摘 要： 對無線傳感器網絡技術特點進行了研究，分析了無線傳感器網絡研究的技術難點和重點。針對目前出現的各種仿真平臺，如OPNET、OMNET++、NS2、TOSSIM等，分析研究了其技術特點并進行歸納性分類和概括，闡述了無線傳感器網絡仿真的重點評估指標，更好地推動無線傳感器網絡仿真研究的發展。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；仿真平臺；評估指標
由于無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)[1]具有無線網、移動網以及節點的微型性、低成本、低功耗等綜合特性，因此對其的研究已成為熱點。WSN由大量的同構或異構節點組成，它們能夠協作地進行實時監測、感知和采集各種環境對象的數據，通過節點內嵌系統對信息進行處理，然后通過無線網絡將相關的信息發送到遠端客戶，并能接收遠端客戶指令對環境進行測控。但由于真實實驗環境的建立存在諸多限制，如成本高、周期長、效果差等，因此需要一種良好的軟件仿真技術來加速無線傳感器網絡關鍵技術的研究。但現實中WSN很多功能沒有開發出來，也沒有與處理大型網絡速度相結合的高水平的協議和抽象算法等。無線傳感器網絡仿真[2]是一種使用軟件模擬實際網絡設備和網絡鏈路的統計模型，并模擬網絡流量的傳輸、記錄網絡運行過程中的各種參數，對不同類型的數據進行統計分析，得出網絡性能的評估結果，以便對網絡進行設計或優化的仿真技術。目前現有的模擬仿真技術在實現WSN的仿真上存在不少問題。因此，本文在闡述WSN的良好節點模型、結構框架及設計、路由協議、系統實現等方向，并根據WSN的技術特點對主流仿真環境進行系統分析和研究的基礎上，提出了WSN仿真的關鍵指標和重點問題，并預測WSN的發展和研究方向。
1 WSN技術特點分析
WSN由大量隨機布置在檢測區域內的傳感節點組成，它們能夠協同地進行實時監測，感知和采集各種環境對象的數據，通過節點的嵌入式系統和程序對信息進行處理，并通過無線網絡將相關的信息發送到客戶端。WSN節點檢測對象可以是溫度、濕度、化學品濃度、振動、壓力、光強度、音頻信號、微波信號等。但是，由于WSN本身資源的限制(如蓄電能力、處理能力、存儲空間及網絡協議等)，對以上檢測事件，WSN仿真服務質量的操作機制需要做出權衡，如能耗、精確性、響應時間、擴展性、容錯性及其他獲益質量點等。因此，需要從節點到網絡考慮以下幾個方面因素：
(1)從單純的傳感節點方面看，主要涉及傳感節點能耗、存儲空間、帶寬限制、操作和調試等，其目標主要體現在在現有的硬件資源下，如何從軟件設計和功能上做出權衡。
(2)從網絡規模和網絡生成設計方面看，WSN可分單跳和多跳網絡。特別針對大規模多跳WSN，傳感節點分布的地理區域大、數量大、分布密集，從而導致網絡規模龐大而復雜。這是網絡生成涉及的技術難點，也是本文主要研究的內容。大規模多跳WSN中有一個特殊節點，稱為匯聚(sink)節點或基站，傳感器節點通過自組織方式構成網絡，測控的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸。在傳輸過程中測控數據可能被多個節點處理，經過多跳路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理控制臺。其網絡拓撲形式、數據檢索和處理的不同階段如圖1、圖2所示。
其中主要涉及網絡動態性和可擴展性，如：由于應用環境的復雜性，其拓撲結構可能會出現無線通信鏈路的變化，導致傳感節點通信時斷時通，或者節點能耗問題造成傳感節點出現故障或失效，或者感知對象的移動、新傳感節點的加入或老傳感節點刪除等。
(3)從相配套的協議和路由的選擇方面看，由于傳感節點本身的限制和應用需求，不可能完全采用網絡7層協議標準或TCP/IP協議。為了延長整體網絡生命期，往往需要對網絡協議進行重新定義，特別是在路由和傳輸層協議設計方面可對減少能耗起到關鍵作用，因此要求選擇數據傳輸的最短路徑。但最短路徑的選擇本身是NP難問題，特別是在延長網絡整體生命期和傳輸數據最短路徑上需要權衡。
目前各類路由傳輸算法協議只在某些方面做出優化，其適用場合也會因為應用環境及規模而變化，通用的、達到最好效能的路由和數據融合算法當前并不存在。其仿真技術關注點往往也是偏重某個或某些技術研究。下面對當前幾種仿真平臺進行分析和研究。
2 主流仿真平臺分析及研究
無線傳感器網絡仿真是評估WSN性能的有效方法之一，其優越性體現在初期應用成本不高，構建好的網絡模型可以延續使用，后期投資不斷下降。因此，一種好的WSN仿真平臺的關鍵技術研究相當重要。
2.1 基于通用網絡的仿真平臺
(1)NS2。NS2是由伯克利大學1989年開始開發的一種源代碼開放的共享軟件，是一種可擴展、可重用、基于離散事件驅動、面向對象的仿真軟件[4]。NS2可以用于仿真各種不同的IP網，實現了多播、一些MAC子層協議、網絡傳輸協議(如：TCP/UDP協議)、業務源流量產生器、路由隊列管理機制以及路由算法等。其拓撲結構有星型拓撲(單跳)和對等式拓撲(Ad Hoc網絡多跳形式)2種，通過編程語言OTCL(具有面向對象特性的TCL腳本程序設計語言)和C++實現。
(2)OPNET。OPNET是一個強大的、面向對象的、離散事件驅動的通用網絡仿真環境。作為一個全面的集成開發環境，在無線傳輸方面的建模能力涉及仿真研究的各階段，包括模型設計、仿真、數據搜集和數據分析，所有的無線特性與高層協議模型無縫連接。
當然，還有其他通用網絡環境下的仿真環境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。
2.2 基于TinyOS的仿真平臺
TinyOS是一種面向WSN的新型操作系統。TinyOS采用了輕量級線程技術、主動消息通信技術、組件化編程技術，它是一個基于事件驅動的深度嵌入式操作系統[7]。目前基于TinyOS主流仿真平臺有2種。
(1)TOSSIM。TOSSIM是一種基于嵌入式TinyOS操作系統的WSN節點仿真環境的實現代表，源碼公開，主要應用于MICA系列的WSN節點。其仿真應用隨同TinyOS被編譯進事件驅動的模擬仿真器。由于TinyOS基于組件的特性和仿真環境運行的程序與網絡硬件程序基本相同，其代碼可以不變地移植到實際節點上，只是在一些底層相關部分有所不同。
(2)OMNET++。OMNET++是一種開源的基于組件的模塊化的開放網絡仿真平臺，近年來在科學和工業領域逐漸流行。作為離散事件仿真器，其具備強大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內核，運行于多個操作系統平臺，可以簡便定義網絡拓撲結構，具備編程、調試和跟蹤支持等功能，主要用于通信網絡和分布式系統的仿真。
2.3 仿真平臺比較
在軟件功能和操作易用性方面，由于OPNET可以對數據分組、節點類型、鏈路類型、應用場景、網絡拓撲結構等進行詳細設置，所以OPNET明顯優于其他仿真平臺。但要實現OPNET WSN仿真，還需要添加能量模型，而且其最大問題是仿真速度慢，效率會隨網絡規模和流量增大而降低，且某些特殊網絡設備的建模必須依靠節點和過程層次的編程方能實現；在涉及底層編程的網元建模時，還需要對協議和標準及其實現有深入了解。NS2主要致力于OSI模型的仿真，工作在網絡數據包級，允許一定范圍內的異構網絡仿真，實現了協議分離等。可以使用NS2進行算法和協議的仿真研究，且源碼開放使其能支持WSN仿真，包括傳感器和電池模型、混合仿真支持等。總之，NS2是一種很優秀的仿真器，可以精確地仿真無線和有線網絡，節點數目可達成千上萬。盡管可以從標準和實驗通信協議中獲益，但在通用網絡仿真軟件上實現WSN協議和應用交互，經常要進行跨層設計，這會導致大量的協議添加和跨層協議修改工作，從而增加了仿真難度和工作量；而且NS2不對應用行為建模，缺少網絡節點執行代碼的仿真，特別對數據包級細節仿真方面，接近于運行時的數據包數量，使其無法進行大規模網絡的仿真。TOSSIM雖具有一定的可信度和完整性，也能夠捕獲成千上萬個TinyOS節點的網絡行為和相互作用，但在能量消耗模型方面，沒有現成的能量管理模塊，無法對能耗進行有效性評價，必須設計開發獨立的能量管理模型計算節點剩余能量。目前雖有PowerTOSSIM采用實測的MICA2節點能耗模型對節點的各種操作所消耗的能量進行跟蹤，但是所有節點的程序代碼必須相同，且無法實現網絡級的抽象算法仿真。網絡抽象級仿真規模上的各類仿真平臺比較如圖3所示。
3 仿真評估指標
在傳感器網絡中，單個傳感器節點的特點是并發密集、模塊化程度高。這些特點使得無線傳感器網絡仿真需要解決可擴展性與仿真效率、分布與異步特性、動態性、綜合仿真平臺等問題。而以上仿真只能在一些線性時空方式、多高斯數據分布下進行。因此，要充分利用面向對象設計思想，使仿真平臺更接近現實模型，使整個系統的軟件框架更加合理、明確。
3.1 協議分析指標
以有效地減少能量消耗、延長網絡使用壽命為目標，如高效的MAC協議、路由協議以及應用層協議。常見的路由協議有SPIN、Direct Diffusion、TEEN、GEAR等，常見的拓撲控制協議有GAF、SPAN、STEM等，它們各有其不同的前提條件及適用環境。但主要關注點為TCP實現協議，原因在于無線鏈路出錯、信號衰減及交接等造成不能精確計算出吞吐量的期望值和實際值。目前大部分協議建立在基于能量平衡的、輪轉的“簇”概念基礎上，包括LEACH、BCDCP、PEGAGSIS等協議。其使用場景的協議選擇、簇頭選擇、TCP傳輸協議改良，有利于提供可靠高速的傳輸，減少能量消耗。
3.2 能量消耗分析模型
在傳感器節點有限的資源(如：內存、計算能力、電能等)下，以主要仿真傳感器節點處理、發送和接收k bit數據所消耗的能量作為評價指標基礎。如在節點數據處理方面，仿真架構能夠評估編譯后在現存的傳感器模塊運行的算法的能耗；在節點之間通信方面，根據藍牙無線技術的資料，單跳路由協議每個傳感器節點的能耗與距離關系表示為：E=λk2(k=1，2，3…)，其中，λ是單位數據發送和接收單位距離時的能耗，k為節點與基站之間的距離。在多跳路由協議中，節點能耗與距離關系表示為E=[d2-(k-1)2]/(2k-1)(k=1，2，…d)，其中d是離基站最遠的節點與基站的距離，k是任意一節點到基站的距離。
3.3 網絡生成及通信模型
網絡生成及通信模型主要考慮異構網絡模型架構及可擴展性，以典型的“簇”網絡為例，除了完成整個網絡活動由“簇”的建立期和穩定工作期2種狀態外，還要考慮后期簇的變化，如因環境因素、老的傳感節點的刪除、新傳感節點加入及移動性等擴展功能。在異構網絡互操作性上，要涉及到通信協議和網絡跨層設計，包括低資源傳感器模塊和高資源微服務器平臺交互等。在網絡生命期方面，既要考慮單個節點的生命期，又要考慮整體網絡的生命期。
除上述方向外，研究指標還包括：提供良好的可視化對象仿真環境、實現的管理平臺、WSN的可靠性和容錯性研究(消息的丟失、復原、運行時間等)、底層操作系統選擇、智能化網絡節點模型、節點代碼的可移植性等。
當前，無線網絡仿真的主流平臺多種多樣，商業版仿真軟件主要有Mil3公司的OPNET、Cadence公司的VCC等軟件。這些軟件價格昂貴。廣泛使用的免費仿真軟件是NS2、TOSSIM及OMNeT++等。從以上分析和研究可以看出，在軟硬件資源有限、仿真環境多樣性的情況下，WSN仿真技術首先要能在能耗模型、節點行為、底層協議、抽象算法、網絡異構及環境仿真等方面實現；其次，仿真技術還要具備完整性、可信度和伸縮性等功能。特別是在路由傳輸協議方面，如平面路由協議和聚類路由協議[5]，需要從傳統編程式路由算法協議(如：LEACH，BCDCP，PEGAGSIS，PEDAP)過渡到智能型路由協議(如：基于多智能體的WSN、基于模糊控制、神經網絡的WSN數據融合路由算法、ACRA、Ant-Net等)。人工智能技術的高速發展，使得WSN具有學習能力的群體智能行為，使之能協同工作，這方面可能成為今后一個重點研究方向。當然，硬件技術的提高，如量子計算機的出現、高效的電池蓄電能力及存儲技術等，對WSN也起到推動作用。
參考文獻
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