基于OMNeT++平台的无线传感器网络仿真系统研究

摘要

无线传感器网络是由大量传感器节点构成的多跳自组织网络,其目的是协作地感知、采集监测区域内的物理环境信息,并对采集到的数据进行处理,最终反馈给观察者.目前,它已被广泛应用在环境监测、军事侦查、医疗卫生、智能家居等领域,因此受到了学术界和工业界越来越广泛的关注.
　　在传统计算机网络系统的研究中,科研人员通常采用模拟仿真并结合物理测量来衡量一个新的协议或算法的适用性。但是在无线传感器网络研究领域,由于其自身的应用特点使得物理测量在很多环境下往往不可行,此时计算机的模拟仿真就成为无线传感器网络性能评价的主要手段.通过网络仿真工具,科研人员可以在一个可控的模拟环境里研究无线传感器网络,观察由不可预测的干扰和噪声对信道传输的影响,最终减少网络的部署工作以及投放后的维护成本.高效准确的仿真工具对于无线传感器网络的发展有着很大的推动作用,同时也为相关的理论研究提供了基础平台.因此,有效的仿真系统的设计和开发是非常必要的.
　　OMNet++是一款基于组件和模块化的、开放的通用网络仿真平台,近年来已经在科研和工程领域逐渐流行起来.OMNeT++平台提供的仿真类库和开发工具为仿真人员提供了极大的便利,使得仿真人员可以把主要精力放在系统建模和模块设计上,而不必关注仿真的底层实现.本文从OMNeT++的仿真原理、类库和使用步骤等方面对OMNeT++仿真平台进行了剖析,并且针对无线传感器网络的仿真特点对其进行了改进.
　　无线传感器网络是高度面向应用的网络类型,并且与其他传统的网络相比具有一些显著的特点,正是由于这些特点使得在设计仿真系统时需要综合考虑很多新问题.本文遵循离散事件系统仿真的一般研究方法和步骤,并结合无线传感器网络仿真的自身特点,从模型设计、确定仿真算法、建立仿真模型、设计仿真程序、仿真结果分析等五个方面循序渐进地对无线传感器网络仿真进行了研究。最终在OMNeT++平台的基础上,实现了无线传感器网络仿真系统.
　　在前人的工作基础上,本文的主要研究工作及创新如下:
　　(1)无线传感器网络是高度面向应用的网络类型,与其他传统的网络相比具有显著的特点,如仿真规模庞大、业务模型复杂、节点不稳定和能量有限等,这些特点使其仿真模型不能简单的使用传统的网络模型.本文借鉴经典的TCP/IP参考模型并结合无线传感器网络的自身特点建立了仿真模型.
　　(2)对于无线传感器网络,由于节点的冗余度高、拓扑构造密集,因此在仿真规模上必须考虑大量节点的分布并发特性,而OMNeT++的离散事件仿真机制不能有效实现这一机制.本文在OMNeT++离散事件仿真的基础上,对其内部数据结构和实现机制进行了改进,使得OMNeT++可以更为高效的实现传感器节点的分布并发.
　　(3)本文提出了带有多种信道损耗形式的无线信道模型.根据多篇文献中给出的信道损耗实验数据,本文把仿真系统中的信道损耗模型划分成以下三种:路径损耗、随机信号干扰损耗和节点移动损耗.
　　(4)能耗是无线传感器网络仿真中必须要考虑的因素,本文在OMNeT++平台上设计并实现了能量管理模块.仿真系统运行期间,能耗管理模块通过方法调用的方式对整个系统中的能量消耗进行统一管理,从而便于仿真结果的统计分析.
　　(5)在仿真模型的基础上,本文对经典的Leach路由算法进行仿真实验,并且在设定的拓扑场景中得出能量消耗、节点存活率等仿真数据,证明了本文提出的无线传感器网络仿真系统可以正确地仿真无线传感器网络中的相关协议.

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 本文的研究目的和意义

1.2 当前无线传感器网络仿真系统的研究现状及不足

1.3 本文的解决方案和主要创新点

1.4 本文的组织结构

第二章 无线传感器网络相关研究

2.1 无线传感器网络简介

2.2 无线传感器网络系统结构

2.3 无线传感器网络协议体系结构

2.4 无线传感器网络仿真特点

2.5 本章小结

第三章 OMNeT++仿真平台剖析

3.1 OMNeT++仿真平台简介

3.2 离散事件仿真系统

3.3 NED网络描述语言

3.4 模块和信道

3.5 消息

3.7 建立仿真程序

3.8 本章小结

第四章 无线传感器网络仿真模型

4.1 数据生成模块

4.2 传感器节点模型

4.3 无线通信模型

4.4 能耗模型

4.5 本章小结

第五章 无线传感器网络仿真系统的设计与实现

5.1 物理模块

5.2 无线信道

5.3 MAC层

5.4 路由层

5.5 能量管理

5.5 本章小结

第六章 无线传感器网络的仿真分析

6.1 仿真场景设定

6.2 仿真程序的运行

6.3 仿真结果分析

6.5 本章小结

第七章 结束语

7.1 本文的主要工作总结

7.2 进一步的工作

参考文献

在学期间发表的论文及参与的项目

致谢