (the data message is valid) then
if(current node is not sink) then
toNode←the route of next hop
ttSendMsg(toNode，msg，size);//send message
end
end
2)數據接收 網絡中一旦有數據過來，網絡中斷發生，對應的中斷代碼函數得以執行，該函數只有一個任務，就是觸發數據接收任務。數據接收任務的偽碼如下：
msg←ttGetMsg //get data message from network subsystem if(data message is valid) then
if(data message is sent to current node) then
ttTryPost(′TTRRcvBox′，msg);//save data to receive buffer
ttCreateJob(′RcvTask′);//stimulate the task of receiving data
else //or else，forward data message
ttTryPost(′TTRSendBox′，msg);//write message to send buffer
ttCreateJob(′TTRSendTask′);//stimulate the task of sending data
end
end
2.3 結果分析
為了比較Truetime的仿真效果，本文通過理論分析及Truetime分析兩種方式比較上述單路徑及多路徑路由下的端－端通信失敗率。
2.3.1 通信失敗率的Truetime仿真分析
按照以上方法建立基于Truetime的單路徑、多路徑路由仿真系統，設置不同的節點丟包率e，觀察sink節點接收數據包的情況，結果如圖4所示。其中：星點虛線和星點實線分別為單路徑模式、多路徑模式下的端－端通信失敗率隨節點丟包率的變化情況。
2.3.2 通信失敗率的理論分析
1)單路徑路由 當采用單路徑路由時，設源節點S經過N-1個中間節點{μ1，μ2，μ3，…，μN-1}向基站發送數據，節點丟包率為e（不考慮節點失效率），且相互獨立。 單跳成功傳輸一個數據包需要的傳輸次數為隨機變量X，其分布函數為
P{X=k}=ek-1×(1-e)
則成功傳輸一個數據包的數學期望為
nsingle=E[X]=∞k=1k×ek-1×(1-e)=1/(1-e)
設從源節點到基站的鏈路經過N跳中繼，從源到目的端—端失敗率表示為
Psinglefail=1-(1-ensingle)N
在本例中，N＝12。當節點丟包率e從0.1～1變化時，端—端通信失敗率曲線如圖4中虛線所示。
2)多路徑路由模式 上述路由為單路徑路由模式，每一跳只有一個節點接收數據。顯然，路徑上的任何一個節點失效，則路徑中斷，數據不能到達目的節點。如果采用多路徑路由方式，即每跳有兩個節點接收并轉發數據包，則節點每次發送的數據將最多有兩個下一跳節點接收，單跳傳輸成功率增加。對于通信錯誤，數據鏈路層仍通過請求重傳方式處理，則正確傳輸一個數據包的平均傳輸次數變為
nmulti=E[X]=∞k=1k×e2(k-1)×(1-e2)=1/(1-e2)
端—端失敗率表示為
Pmultifail=1-(1-e2nmulti)N
同樣，當N＝12，節點丟包率e從0.1～1變化時，端—端通信失敗率曲線如圖4中實線所示。
以上通過兩種方式對單路徑、多路徑路由模式下端—端通信失敗率進行了分析，驗證了端—端通信失敗率受節點丟包率影響的變化情況。由圖4的仿真結果可見，當節點丟包率在e=0.05時，單路徑模式下端—端的數據傳輸失敗率為30％；而多路徑路由模式下失敗率僅為4％。隨著丟包率的逐步增加，達到e=0.2時，單路徑模式下sink節點只收到了10％的數據包，通信失敗率達到了90％；而多路徑模式下的端—端的數據傳輸失敗率為較低的38％ 。因此可以得到一個初步的結論：隨著節點丟包率的逐步增大，單路徑路由的端—端失敗率以較快速度增加，即單路徑路由在數據傳輸過程中并不可靠，魯棒性較差；而多路徑路由模式在一定程度上提升了數據傳輸可靠性，魯棒性較高。同時也可以看出，Truetime仿真曲線同理論分析的曲線變化趨勢基本吻合，說明采用Truetime分析WSN的相關問題是可行的。
3 結束語
Truetime在無線網絡控制系統的仿真建模中已有廣泛應用，本文將Truetime引入到無線傳感器網絡的仿真分析中，并以實例說明了其建模步驟，分析了數據傳輸率同丟包率的關系。另外，基于Truetime的仿真還可用于分析WSN的其他諸如網絡延遲、時間同步、生命周期(通過電池模塊實現)等重要性能指標，具有廣闊的前景。
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