無線傳感器網絡多業務仿真平臺的實現方案

彭 緋，萬越輝，白 鶴，李明齊

（1.上海微系統與信息技術研究所，上海 2100050;2.南昌航空大學，江西南昌 330063;3.國家新聞出版廣電總局，北京 100053）

無線傳感器網絡多業務仿真平臺的實現方案

彭 緋1，萬越輝2，白 鶴3，李明齊1

（1.上海微系統與信息技術研究所，上海 2100050;2.南昌航空大學，江西南昌 330063;3.國家新聞出版廣電總局，北京 100053）

在無線傳感器網絡中，由于傳感器節點的能源十分有限，節能是設計的首要因素。然而，無線傳感器網絡的多業務在現實生活應用中對QoS（服務質量）都有不同的需求，這就使得WSN網絡的QoS研究成為了專家學者們的主要研究方向。在

WSN網絡拓撲結構和業務類型的研究基礎上，使用網絡模擬器（Network Simulator Version 2，NS2）來搭建基于多業務共存的星型以及對等結構兩種WSN網絡仿真平臺，建立多種業務流量模型，實現以無線傳感器網絡協議、流量模型、拓撲為基礎的功能模塊化設計;并對無線傳感器網絡關鍵性能進行了仿真模擬，實現延時、吞吐量、能耗等關鍵性能的分析。

無線傳感器網絡;NS2;拓撲結構;服務質量

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）由大量的靜止或可移動的傳感器節點通過多跳、自組織方式組成無線通信網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡在諸多領域有著廣闊的應用前景，引起了各國政府和學者的廣泛重視，已成為最新的研究熱點之一。本文在NS2仿真平臺上總體設計了傳感器網絡的業務模型、拓撲結構、協議幀和性能參數，通過仿真，對不同業務的性能進行了分析。

1 無線傳感器網絡的拓撲結構

無線傳感器網絡體系結構的設計需要考慮部署、能耗、擴展性、靈活性以及容錯性等方面［1－2］。下面簡要闡述無線傳感器網絡的拓撲結構和通信協議棧。

無線傳感器網絡體系結構直接關系到網絡性能，而網絡性能又影響著其可用性。按照無線傳感器網絡的節點功能及結構層次，可以把WSN網絡拓撲結構分為星型拓撲、對等拓撲和兩者混合拓撲結構［3－4］。混合拓撲結構組網非常復雜，維護網絡正常運行也會變得比較困難。而星型拓撲結構和對等拓撲結構可以適應無線傳感器網絡所能使用的大部分應用場景，為了仿真WSN網絡性能的方便，本文主要集中在星型W（如圖1）和對等WSN網絡拓撲結構（如圖2）。

圖1 星型拓撲結構圖

圖2 對等拓撲結構圖

無線傳感器網絡星型拓撲的節點配置相對簡單，任何節點通信只需通過中央協調節點，中央協調節點執行集中式通信控制策略，便于WSN網絡監控和管理;中央協調節點可以對每個節點的通信鏈路逐一隔離進行故障檢測和定位，使得WSN網絡故障診斷和隔離變得十分容易。因此，星型拓撲結構是無線傳感器網絡主要采用的一種拓撲結構，它適用于傳輸距離較近、環境干擾大、時間要求高、數據量大的地方。

對等拓撲結構不像星型網絡那樣要經過中央協調節點來轉發。任意2個節點只要能夠彼此接收到對方的無線信號，就可以通過一定的算法，選擇一條或者多條路由和對方進行通信，網絡對于單個節點或者單個通信鏈路具有較強的容錯能力和魯棒性，因此，對等拓撲結構是無線傳感器網絡主要采用的一種拓撲結構，它適用于覆蓋大面積開放區域（包括室外和室內）的無線區域網絡解決方案。

2 無線傳感器網絡的業務分類

在無線傳感器網絡中，節點的能量往往是由普通的電池提供的。而傳感器節點的能量十分有限，如果節點因能量很快耗盡而失效，就會使得WSN網絡連通性出現問題，嚴重影響WSN網絡的系統性能。因此，節約傳感器節點能量的消耗成為了設計無線傳感器網絡的首要問題。

隨著對WSN網絡的不斷研究，使WSN網絡朝著應用型網絡發展。一般而言應用型WSN網絡都要考慮QoS，例如，音頻WSN網絡對網絡時延有著嚴格的性能要求，這就使得WSN網絡應用的QoS方面的研究成為了專家學者的主要研究方向。

WSN網絡的業務類型可以分為數據業務類和控制命令類［5－6］。

1）數據業務類

根據數據傳輸速度的不同，無線傳感器網絡的數據業務類型分為3種:事件、周期觸發類、查詢/響應類。在事件和周期觸發類業務中，傳感器節點會周期性地主動向監測節點傳輸數據;在查詢/響應類業務中，傳感器節點根據Sink節點發送的查詢請求，等達到要求時能夠及時響應數據并發到Sink節點。

（1）基于事件觸發的業務（Event－driven）:當監測區域中的傳感器節點被觸發之后，就會把采集到的數據及時發送給Sink節點，以便用戶進行數據分析。可用開/關模型來獲取源數據業務中基于事件觸發WSN的突發現象，開/關的時間分布遵循Pareto分布。主要的應用領域為:家庭安防、煤礦瓦斯報警等。

（2）基于周期觸發的業務（Period－driven）:監測區域的傳感器節點會按照預先設定好的傳輸周期把數據發送到Sink節點。當比特率為常量時，可以用CBR（constant bit rate）去模擬數據業務到達過程。主要的應用領域為:環境監測、產品質量檢測、空間探索等。

（3）基于查詢/響應的業務（Query－driven）:用戶通過發送查詢請求到監測區域，監測區域的傳感器節點響應之后，把采集到的數據發送到Sink節點。用FTP來模擬該類業務。主要的應用領域為:數據收集、車輛GPS定位等。

2）控制命令類

對集控制和監控于一起的WSN網絡應用，傳感器節點不僅擁有傳感模塊，還配置了執行器模塊，因此可以把控制命令類業務使用在帶執行器的WSN網絡應用中來進行消息的控制。該類業務要求時延較短、低丟包率，如傳感器網絡中的視頻監控，因此可用RealAudio模擬其業務到達過程。主要的應用領域為:視頻監控、交通監控、醫療監控等，如表1所示。

表1 業務分類

3 無線傳感器網絡的業務分類

為驗證無線傳感器網絡相關算法，目前最廣泛實用的方法是通過虛擬環境進行模擬仿真。常用的有［7］:OPNET，OMNET++，TOSSIM和NS2等。OPNET是一種商業化的軟件，它提供的模型庫有限，尤其是用于無線傳感器網絡的模塊組件比較少;OMNET++是一種非常流行的開源可擴展仿真工具，但源代碼不多，缺乏仿真無線傳感器網絡的協議和能量模型，OMNET++主要支持IP網絡的仿真。TOSSIM是一個基于TinyOS操作系統的模擬器，由于沒有提供能量模型，無法對能耗有效性進行評價。TinyOS對任務的處理是按照簡單的先進先出（FIFO）隊列進行，而不能相互搶占，因此主要用于對時間要求不高的應用。

針對WSN網絡模擬，本文選擇采用NS2來進行具體的WSN網絡仿真。因為NS2已經預先為WSN仿真作了大量的模型化工作，還有很多模擬仿真測試實例，此外，還有鏈路、隊列、分組、節點等豐富的構件庫，其源代碼是完全開源的，功能全面，能夠應用于WSN網絡中各種環境的模擬仿真。

針對以上，本文的WSN網絡仿真系統（如圖3所示）分為3部分:WSN網絡場景參數設置、WSN網絡運行和WSN網絡性能分析。

圖3 系統體系結構

WSN網絡場景參數設置:網絡拓撲模塊、業務分類模塊、流量參數模塊和協議模塊。網絡拓撲設計模塊主要是傳感器節點拓撲結構的生成和WSN網絡的構建;業務分類模塊對業務進行分類區別，為節點業務優先級配置提供服務;流量模塊是模擬并生成不同類型的業務流量;而協議模塊為傳輸協議、路由協議［3］和 MAC 協議［8－9］，主要是針對無線傳感器網絡協議棧的設置，其中傳輸協議與業務流的產生直接相關。

WSN網絡運行:通過編寫Tcl腳本提交網絡模擬所需要的相應拓撲結構，協議和業務的參數配置，調用NS模擬器進行網絡模擬運行生成網絡節點拓撲文件。等到WSN網絡仿真運行完之后，下一個WSN網絡性能分析模塊部分開始工作，此時便可以分析前面所搭建的WSN網絡的各種性能。

WSN網絡性能分析:動態顯示和靜態分析模塊。動態顯示模塊可以通過使用Nam工具動態地演示WSN網絡運行的全過程;靜態分析模塊就是在WSN網絡仿真完成之后，對WSN網絡的一些網絡性能（能耗、延時和吞吐量）進行分析，這些性能都能通過Gnuplot圖表化得到。

4 仿真功能模塊說明

4.1 仿真環境

在本文模型中，各發送節點發送不同業務流至目的端Sink節點0，星型拓撲和對等拓撲結構網絡的節點個數分別為9個和13個。具體參數如表2所示。下面根據NS2中流量模型為兩種拓撲結構中的各個節點配置仿真所需要的業務模型。

在NS2中，根據業務流產生的概率模型不同，UDP實現了多種流量產生器，分為2類:Pareto分布流量產生器的on、off狀態符合指數分布，在on狀態時產生的業務流符合Pareto分布，能產生一種長時間相關的急劇通信量，用于生成事件觸發類業務（Event－driven）;固定比特流量產生器按照一個固定的速率產生業務流，分組的長度為一常數，可以選擇需要時對分組發送的時間間隔產生隨機抖動，用于產生周期觸發的業務（Period－driven）。

表2 仿真參數表

建立在TCP代理之上的業務流產生器分為2類:FTP應用模擬器，用于模擬查詢—響應的業務（Query－driven）;realaudio是對視頻類的模擬，發送數據的大小是隨機的，具有實時性和連續性，用來模擬控制類業務。

為比較各類業務的性能，在參數配置中，將各類業務分組包的大小統一設置成210 byte，發包間隔統一設置為0.03 s。考慮到realaudio流量模型自身發包數量稍大的特點，將控制類消息的發包大小設為240 byte。

為了仿真繪圖方便，對前面的無線傳感器網絡業務分類進行重命名，事件觸發類、周期觸發類、查詢—響應類和控制類分別標記為Event_driven、Period_driven、Req_Rep和Control。對于每一種業務的流量模型，還有其特有的成員變量，如表3中的burst_time（突發時間）表示流量產生器的平均開放時間;idle_time（空閑時間）表示流量產生器的平均關閉時間;window（滑動窗口）是tcp用來控制發送的數據包速率，發送方每次只能發送該滑動窗口數量的數據包。

表3 業務參數設置

4.2 無線傳感器網絡拓撲結構

星型拓撲結構采用9節點進行2跳路由的WSN網絡仿真，節點0為中心協調節點，即為Sink節點。星型網絡的7、8、9、10、11、12 節點為數據節點，相應的轉發節點為1、2、3、4、5、6 節點如圖4 所示;各數據節點間不能通信，只發送業務到Sink節點，因此采用DSDV路由協議。對等拓撲結構采用16節點進行WSN網絡仿真，0節點為Sink節點，2、3、9、10、14、15 節點為數據節點如圖5 所示。在對等網絡的拓撲結構中，各節點具有相同的通信能力，當各數據節點要發送業務到目的Sink節點時，可以經其鄰近的節點逐層轉發，因此采用AODV路由協議。

圖4 星型網nam流圖

圖5 對等網nam流圖

在圖4和圖5中，為標識出各個節點發送業務的類型，采用虛線將發送相同業務類型信息流的節點連接起來。如圖4中，節點5、1、0在同一條虛線上，表示節點5和節點1都發送了poisson類業務至目的節點0;圖5中，節點9、4、0連在同一條虛線上，表示節點9和節點4都發送了realaudio類業務至節點0等。

如今電子商務的發展已越發成熟，隨著大數據和科技的不斷更新，電子商務的負外部效應已經得到了改善。本文通過論述電子商務治理的多中心協同模式為電商的長期穩定提供一個邏輯框架，在中國特殊的情境下，政府主導型的治理模式在逐漸向多主體治理模式轉變，但不可否認的是即使多中心的治理模式下，政府仍然是治理的主力軍，承擔著軸中心的作用，通過協同合作提高單一主體治理的效率，聽取更多群眾的聲音。

4.3 仿真性能分析指標

對仿真結果進行性能分析。包括計算延時、吞吐量和能耗性能指標。

1）平均端到端時延

端到端時延，表示數據包從源端節點成功發送到目的端節點所經歷的時間。平均端到端時延是各個數據包的時延之和除以總共接收的數據包個數，其中，PacketNum表示接收到的數據包個數;PacketReceiveTime和PacketSendTime分別表示數據包的接收時間和發送時間。公式為

2）平均吞吐量

平均吞吐量表示網絡中各類業務流在給定時間段內所能傳輸的數據量，用一個時間段內總共接收的數據包除以該段時間。其中，PacketSize表示發送的分組大小，單位為Byte，PacketNum表示統計接收的分組包個數;FirstStartTime和EndTime分別表示第一個分組包和最后一個分組包的時間，即

其中，分母表示在仿真過程中傳輸的數據量，分子表示傳輸這些數據所消耗能量，兩者相除后得到的值為傳輸單位比特信息流消耗的能量。因為該能量值非常小，接近5～10 J，這里選擇以千比特為單位來分析信息流上消耗的能量。

4.4 仿真結果分析

1）端到端時延

圖6和圖7中，橫坐標表示仿真持續時間，縱坐標表示平均時延。

圖6 星型網時延圖

3）能耗

計算公式為

圖7 對等網時延圖

從兩圖的比較可以看出，各類業務在星型網絡中的時延小于對等網絡中的時延，因為星型網采用DSR路由建立連接，在同一直線上的節點才能通信（如圖4所示）;而對等網絡采用AODV路由建立連接，任意相鄰節點間都可以通信;對等網絡結構中可能經過更多的跳數，查看了仿真結果文件中具體的數據流路徑，在星形網絡中，節點4是直接發到Sink節點0，而在對等網絡中，節點4發信息的過程則是4—10—0。

從圖6和圖7分析來看，雖然同一網絡中各個節點都是隨機競爭信道，但不同業務獲得的時延不同。這和各類業務流量模型中的特定配置有關。在整個發包過程中，流量產生器開放的時間（burst_time）越長，產生流量越多，在接口（ifqlen）大小一定的情況下，需要經過較長的時間才能傳輸完畢，因而時延越大。由于周期觸發類業務沒有流量產生器突發時間的限制，其時延最長，其次是控制類業務（Control）和事件觸發類業務（Event_driven），控制類業務的流量模型產生器產生流量持續時間burst_time大于事件觸發類業務的burst_time，因而時延較事件觸發類業務長;在查詢—響應類業務（Req_Rep）的流量模型中沒有突發時間（burst_time）和空閑時間（idle_time）限制，其時延最低，是因為該流量模型中特有成員對象window（滑動窗口）值的存在，限定了數據包的發送量，較少量的業務流需要傳輸的時間較短。另外，由于周期觸發類業務（Period_driven）的流量大，發生碰撞的機會多，因而時延抖動最大，查詢—響應類業務（Req_Rep）的抖動低，因為其業務量小。

2）吞吐量分析

從圖8和圖9可以看出，盡管各類業務發送的分組包大小和間隔基本相同，但不同業務獲得的吞吐量不一樣。這是由各類業務流量模型中特有成員對象（如表3）決定的。周期觸發類業務和查詢—響應類業務的流量模型中都沒有空閑時間（idle_time）的限定，它們在星形網和對等網中的吞吐量較高，其中，因為查詢—響應類業務由于受到滑動窗口的限制，其吞吐量低于周期觸發類業務。星形網和對等網中控制類業務（Control）吞吐量最低，其次是事件觸發類業務（Event_driven），因為控制類業務的流量產生器空閑時間（idle_time）為0.5 s，遠大于事件觸發類業務的空閑時間0.029 s。

3）能量分析

圖8 星型網吞吐量圖

圖9 對等網吞吐量圖

圖10和圖11分別為星型網絡和對等網絡中，各類業務單位千比特信息流的能量消耗。兩種拓撲中，周期觸發類業務的單位千比特信息流能耗最低，查詢—響應類業務（Req_Rep）的能量消耗稍高于周期觸發類業務，然后是事件觸發類業務，控制類業務（Control）的單位千比特信息流能耗最大。根據4.3節的能耗計算公式，在總能量一定的情況下，單位時間內傳輸的數據量越多，即吞吐量越大，單位千比特信息流上消耗的能量值就越少，例如:周期觸發業務單位時間傳輸的數據量最低，它的能耗最大（如圖10、圖11）。在本文的配置場景下，在星型網絡中，所有業務單位千比特信息流在單位時間消耗的能量為0.000 834 J/kbit（焦耳每千比特）;而在對等網絡中，所有單位千比特信息流在單位時間消耗的能量為0.000 846 J/kbit。因為星型網絡大部分功能集中在中心Sink節點，其他節點因功能簡單而相比對等網絡的耗能低。

圖10 星型網能量圖

圖11 對等網能量圖

5 小結

無線傳感器網絡是涉及多學科的研究領域，具有十分廣闊的應用前景。本文在無線傳感器網絡仿真需求分析、協議與網絡內的業務分類的基礎上，使用網絡模擬器NS2建立了相應的對等和星型兩種拓撲WSN網絡仿真平臺，并對WSN網絡的能耗、吞吐量和時延這3個性能指標進行了詳細的系統分析，從仿真結果來看，使用NS2仿真器可以實現無線傳感器網絡多種不同業務共存下的網絡性能仿真。各類業務的時延、吞吐量和能耗性能與自身流量模型所特有參數配置、網絡拓撲結構和協議參數有關。

:

［1］WSN 特點［EB/OL］.［2012－10－05］.http://www.21its.com/Common/DocumentDetail.aspx?ID=2008070110383033044.

［2］傳感器網絡百科［EB/OL］.［2012－10－05］.http://baike.baidu.com/view/140209.htm.

［3］王永玲，郭愛煌.無線傳感器網絡路由協議及仿真［J］.計算機工程，2006，48（10）:111－115.

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［5］邵蒙晉.一種傳感器網絡移動節點的設計與實現［D］.北京:北京交通大學，2008.

［6］劉廣.基于NS2的無線多媒體傳感器網絡多路徑路由仿真與實現［D］.西安:陜西師范大學，2010.

［7］呂方瑤.當前主要網絡仿真工具研究和實踐［J］.信息通信，2011，13（4）:55－58.

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［9］張偉偉.無線傳感器網絡仿真平臺的設計與實現［D］.合肥:中國科學技術大學，2009.

白 鶴（1982— ），工程師，主研信號與信息處理;

李明齊（1971— ），研究生導師，主研通信與信息系統

Design of Simulation Testbed for Multi－service Coexist in Wireless Sensor Networks

PENG Fei1，WAN Yuehui2，BAI He3，LI Mingqi1

（1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Shanghai 200050，China;2.Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China;3.The State Administration of Radio Film and Television，Beijing 100053，China）

Energy conservation is the primary factor in design of wireless sensor networks due to very limited energy of sensor nodes.However，in practical applications of wireless sensor networks，different services put forward different requirements on the network quality of service（QoS），the QoS problem in this field has become a new research hotspot.This paper employs the network simulation software NS2（Network Simulator Version 2）building a star and mesh network topologies;establishing network simulation platform for the coexistence of a variety of services in order to realize modular design of sensor network protocols，traffic model，topology－based functionality.It also conducts key performance simulation and realizes analysis of delay，throughput，energy consumption.

wireless sensor networks;NS2;topology;quality of service

TP393.0

B

【本文獻信息】彭緋，萬越輝，白鶴，等.無線傳感器網絡多業務仿真平臺的實現方案［J］.電視技術，2014，38（1）.

中國科學院戰略性先導科技專項（XDA06000000）;國家廣播電影電視總局科研項目（2011－28）;國家自然科學基金項目（61102009）

彭 緋（1900— ），研究生導師，主研網絡協議和算法;

萬躍輝（1986— ），研究生，主要研究方向為網絡協議和算法;

責任編輯:魏雨博

2012－12－21