基于OMNet++的主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)的研究

徐陽(yáng)，張永剛，周小林，李穎，王習(xí)姁，鄭立榮

基于OMNet++的主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)的研究

徐陽(yáng)，張永剛，周小林，李穎，王習(xí)姁，鄭立榮

本文分析并研究了融合GPRS和WLAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主從式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)性能，通過(guò)在OMNet++框架內(nèi)進(jìn)行建模，搭建仿真平臺(tái)。在這種網(wǎng)絡(luò)模型中，傳感器網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)工作。通過(guò)仿真實(shí)際異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的性能測(cè)試，研究網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、正確送達(dá)率與節(jié)點(diǎn)數(shù)量、報(bào)文長(zhǎng)度等的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)前根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)性能和通信質(zhì)量要求進(jìn)行整體部署。

物聯(lián)網(wǎng)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；主從式傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT），作為新一代信息技術(shù)的核心技術(shù)，能夠?qū)⑷魏挝锲放c互聯(lián)網(wǎng)連接到一起進(jìn)行信息的收集和交換。大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要分層網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支持[1]，將網(wǎng)絡(luò)分成傳感器網(wǎng)絡(luò)層和廣域網(wǎng)層，其中傳感器網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)的采集、交換、監(jiān)控等。之后，數(shù)據(jù)再通過(guò)廣域網(wǎng)層發(fā)送到服務(wù)器中。在傳感器網(wǎng)絡(luò)層，主-從結(jié)構(gòu)[2]是一種常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)人工地制定主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以主節(jié)點(diǎn)為核心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)主要有技術(shù)成熟、節(jié)約成本、便于集成和維護(hù)等。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸深入到各個(gè)領(lǐng)域，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，傳感器網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)需求有所不同。為解決不同性能要求的傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體部署問(wèn)題，基于OMNet++[3-4]的基本框架進(jìn)行建模，搭建了一種融合GPRS和WLAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[5]的主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)。通過(guò)不同場(chǎng)景和參數(shù)配置的仿真性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建時(shí)的整體部署需求[6][7]。

1 系統(tǒng)框架

如圖1所示：

圖1 主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)分層模型

針對(duì)分層的主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)包括廣域網(wǎng)層和傳感器網(wǎng)絡(luò)層，分別使用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和技術(shù)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)融合傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS/WLAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的遠(yuǎn)程覆蓋，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)主節(jié)點(diǎn)時(shí)能夠在兩種網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行垂直切換。

主從式網(wǎng)絡(luò)的通信流程如圖2所示：

圖2 主從式網(wǎng)絡(luò)的通信流程

首先，主節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送信息，并根據(jù)回應(yīng)進(jìn)行配置。隨后無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)保持在監(jiān)聽狀態(tài)，在接收和儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅靼l(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，主節(jié)點(diǎn)將信息合并為一個(gè)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，然后發(fā)送給基站。

2 網(wǎng)絡(luò)配置

2.1 基于OMNet++的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在這一節(jié)中，我們將介紹主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)的模塊框圖，該平臺(tái)主要有3個(gè)部分組成：傳感器節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)和基站服務(wù)器；各部分之間通過(guò)信道管理模塊實(shí)現(xiàn)通信。除此之外還有其他功能性模塊，例如移動(dòng)控制模塊以及通知模塊。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層，做為數(shù)據(jù)源周期性地產(chǎn)生數(shù)據(jù)，以模擬在傳感器網(wǎng)絡(luò)中定時(shí)采集的數(shù)據(jù)。如圖3所示：

圖3 仿真平臺(tái)模塊框圖

應(yīng)用層用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層模塊為協(xié)議轉(zhuǎn)換層；物理層模塊為傳輸網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)卡。傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以特定格式經(jīng)過(guò)主從式傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。

（2）主節(jié)點(diǎn)不僅作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，同時(shí)也作為局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站。主節(jié)點(diǎn)選擇就近的WLAN基站或GPRS基站，將節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)壓縮整合后通過(guò)不同的接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站系統(tǒng)。

（3）基站系統(tǒng)包括GPRS基站和WLAN基站組成的服務(wù)器系統(tǒng)。

此外，信道管理模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，本文使用的信道管理模塊是在OMNet++標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)INet[8]的基礎(chǔ)上做一定修改，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)支持傳感器網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。另外，以上仿真模塊中，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層自行編寫，網(wǎng)絡(luò)層則在INet已有的模塊基礎(chǔ)上做修改。

2.2 參數(shù)配置

仿真中的無(wú)線信道使用標(biāo)準(zhǔn)的路徑損耗模型，GPRS包含若干個(gè)數(shù)據(jù)信道，各個(gè)主節(jié)點(diǎn)單獨(dú)占用一條信道使用。模型中假設(shè)同一頻率的WLAN信號(hào)互相干擾，每個(gè)信道只允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)接入使用。物理層相關(guān)參數(shù)主要是與發(fā)送、接收相關(guān)的變量，用于定義信道模型，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的路徑損耗，在不考慮陰影衰落時(shí)有公式（1）：

仿真中物理層參數(shù)配置，如表1所示：

表1 基站、主節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)的物理層參數(shù)配置

其他參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)數(shù)量，信道數(shù)量，最大報(bào)長(zhǎng)等是仿真中的主要變量，在不同的場(chǎng)景配置中取值不同。作為示范，以下列出一組典型取值：

**.NumNode = 200

**.NumMobile = 10

**.NumMobileChannel = 2

**.NumLocalChannel = 8

**.app.StartTime = uniform(1s,2s)

**.app.MaxPacketToSend = 1

**.app.MaxPacketLength = 2048 bit

2.3 場(chǎng)地配置

本節(jié)模擬了對(duì)固定長(zhǎng)寬的矩形場(chǎng)地的仿真，仿真結(jié)果能夠用于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能，為實(shí)際應(yīng)用中的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)搭建提供參考。由于在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，傳感器節(jié)點(diǎn)呈不規(guī)則排列，因此，本仿真中傳感器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)場(chǎng)地中隨機(jī)放置。GPRS基站位于場(chǎng)地中央，WLAN基站平均分布在場(chǎng)地范圍內(nèi)，以提供足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。主節(jié)點(diǎn)在整個(gè)場(chǎng)地中平均分布，如圖4所示：

圖4 基站、主節(jié)點(diǎn)分布示意圖

通常，主節(jié)點(diǎn)位置是固定不變的，而從節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，移動(dòng)模式在移動(dòng)控制模塊中定義。

3 仿真結(jié)果分析

在實(shí)際農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，為使通信質(zhì)量和組網(wǎng)成本達(dá)到平衡，且在保證服務(wù)質(zhì)量的情況下達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的最大容量，需要對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的主節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及分布情況進(jìn)行一個(gè)整體規(guī)劃。大田場(chǎng)景模擬了在一個(gè)長(zhǎng)1000米，寬400米的場(chǎng)地中部署了1個(gè)GPRS基站，6個(gè)WLAN基站，30個(gè)主節(jié)點(diǎn)和600個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的情況，相當(dāng)于每塊33米×20米的土地上就有一個(gè)傳感器采集當(dāng)前的溫度、濕度等信息。這里進(jìn)行了30個(gè)主節(jié)點(diǎn)情況下最多600個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生2Kbit數(shù)據(jù)，并嘗試在10s內(nèi)全部上傳。

測(cè)試結(jié)果如圖5所示：

圖5 測(cè)試結(jié)果

在只使用GPRS基站接收數(shù)據(jù)的情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄訒r(shí)和最大延時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的上升而增大。若應(yīng)用場(chǎng)景需要嚴(yán)格的限制最大延時(shí)，如延時(shí)不超過(guò)0.5s，那么網(wǎng)絡(luò)中最多能夠容納的傳感器節(jié)點(diǎn)約為400個(gè)。在只使用WLAN基站接收數(shù)據(jù)的情況下，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)的正確送達(dá)率逐步減小。如果應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)定正確送達(dá)率保持在95%以上，那么網(wǎng)絡(luò)中最多能容納約500個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

為了使數(shù)據(jù)延時(shí)和正確送達(dá)的概率達(dá)到一個(gè)平衡，來(lái)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，對(duì)同時(shí)使用GPRS基站和WLAN基站的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真。主節(jié)點(diǎn)選擇就近的WLAN基站上傳數(shù)據(jù)，如果主節(jié)點(diǎn)在WLAN基站的接受范圍之外，則將數(shù)據(jù)上傳到GPRS基站。600個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖6所示：

圖6 測(cè)試結(jié)果

其正確送達(dá)率能夠保持在95%以上，數(shù)據(jù)延時(shí)隨報(bào)文長(zhǎng)度的增加而增加，報(bào)文長(zhǎng)度64Kbit時(shí)數(shù)據(jù)延時(shí)仍能控制在0.5s以內(nèi)。

此外，針對(duì)生產(chǎn)消費(fèi)的應(yīng)用環(huán)境，仿真場(chǎng)景模擬了400x100的場(chǎng)地，包括1個(gè)GPRS基站，1個(gè)WLAN基站，10個(gè)主節(jié)點(diǎn)和200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)以1.5米每秒的速度隨機(jī)移動(dòng)，用來(lái)模擬倉(cāng)庫(kù)中貨物車，或超市中超市手推車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果如圖7所示：

圖7 測(cè)試結(jié)果

在搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)和正確送達(dá)率的要求，可以通過(guò)減少傳感器數(shù)量、減少報(bào)文長(zhǎng)度等來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。

4 總結(jié)

本文基于OMNet++基本框架，搭建了一個(gè)主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了融合傳感器網(wǎng)絡(luò)和和GPRS/WLAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)覆蓋，主節(jié)點(diǎn)能夠在兩種網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行垂直切換，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS基站或WLAN基站。

通過(guò)不同場(chǎng)景和參數(shù)配置，分析網(wǎng)絡(luò)性能。結(jié)果顯示了在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，正確送達(dá)率保持在95%以上，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制在0.5s以下時(shí)的最大報(bào)長(zhǎng)和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。基于這一研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建時(shí)的整體部署需求。

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Research on the Master-slave Heterogeneous IoTNetwork Simulation Platform Based on OMNet++

Xu Yang, Zhang Yonggang, Zhou Xiaolin, Li Ying, Wang Xixu, Zheng Lirong
(Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai200433, China)

In this paper, the network performance of a master-slave heterogeneous network with GPRS and WLAN protocols isanalyzed and studied, by building an Internet of Things (IoT) simulation platform with OMNeT++, in which the master nodes also work as a LAN gateway. The relationship between network delay, rate of delivery and number of nodes, packet length is studied through simulation based on heterogeneousscenarios, in order to make a global arrangement according to the requirements of network performance before building a sensor network.

Internet of Things; Heterogeneous Network; Master-Slave Sensor Network

TP311

A

1007-757X (2014)10-0004-04

2014.09.01）

國(guó)家高科技研究發(fā)展技術(shù)（863計(jì)劃）（2011AA100701）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（No.2012ZX03001013）

徐 陽(yáng)（1990-），女，復(fù)旦大學(xué)，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)線定位等，上海，200433張永剛（1972-），男，復(fù)旦大學(xué)，博士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，智慧城市等，上海，200433李 穎（1989-），男，復(fù)旦大學(xué)，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，嵌入式開發(fā)等，上海，200433周小林（1973-），男，復(fù)旦大學(xué)，博士，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、FSO、迭代接收機(jī)等，上海，200433王習(xí)姁（1989-），女，復(fù)旦大學(xué)，碩士研究生，研究方向：無(wú)線通信方向，上海，200433鄭立榮（1969-），男，復(fù)旦大學(xué)，教授，博士，研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，上海，200433