羅訓(xùn)　王榮

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無(wú)線技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，而在無(wú)線技術(shù)中，無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)[1]又是一個(gè)廣受歡迎的技術(shù)，例如Zigbee技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等。當(dāng)面對(duì)特定環(huán)境和特定需求需要開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)或無(wú)線廣播算法時(shí)，如何測(cè)試評(píng)估網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法的性能和可靠性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

如果直接購(gòu)買或者開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)地部署測(cè)試，不僅成本高昂、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還需要考慮硬件故障、環(huán)境因素、實(shí)地部署時(shí)供電功耗、維護(hù)等很多問(wèn)題，偏離了實(shí)驗(yàn)重心，不能聚焦在需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題上，而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真卻可以避免以上問(wèn)題，研究者只需要重點(diǎn)關(guān)注仿真的性能和結(jié)果來(lái)改進(jìn)協(xié)議或算法即可。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)仿真工作有著不可或缺的作用，占據(jù)重要的地位。

目前大部分的網(wǎng)絡(luò)仿真都是通過(guò)NS-2或OPNET仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這些仿真器也存在一些不足，例如：NS-2仿真器不便于構(gòu)建復(fù)雜的仿真場(chǎng)景；調(diào)試功能受限；體系龐大，使用較為復(fù)雜。OPNET仿真器則運(yùn)行速度慢，仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，且對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的支持較弱[2]。而這其中的某些不足對(duì)于游戲引擎而言，卻恰恰是優(yōu)勢(shì)所在。在文章中，我們介紹了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的自組網(wǎng)仿真技術(shù)。

該方法大體流程是：首先利用3D建模軟件建立實(shí)驗(yàn)所需的各種模型，之后導(dǎo)入游戲引擎，建立自組網(wǎng)仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，然后利用游戲引擎的接口，通過(guò)引擎腳本來(lái)控制仿真流程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：該仿真方法可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)的仿真工作，同時(shí)也通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)論證了該仿真技術(shù)的有效性和可靠性。

1 游戲引擎

1.1 游戲引擎簡(jiǎn)介

通過(guò)分析可知仿真是自組網(wǎng)必不可少的一步，但是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)仿真器的不足，提出了利用游戲引擎來(lái)進(jìn)行仿真的新方法。

游戲引擎是指一些已經(jīng)編寫好的可編輯游戲系統(tǒng)或者一些交互實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件，游戲引擎包括以下系統(tǒng)：渲染引擎、動(dòng)畫制作、物理引擎、碰撞檢測(cè)、系統(tǒng)腳本、引擎動(dòng)畫、粒子系統(tǒng)和場(chǎng)景管理等[3]。

對(duì)于自組網(wǎng)絡(luò)仿真中需要的場(chǎng)景管理、組網(wǎng)動(dòng)畫效果和腳本控制等，游戲引擎正好提供了這些接口，因此使得利用游戲引擎來(lái)進(jìn)行基于虛擬現(xiàn)實(shí)的自組網(wǎng)絡(luò)仿真成為可能。

1.2 游戲引擎優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的仿真器經(jīng)過(guò)對(duì)比，游戲引擎具有以下優(yōu)勢(shì)：

·簡(jiǎn)單易用。游戲引擎提供了整體的框架，根據(jù)游戲引擎所提供的接口，在進(jìn)行自組網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，只需要重點(diǎn)關(guān)注需要解決的問(wèn)題，例如自組網(wǎng)協(xié)議研發(fā)或算法實(shí)現(xiàn)等，然后研發(fā)人員只需要通過(guò)腳本來(lái)控制節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換流程和動(dòng)畫展示等內(nèi)容即可。

·真實(shí)環(huán)境模擬。在之前的無(wú)線仿真技術(shù)中，都是通過(guò)生成隨機(jī)位置，然后根據(jù)研究者配置進(jìn)行模擬仿真。這種仿真的缺點(diǎn)是無(wú)法模擬出具體真實(shí)場(chǎng)景和地理位置對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的影響。在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲引擎中，研究者可以對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行隨意添加更改，包括叢林、河流、山峰和建筑物等，利用這些仿真真實(shí)的環(huán)境，增加了真實(shí)環(huán)境中各種障礙物對(duì)無(wú)線信號(hào)衰減的影響，從而提高了仿真的準(zhǔn)確性。

·可視化效果增強(qiáng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，用戶可以很直觀地看到仿真環(huán)境中無(wú)線信號(hào)的傳播過(guò)程和組網(wǎng)過(guò)程，以及組網(wǎng)是如何受真實(shí)場(chǎng)景影響的，不僅對(duì)于研究者更加容易找出網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題，對(duì)于初學(xué)者而言，這種直觀真實(shí)的可視化效果也更加容易記憶和學(xué)習(xí)。

·清晰的層次結(jié)構(gòu)。游戲引擎中針對(duì)每個(gè)場(chǎng)景、每個(gè)狀態(tài)和場(chǎng)景中的每個(gè)物體都有獨(dú)立的腳本來(lái)控制，因此對(duì)于自組網(wǎng)仿真而言，這種清晰的層次結(jié)構(gòu)可以很輕松地添加新功能或修改已有功能，例如網(wǎng)絡(luò)仿真中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制都是由其獨(dú)立來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，因此無(wú)論是修改功能還是更改流程在該節(jié)點(diǎn)的腳本中都可以很方便實(shí)現(xiàn)，整體控制可以通過(guò)關(guān)卡腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)。

·復(fù)用性高。在游戲引擎中，各個(gè)部件和物體的控制可以在腳本中使用函數(shù)和事件來(lái)實(shí)現(xiàn)，游戲引擎也提供了場(chǎng)景腳本調(diào)用所有物體內(nèi)函數(shù)的功能，大大提高了程序的復(fù)用性；而且可以在場(chǎng)景中生成多個(gè)物體對(duì)象，由同一腳本去控制工作，例如網(wǎng)絡(luò)仿真中根據(jù)配置生成不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作流程完全一致，因此除了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID不同外，其內(nèi)部對(duì)收到的數(shù)據(jù)處理流程完全一樣，因此共用一個(gè)程序文件來(lái)控制即可，完全不需要針對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)編寫。

·消息廣播機(jī)制。在組網(wǎng)過(guò)程中路由建立的基礎(chǔ)就是通過(guò)路由廣播以及路由回應(yīng)來(lái)完成的，而在游戲引擎中也提供了全局消息廣播的機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制，研發(fā)者不需要考慮自己去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的廣播消息處理。

我們選擇了虛幻游戲引擎（簡(jiǎn)稱UE4）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的研究。該游戲引擎除了其強(qiáng)大的各種子系統(tǒng)外，還提供了一個(gè)“所見(jiàn)即所得”的編輯器，在可視化的編輯窗口中，開(kāi)發(fā)人員可以直接對(duì)游戲中的角色、物品道具、角色個(gè)體智能（AI）及光源進(jìn)行自由擺放和屬性控制，并且全部是實(shí)時(shí)渲染，虛幻引擎為了使開(kāi)發(fā)者更好使用，還完全開(kāi)源了其游戲引擎的代碼，開(kāi)發(fā)者可以按照自己的需求開(kāi)發(fā)自己特色的內(nèi)容。

1.3 游戲引擎相關(guān)工作

在此之前，張青和曲洲青[2]等人研究過(guò)基于游戲引擎的力學(xué)仿真方法，同樣是由于力學(xué)實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)成本較高且不易運(yùn)作，傳統(tǒng)仿真方法又存在一些缺點(diǎn)，所以提出了利用游戲引擎來(lái)進(jìn)行仿真的方法[4]；LUO和YU等人提出在網(wǎng)絡(luò)仿真中利用游戲引擎來(lái)增強(qiáng)移動(dòng)模型的研究[5-6]，GODSEY等人[7]則利用游戲引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，這些研究都為文中所提的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的無(wú)線自組網(wǎng)仿真提供了啟發(fā)思路。除此之外，YU-CHEE TSENG和SZE-YAO NI等人在研究關(guān)于移動(dòng)自組網(wǎng)中的廣播風(fēng)暴問(wèn)題時(shí)，利用C++設(shè)計(jì)了一種仿真器，并利用該仿真器仿真了在不同廣播算法下廣播風(fēng)暴的緩解情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析和論證[8]。

在相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，我們利用游戲引擎設(shè)計(jì)無(wú)線自組網(wǎng)仿真器，最后通過(guò)仿真YU-CHEE TSENG[8]論文中完全相同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與YU-CHEE TSENG論文中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果，驗(yàn)證了文章中的仿真器是真實(shí)可靠的。endprint

2 仿真流程實(shí)現(xiàn)方式

無(wú)線仿真遵循網(wǎng)絡(luò)仿真的一般步驟，來(lái)確定無(wú)線自組網(wǎng)整體的仿真流程，包括問(wèn)題定義、建模、模型確認(rèn)、數(shù)據(jù)采集、程序編制、運(yùn)行、結(jié)果展示和最后的驗(yàn)證等環(huán)節(jié)[9]。

我們采用了主從節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)仿真，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)從節(jié)點(diǎn)的地址進(jìn)行輪詢廣播查找，整個(gè)仿真場(chǎng)景的參數(shù)主要有場(chǎng)景大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、信號(hào)傳輸半徑、廣播包大小、傳輸速率、廣播時(shí)間間隔等。

自組網(wǎng)仿真路由協(xié)議采用的是精簡(jiǎn)的按需矢量距離（AODV）[10-11]路由協(xié)議。在其基礎(chǔ)上我們針對(duì)游戲引擎仿真進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，在游戲引擎中先對(duì)優(yōu)化后的路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，主要包括以下幾部分：路由廣播包、路由回應(yīng)包、路由錯(cuò)誤包、路由消息包。除此之外，還定義了場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)物體與其對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)在全局范圍內(nèi)查找某節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸半徑范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)并將路由信息發(fā)送給該接收節(jié)點(diǎn)。當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到路由廣播或路由回應(yīng)后，節(jié)點(diǎn)需要將其存儲(chǔ)至節(jié)點(diǎn)的路由表中，建立路由，因此還需要定義路由表結(jié)構(gòu)。

在該仿真中，場(chǎng)景內(nèi)主要包括以下幾個(gè)部分：（1）范圍盒子，在仿真時(shí)并不可見(jiàn)，主要用來(lái)根據(jù)用戶配置的場(chǎng)景大小來(lái)自動(dòng)變化范圍，初始化后不可改變；（2）主節(jié)點(diǎn)，整個(gè)自組網(wǎng)仿真中路由廣播的發(fā)起者，在輪詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)其內(nèi)的路由表信息來(lái)判斷是否進(jìn)行路由廣播；（3）從節(jié)點(diǎn)，根據(jù)配置信息來(lái)自動(dòng)生成規(guī)定數(shù)量的從節(jié)點(diǎn)，同時(shí)自動(dòng)分配IP。主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的位置是在范圍盒子內(nèi)部隨機(jī)生成，當(dāng)然用戶也可以手動(dòng)調(diào)整其位置。

根據(jù)虛幻UE4的設(shè)計(jì)，場(chǎng)景中的所有物體均可以獲取到游戲狀態(tài)和游戲模式，場(chǎng)景關(guān)卡可以獲取到場(chǎng)景中的所有物體以及其內(nèi)部的屬性、方法函數(shù)和事件等。

據(jù)此可知配置文件的讀取由游戲狀態(tài)來(lái)完成，并存入其中供其他物體來(lái)獲取，所有的節(jié)點(diǎn)都具有發(fā)送消息的功能，因此在游戲狀態(tài)中定義了路由廣播發(fā)送函數(shù)接口、路由回應(yīng)發(fā)送函數(shù)接口、路由錯(cuò)誤發(fā)送函數(shù)接口和路由消息發(fā)送函數(shù)接口，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送相應(yīng)的消息時(shí)，直接通過(guò)調(diào)用游戲狀態(tài)中的相應(yīng)接口即可。相應(yīng)消息的接收函數(shù)仍是由各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，各種發(fā)送函數(shù)接口的具體實(shí)現(xiàn)是在場(chǎng)景關(guān)卡中完成，由于場(chǎng)景關(guān)卡可以獲取到場(chǎng)景內(nèi)的所有物體，因此在場(chǎng)景關(guān)卡中通過(guò)對(duì)傳入?yún)?shù)做解析之后，將需要發(fā)送的消息發(fā)送給各個(gè)對(duì)應(yīng)的物體接收函數(shù)，從而完成了整個(gè)組網(wǎng)過(guò)程。圖1是整個(gè)自組網(wǎng)系統(tǒng)的仿真流程。

最終仿真則效果如圖2和圖3所示，其中圖2為主節(jié)點(diǎn)路由表中沒(méi)有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，進(jìn)行路由廣播，從而引起其信號(hào)半徑范圍內(nèi)的從節(jié)點(diǎn)依次向外中繼轉(zhuǎn)發(fā)廣播，當(dāng)廣播到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或某中繼節(jié)點(diǎn)中擁有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)開(kāi)始回應(yīng)。圖2中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了路由回應(yīng)，其中黑色箭頭表示路由回應(yīng)信號(hào)，右邊紅色的數(shù)字表示在某個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)半徑范圍內(nèi)的可達(dá)節(jié)點(diǎn)。

圖3是在路由建立之后，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由消息給目的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)目的節(jié)點(diǎn)回應(yīng)路由消息給主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸仿真過(guò)程。

3 仿真流程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證

在YU-CHEE TSENG[8]，[12]等人的工作中，利用仿真器進(jìn)行廣播算法的仿真，得到的仿真數(shù)據(jù)通過(guò)平均時(shí)延、節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率和可達(dá)率3方面來(lái)評(píng)估不同廣播算法在不同閾值下的廣播風(fēng)暴緩解情況，然后通過(guò)橫向?qū)Ρ龋o出該廣播算法的最優(yōu)閾值范圍。

評(píng)估觀察的性能指標(biāo)解釋如下：

·可達(dá)率（RE）。接收到廣播消息的主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)與從源主機(jī)直接或間接到達(dá)的所有主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值。

·節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率（SRB）。（r-t）/r，r為接收到的廣播消息的主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)，t為真正發(fā)送消息的主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

·平均時(shí)延。從廣播開(kāi)始到最后主機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)束轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間間隔。

我們利用本次設(shè)計(jì)的基于游戲引擎的仿真器通過(guò)完全相同的仿真環(huán)境配置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)結(jié)果與其進(jìn)行比較，仿真環(huán)境配置是：節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)傳輸半徑為500 m，然后生成100的主機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，范圍大小有1 x 1、3 x 3、5 x 5、7 x 7、9 x 9、11 x 11單元大小，每個(gè)單元的長(zhǎng)度是500 m（即信號(hào)傳輸半徑）；然后則通過(guò)仿真概率廣播算法[4]和計(jì)數(shù)廣播算法[4-5]獲得數(shù)據(jù)作圖對(duì)比，其中每次仿真執(zhí)行10 000個(gè)廣播請(qǐng)求。

3.1 概率廣播算法仿真

概率廣播算法是指當(dāng)一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)收到路由廣播消息時(shí)，該主機(jī)會(huì)以概率P進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)概率P是1時(shí)，該算法等同于泛洪廣播[8]，[13]。

圖4為通過(guò)本文中的仿真器仿真結(jié)果，統(tǒng)計(jì)在不同場(chǎng)景大小時(shí)，不同的轉(zhuǎn)發(fā)概率P條件下的節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率；圖5是可達(dá)率；圖6是平均時(shí)延。通過(guò)與YU-CHEE TSENG的論文中的數(shù)據(jù)對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果相差不超過(guò)1%。

3.2 計(jì)數(shù)廣播算法仿真

計(jì)數(shù)廣播算法是指當(dāng)一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)收到路由廣播時(shí)，在該主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)廣播之前會(huì)由于解析數(shù)據(jù)重新打包廣播包退避時(shí)間，忙碌或者處理其他隊(duì)列消息等而等待一段時(shí)間。在該段時(shí)間內(nèi)，該主機(jī)有可能再一次監(jiān)測(cè)到相同的路由廣播，因此通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器k來(lái)統(tǒng)計(jì)該主機(jī)收到相同路由廣播包的次數(shù)，當(dāng)該次數(shù)k超過(guò)計(jì)數(shù)閾值C時(shí)，該主機(jī)取消轉(zhuǎn)發(fā)廣播。

圖7為通過(guò)文中所提的仿真器仿真結(jié)果，統(tǒng)計(jì)在不同場(chǎng)景大小時(shí)，不同的計(jì)數(shù)閾值C條件下的節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率；圖8是可達(dá)率；圖9是平均時(shí)延。通過(guò)與YU-CHEE TSENG的論文中的數(shù)據(jù)對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果相差不超過(guò)1%。

因此，通過(guò)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比，可以證明本論文中的在游戲引擎中實(shí)現(xiàn)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的無(wú)線自組網(wǎng)仿真技術(shù)是有效可靠的。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章中，我們通過(guò)分析自組網(wǎng)仿真的重要性總結(jié)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真中的一些不足之處，進(jìn)而提出了利用游戲引擎來(lái)進(jìn)行基于虛擬現(xiàn)實(shí)的自組網(wǎng)仿真的方法。之后通過(guò)UE4游戲引擎實(shí)現(xiàn)了該自組網(wǎng)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)仿真功能，同時(shí)利用該仿真器通過(guò)對(duì)兩種廣播算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，與前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，驗(yàn)證了該基于虛擬現(xiàn)實(shí)的無(wú)線自組網(wǎng)仿真技術(shù)的可行性，研究也達(dá)到了預(yù)期的效果。endprint

我們相信在之后的發(fā)展過(guò)程中，利用游戲引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中去，并且更加簡(jiǎn)單和方便地為研究者提供便利。

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