彭 緋，萬越輝，白 鶴，李明齊

（1.上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 2100050;2.南昌航空大學(xué)，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(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)仿真平臺的實(shí)現(xiàn)方案

彭 緋1，萬越輝2，白 鶴3，李明齊1

（1.上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 2100050;2.南昌航空大學(xué)，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(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能源十分有限，節(jié)能是設(shè)計(jì)的首要因素。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)在現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中對QoS（服務(wù)質(zhì)量）都有不同的需求，這就使得WSN網(wǎng)絡(luò)的QoS研究成為了專家學(xué)者們的主要研究方向。在

WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)類型的研究基礎(chǔ)上，使用網(wǎng)絡(luò)模擬器（Network Simulator Version 2，NS2）來搭建基于多業(yè)務(wù)共存的星型以及對等結(jié)構(gòu)兩種WSN網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，建立多種業(yè)務(wù)流量模型，實(shí)現(xiàn)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、流量模型、拓?fù)錇榛A(chǔ)的功能模塊化設(shè)計(jì);并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能進(jìn)行了仿真模擬，實(shí)現(xiàn)延時(shí)、吞吐量、能耗等關(guān)鍵性能的分析。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);NS2;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);服務(wù)質(zhì)量

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）由大量的靜止或可移動的傳感器節(jié)點(diǎn)通過多跳、自組織方式組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，引起了各國政府和學(xué)者的廣泛重視，已成為最新的研究熱點(diǎn)之一。本文在NS2仿真平臺上總體設(shè)計(jì)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議幀和性能參數(shù)，通過仿真，對不同業(yè)務(wù)的性能進(jìn)行了分析。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮部署、能耗、擴(kuò)展性、靈活性以及容錯(cuò)性等方面［1－2］。下面簡要闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議棧。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)性能，而網(wǎng)絡(luò)性能又影響著其可用性。按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)功能及結(jié)構(gòu)層次，可以把WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星型拓?fù)?、對等拓?fù)浜蛢烧呋旌贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)［3－4］?；旌贤?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)非常復(fù)雜，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行也會變得比較困難。而星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所能使用的大部分應(yīng)用場景，為了仿真WSN網(wǎng)絡(luò)性能的方便，本文主要集中在星型W（如圖1）和對等WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖2）。

圖1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)配置相對簡單，任何節(jié)點(diǎn)通信只需通過中央?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，中央?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通信控制策略，便于WSN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理;中央?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信鏈路逐一隔離進(jìn)行故障檢測和定位，使得WSN網(wǎng)絡(luò)故障診斷和隔離變得十分容易。因此，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它適用于傳輸距離較近、環(huán)境干擾大、時(shí)間要求高、數(shù)據(jù)量大的地方。

對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不像星型網(wǎng)絡(luò)那樣要經(jīng)過中央?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)。任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)對于單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者單個(gè)通信鏈路具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和魯棒性，因此，對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它適用于覆蓋大面積開放區(qū)域（包括室外和室內(nèi)）的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解決方案。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分類

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能量往往是由普通的電池提供的。而傳感器節(jié)點(diǎn)的能量十分有限，如果節(jié)點(diǎn)因能量很快耗盡而失效，就會使得WSN網(wǎng)絡(luò)連通性出現(xiàn)問題，嚴(yán)重影響WSN網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。因此，節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)能量的消耗成為了設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要問題。

隨著對WSN網(wǎng)絡(luò)的不斷研究，使WSN網(wǎng)絡(luò)朝著應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。一般而言應(yīng)用型WSN網(wǎng)絡(luò)都要考慮QoS，例如，音頻WSN網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有著嚴(yán)格的性能要求，這就使得WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的QoS方面的研究成為了專家學(xué)者的主要研究方向。

WSN網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型可以分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類和控制命令類［5－6］。

1）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型分為3種:事件、周期觸發(fā)類、查詢/響應(yīng)類。在事件和周期觸發(fā)類業(yè)務(wù)中，傳感器節(jié)點(diǎn)會周期性地主動向監(jiān)測節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù);在查詢/響應(yīng)類業(yè)務(wù)中，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢請求，等達(dá)到要求時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)到Sink節(jié)點(diǎn)。

（1）基于事件觸發(fā)的業(yè)務(wù)（Event－driven）:當(dāng)監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)之后，就會把采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)，以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。可用開/關(guān)模型來獲取源數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中基于事件觸發(fā)WSN的突發(fā)現(xiàn)象，開/關(guān)的時(shí)間分布遵循Pareto分布。主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?家庭安防、煤礦瓦斯報(bào)警等。

（2）基于周期觸發(fā)的業(yè)務(wù)（Period－driven）:監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)會按照預(yù)先設(shè)定好的傳輸周期把數(shù)據(jù)發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。當(dāng)比特率為常量時(shí)，可以用CBR（constant bit rate）去模擬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)過程。主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?環(huán)境監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、空間探索等。

（3）基于查詢/響應(yīng)的業(yè)務(wù)（Query－driven）:用戶通過發(fā)送查詢請求到監(jiān)測區(qū)域，監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)之后，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。用FTP來模擬該類業(yè)務(wù)。主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?數(shù)據(jù)收集、車輛GPS定位等。

2）控制命令類

對集控制和監(jiān)控于一起的WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)不僅擁有傳感模塊，還配置了執(zhí)行器模塊，因此可以把控制命令類業(yè)務(wù)使用在帶執(zhí)行器的WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中來進(jìn)行消息的控制。該類業(yè)務(wù)要求時(shí)延較短、低丟包率，如傳感器網(wǎng)絡(luò)中的視頻監(jiān)控，因此可用RealAudio模擬其業(yè)務(wù)到達(dá)過程。主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?視頻監(jiān)控、交通監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)控等，如表1所示。

表1 業(yè)務(wù)分類

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分類

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

針對WSN網(wǎng)絡(luò)模擬，本文選擇采用NS2來進(jìn)行具體的WSN網(wǎng)絡(luò)仿真。因?yàn)镹S2已經(jīng)預(yù)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(shí)例，此外，還有鏈路、隊(duì)列、分組、節(jié)點(diǎn)等豐富的構(gòu)件庫，其源代碼是完全開源的，功能全面，能夠應(yīng)用于WSN網(wǎng)絡(luò)中各種環(huán)境的模擬仿真。

針對以上，本文的WSN網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)（如圖3所示）分為3部分:WSN網(wǎng)絡(luò)場景參數(shù)設(shè)置、WSN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和WSN網(wǎng)絡(luò)性能分析。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

WSN網(wǎng)絡(luò)場景參數(shù)設(shè)置:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K、業(yè)務(wù)分類模塊、流量參數(shù)模塊和協(xié)議模塊。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)模塊主要是傳感器節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生成和WSN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建;業(yè)務(wù)分類模塊對業(yè)務(wù)進(jìn)行分類區(qū)別，為節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)優(yōu)先級配置提供服務(wù);流量模塊是模擬并生成不同類型的業(yè)務(wù)流量;而協(xié)議模塊為傳輸協(xié)議、路由協(xié)議［3］和 MAC 協(xié)議［8－9］，主要是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)置，其中傳輸協(xié)議與業(yè)務(wù)流的產(chǎn)生直接相關(guān)。

WSN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行:通過編寫Tcl腳本提交網(wǎng)絡(luò)模擬所需要的相應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)議和業(yè)務(wù)的參數(shù)配置，調(diào)用NS模擬器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)行生成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)湮募?。等到WSN網(wǎng)絡(luò)仿真運(yùn)行完之后，下一個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)性能分析模塊部分開始工作，此時(shí)便可以分析前面所搭建的WSN網(wǎng)絡(luò)的各種性能。

WSN網(wǎng)絡(luò)性能分析:動態(tài)顯示和靜態(tài)分析模塊。動態(tài)顯示模塊可以通過使用Nam工具動態(tài)地演示W(wǎng)SN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的全過程;靜態(tài)分析模塊就是在WSN網(wǎng)絡(luò)仿真完成之后，對WSN網(wǎng)絡(luò)的一些網(wǎng)絡(luò)性能（能耗、延時(shí)和吞吐量）進(jìn)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(huán)境

在本文模型中，各發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同業(yè)務(wù)流至目的端Sink節(jié)點(diǎn)0，星型拓?fù)浜蛯Φ韧負(fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為9個(gè)和13個(gè)。具體參數(shù)如表2所示。下面根據(jù)NS2中流量模型為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)配置仿真所需要的業(yè)務(wù)模型。

在NS2中，根據(jù)業(yè)務(wù)流產(chǎn)生的概率模型不同，UDP實(shí)現(xiàn)了多種流量產(chǎn)生器，分為2類:Pareto分布流量產(chǎn)生器的on、off狀態(tài)符合指數(shù)分布，在on狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)流符合Pareto分布，能產(chǎn)生一種長時(shí)間相關(guān)的急劇通信量，用于生成事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)（Event－driven）;固定比特流量產(chǎn)生器按照一個(gè)固定的速率產(chǎn)生業(yè)務(wù)流，分組的長度為一常數(shù)，可以選擇需要時(shí)對分組發(fā)送的時(shí)間間隔產(chǎn)生隨機(jī)抖動，用于產(chǎn)生周期觸發(fā)的業(yè)務(wù)（Period－driven）。

表2 仿真參數(shù)表

建立在TCP代理之上的業(yè)務(wù)流產(chǎn)生器分為2類:FTP應(yīng)用模擬器，用于模擬查詢—響應(yīng)的業(yè)務(wù)（Query－driven）;realaudio是對視頻類的模擬，發(fā)送數(shù)據(jù)的大小是隨機(jī)的，具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，用來模擬控制類業(yè)務(wù)。

為比較各類業(yè)務(wù)的性能，在參數(shù)配置中，將各類業(yè)務(wù)分組包的大小統(tǒng)一設(shè)置成210 byte，發(fā)包間隔統(tǒng)一設(shè)置為0.03 s。考慮到realaudio流量模型自身發(fā)包數(shù)量稍大的特點(diǎn)，將控制類消息的發(fā)包大小設(shè)為240 byte。

為了仿真繪圖方便，對前面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分類進(jìn)行重命名，事件觸發(fā)類、周期觸發(fā)類、查詢—響應(yīng)類和控制類分別標(biāo)記為Event_driven、Period_driven、Req_Rep和Control。對于每一種業(yè)務(wù)的流量模型，還有其特有的成員變量，如表3中的burst_time（突發(fā)時(shí)間）表示流量產(chǎn)生器的平均開放時(shí)間;idle_time（空閑時(shí)間）表示流量產(chǎn)生器的平均關(guān)閉時(shí)間;window（滑動窗口）是tcp用來控制發(fā)送的數(shù)據(jù)包速率，發(fā)送方每次只能發(fā)送該滑動窗口數(shù)量的數(shù)據(jù)包。

表3 業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)置

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用9節(jié)點(diǎn)進(jìn)行2跳路由的WSN網(wǎng)絡(luò)仿真，節(jié)點(diǎn)0為中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，即為Sink節(jié)點(diǎn)。星型網(wǎng)絡(luò)的7、8、9、10、11、12 節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)為1、2、3、4、5、6 節(jié)點(diǎn)如圖4 所示;各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間不能通信，只發(fā)送業(yè)務(wù)到Sink節(jié)點(diǎn)，因此采用DSDV路由協(xié)議。對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用16節(jié)點(diǎn)進(jìn)行WSN網(wǎng)絡(luò)仿真，0節(jié)點(diǎn)為Sink節(jié)點(diǎn)，2、3、9、10、14、15 節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)如圖5 所示。在對等網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各節(jié)點(diǎn)具有相同的通信能力，當(dāng)各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送業(yè)務(wù)到目的Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以經(jīng)其鄰近的節(jié)點(diǎn)逐層轉(zhuǎn)發(fā)，因此采用AODV路由協(xié)議。

圖4 星型網(wǎng)nam流圖

圖5 對等網(wǎng)nam流圖

在圖4和圖5中，為標(biāo)識出各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)的類型，采用虛線將發(fā)送相同業(yè)務(wù)類型信息流的節(jié)點(diǎn)連接起來。如圖4中，節(jié)點(diǎn)5、1、0在同一條虛線上，表示節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)1都發(fā)送了poisson類業(yè)務(wù)至目的節(jié)點(diǎn)0;圖5中，節(jié)點(diǎn)9、4、0連在同一條虛線上，表示節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)4都發(fā)送了realaudio類業(yè)務(wù)至節(jié)點(diǎn)0等。

如今電子商務(wù)的發(fā)展已越發(fā)成熟，隨著大數(shù)據(jù)和科技的不斷更新，電子商務(wù)的負(fù)外部效應(yīng)已經(jīng)得到了改善。本文通過論述電子商務(wù)治理的多中心協(xié)同模式為電商的長期穩(wěn)定提供一個(gè)邏輯框架，在中國特殊的情境下，政府主導(dǎo)型的治理模式在逐漸向多主體治理模式轉(zhuǎn)變，但不可否認(rèn)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(dān)著軸中心的作用，通過協(xié)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(biāo)

對仿真結(jié)果進(jìn)行性能分析。包括計(jì)算延時(shí)、吞吐量和能耗性能指標(biāo)。

1）平均端到端時(shí)延

端到端時(shí)延，表示數(shù)據(jù)包從源端節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送到目的端節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。平均端到端時(shí)延是各個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)延之和除以總共接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，其中，PacketNum表示接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù);PacketReceiveTime和PacketSendTime分別表示數(shù)據(jù)包的接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間。公式為

2）平均吞吐量

平均吞吐量表示網(wǎng)絡(luò)中各類業(yè)務(wù)流在給定時(shí)間段內(nèi)所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，用一個(gè)時(shí)間段內(nèi)總共接收的數(shù)據(jù)包除以該段時(shí)間。其中，PacketSize表示發(fā)送的分組大小，單位為Byte，PacketNum表示統(tǒng)計(jì)接收的分組包個(gè)數(shù);FirstStartTime和EndTime分別表示第一個(gè)分組包和最后一個(gè)分組包的時(shí)間，即

其中，分母表示在仿真過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，分子表示傳輸這些數(shù)據(jù)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?yàn)樵撃芰恐捣浅Ｐ?，接?～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(jié)果分析

1）端到端時(shí)延

圖6和圖7中，橫坐標(biāo)表示仿真持續(xù)時(shí)間，縱坐標(biāo)表示平均時(shí)延。

圖6 星型網(wǎng)時(shí)延圖

3）能耗

計(jì)算公式為

圖7 對等網(wǎng)時(shí)延圖

從兩圖的比較可以看出，各類業(yè)務(wù)在星型網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延小于對等網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延，因?yàn)樾切途W(wǎng)采用DSR路由建立連接，在同一直線上的節(jié)點(diǎn)才能通信（如圖4所示）;而對等網(wǎng)絡(luò)采用AODV路由建立連接，任意相鄰節(jié)點(diǎn)間都可以通信;對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中可能經(jīng)過更多的跳數(shù)，查看了仿真結(jié)果文件中具體的數(shù)據(jù)流路徑，在星形網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)4是直接發(fā)到Sink節(jié)點(diǎn)0，而在對等網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)4發(fā)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(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)競爭信道，但不同業(yè)務(wù)獲得的時(shí)延不同。這和各類業(yè)務(wù)流量模型中的特定配置有關(guān)。在整個(gè)發(fā)包過程中，流量產(chǎn)生器開放的時(shí)間（burst_time）越長，產(chǎn)生流量越多，在接口（ifqlen）大小一定的情況下，需要經(jīng)過較長的時(shí)間才能傳輸完畢，因而時(shí)延越大。由于周期觸發(fā)類業(yè)務(wù)沒有流量產(chǎn)生器突發(fā)時(shí)間的限制，其時(shí)延最長，其次是控制類業(yè)務(wù)（Control）和事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)（Event_driven），控制類業(yè)務(wù)的流量模型產(chǎn)生器產(chǎn)生流量持續(xù)時(shí)間burst_time大于事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)的burst_time，因而時(shí)延較事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)長;在查詢—響應(yīng)類業(yè)務(wù)（Req_Rep）的流量模型中沒有突發(fā)時(shí)間（burst_time）和空閑時(shí)間（idle_time）限制，其時(shí)延最低，是因?yàn)樵摿髁磕Ｐ椭刑赜谐蓡T對象window（滑動窗口）值的存在，限定了數(shù)據(jù)包的發(fā)送量，較少量的業(yè)務(wù)流需要傳輸?shù)臅r(shí)間較短。另外，由于周期觸發(fā)類業(yè)務(wù)（Period_driven）的流量大，發(fā)生碰撞的機(jī)會多，因而時(shí)延抖動最大，查詢—響應(yīng)類業(yè)務(wù)（Req_Rep）的抖動低，因?yàn)槠錁I(yè)務(wù)量小。

2）吞吐量分析

從圖8和圖9可以看出，盡管各類業(yè)務(wù)發(fā)送的分組包大小和間隔基本相同，但不同業(yè)務(wù)獲得的吞吐量不一樣。這是由各類業(yè)務(wù)流量模型中特有成員對象（如表3）決定的。周期觸發(fā)類業(yè)務(wù)和查詢—響應(yīng)類業(yè)務(wù)的流量模型中都沒有空閑時(shí)間（idle_time）的限定，它們在星形網(wǎng)和對等網(wǎng)中的吞吐量較高，其中，因?yàn)椴樵儭憫?yīng)類業(yè)務(wù)由于受到滑動窗口的限制，其吞吐量低于周期觸發(fā)類業(yè)務(wù)。星形網(wǎng)和對等網(wǎng)中控制類業(yè)務(wù)（Control）吞吐量最低，其次是事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)（Event_driven），因?yàn)榭刂祁悩I(yè)務(wù)的流量產(chǎn)生器空閑時(shí)間（idle_time）為0.5 s，遠(yuǎn)大于事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)的空閑時(shí)間0.029 s。

3）能量分析

圖8 星型網(wǎng)吞吐量圖

圖9 對等網(wǎng)吞吐量圖

圖10和圖11分別為星型網(wǎng)絡(luò)和對等網(wǎng)絡(luò)中，各類業(yè)務(wù)單位千比特信息流的能量消耗。兩種拓?fù)渲校芷谟|發(fā)類業(yè)務(wù)的單位千比特信息流能耗最低，查詢—響應(yīng)類業(yè)務(wù)（Req_Rep）的能量消耗稍高于周期觸發(fā)類業(yè)務(wù)，然后是事件觸發(fā)類業(yè)務(wù)，控制類業(yè)務(wù)（Control）的單位千比特信息流能耗最大。根據(jù)4.3節(jié)的能耗計(jì)算公式，在總能量一定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(fā)業(yè)務(wù)單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中，所有業(yè)務(wù)單位千比特信息流在單位時(shí)間消耗的能量為0.000 834 J/kbit（焦耳每千比特）;而在對等網(wǎng)絡(luò)中，所有單位千比特信息流在單位時(shí)間消耗的能量為0.000 846 J/kbit。因?yàn)樾切途W(wǎng)絡(luò)大部分功能集中在中心Sink節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)因功能簡單而相比對等網(wǎng)絡(luò)的耗能低。

圖10 星型網(wǎng)能量圖

圖11 對等網(wǎng)能量圖

5 小結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是涉及多學(xué)科的研究領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真需求分析、協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)分類的基礎(chǔ)上，使用網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2建立了相應(yīng)的對等和星型兩種拓?fù)鋀SN網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，并對WSN網(wǎng)絡(luò)的能耗、吞吐量和時(shí)延這3個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)分析，從仿真結(jié)果來看，使用NS2仿真器可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多種不同業(yè)務(wù)共存下的網(wǎng)絡(luò)性能仿真。各類業(yè)務(wù)的時(shí)延、吞吐量和能耗性能與自身流量模型所特有參數(shù)配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議參數(shù)有關(guān)。

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白 鶴（1982— ），工程師，主研信號與信息處理;

李明齊（1971— ），研究生導(dǎo)師，主研通信與信息系統(tǒng)

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(xiàn)信息】彭緋，萬越輝，白鶴，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)仿真平臺的實(shí)現(xiàn)方案［J］.電視技術(shù)，2014，38（1）.

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA06000000）;國家廣播電影電視總局科研項(xiàng)目（2011－28）;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61102009）

彭 緋（1900— ），研究生導(dǎo)師，主研網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法;

萬躍輝（1986— ），研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法;

責(zé)任編輯:魏雨博

2012－12－21