无线传感器网络仿真模拟技术比较分析

已有插件 ,如 DadioL ink和 ADCReading,并且可以编写自己的 插件以扩充 TOSSIM 的功能 。 TinyV iz的截图如图 2所示 。
图 1 TOSSIM 体系结构示意图 TOSSIM 包括五个部分 :将 TinyOS程序编译进 TOSSIM 模 拟框架的底层支撑组件 、离散事件队列 、一些重新实现的且由 硬件抽象的 TinyOS组件如时钟 ( Timer) 、可扩展的无线通信和 ADC模型 、外部程序与模拟器交互的通信服务 。它利用 Tiny2 O S程序组件化 和 全 程 序 编 译 的 特 点 直 接 从 组 件 层 次 进 行 模 拟 。模拟器中所运行的代码与在节点中运行的代码基本上相 同 ,只是替换了一些底层组件如 ADC、Clock等 。 TOSSIM 将硬 件中断翻译成离散事件 ,这些离散事件会被放入离散事件队列 等待处理 。 离散事件队列是 TOSSIM 的核心 [1 ] 。每个中断都被模拟 成一个模拟器事件 ( Simulator Event) ,它不同于 TinyOS程序中 的事件 ( TinyOS Event) 。每个模拟器事件都与一个特定的节 点相关联 ,具有一个时间戳 ,并以全局时间的顺序在离散事件 队列中被处理 。模拟器事件会调用硬件抽象组件中的中断处 理程序 ,然后就像在节点上一样 ,中断处理程序会调用 TinyOS 命令 ( Command)并触发 TinyOS事件 。这些 TinyOS事件和命 令会使新的模拟器事件加入离散事件队列 ,从而使整个模拟器 一直向前运行 。 TOSSIM 对节点间的通信只是提供了一个非常简单的模 型 ,并没有考虑节点间的物理距离 、物理信号传输过程中的衰 减与干扰等问题 。其整个网络就是一个有向图 ,每个顶点就是 一个节点 ,每个边都有一个位传输失误率 ,每个节点都有一个 私有的状态域以存储节点从无线信道监听到的信息 。这个有 向图是可以手工配置的 ,位传输失误率也是可以设定的 。但是 TOSSIM 对节点内部的网络协议栈提供了一个非常精确的位级 别的模拟 ,所以可以在 TOSSIM 中模拟 MAC层协议和路由层 协议 。 TOSSIM 提供了一系列的通信服务 ,用来与外部程序交互 。 外部程序可以通过 TCP套接字与 TOSSIM 通信 ,并监测模拟器 的运行 。 TOSSIM 还提供了一个用户图形界面 TinyV iz,用户可 以用它来控制模拟器的运行 ,设置一些模拟器参数 ,手动添加
第 24卷第 3期 2007 年 3 月
计算机应用研究 App lication Research of Computers
Vol. 24, No. 3 M arch 2007
无线传感器网络仿真模拟技术比较分析 3
李长连 1, 2 , 王福豹 1, 2 , 何 戟 1, 2 ,
(1. 西北工业大学 计算机学院 , 陕西 西安 710072; 2. 西北工业大学 宽带网络研究所 , 陕西 西安 710072)
集成了传感器 、微机电系统和网络三大技术而形成的无线 传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术 ,具有十分广阔 的应用前景 。众所周知 ,开发 、调试和验证无线传感器网络程 序是非常困难的 。由于无线传感器网络的特殊性 ,大多数传统 PC机程序的调试手段都不适合无线传感器网络程序 。现在调 试无线传感器网络程序时一般采用的手段包括串口调试 、闪灯 (LED s)调试和模拟器调试 。闪灯调试主要借助节点上的闪灯 设备的颜色变化来观测程序的执行情况 ,如可以设定当某个变 量的值为零时红灯闪烁 ;但是节点上面的闪灯数量有限 ,提供 的信息也比较少 ,无法用它来调试逻辑比较复杂的程序 。串口 调试则是通过串口程序将节点的状态信息返回 PC端 ,它可以 很好地观测与 PC机相连的节点内部的执行逻辑 ;但是对网络 中不与 PC机相连接的节点内部执行情况则一无所知 ,而且节 点中的程序如果发生死锁或崩溃会使得串口以未知的方式失 去反应 。闪灯调试和串口调试都要求必须实际部署大量的节 点 ,而这需要耗费大量的人力 、物力和时间 。模拟器调试则是 在 PC机上模拟程序的执行 ,不需要实际部署节点 ,它可以观 测所有节点的内部执行逻辑 ,而且可以很方便地观察程序的整 体行为 ,具有串口调试和闪灯调试所无法比拟的优势 。当然 , 无线传感器网络的程序相对于传统 PC程序最大的区别就是 程序行为高度依赖于应用环境 。在 PC机上模拟调试的程序 必须在真实的应用环境下作适应性验证 。从无线传感器网络
它是由加州大学伯克利分校的 Philip Levis、Intel研究中心的 Nelson Lee、哈佛大学的 M att W elsh等人合作开发的 ,内嵌在 TinyOS操作系统中 。正如其设计者所宣称的那样 , TOSSIM 是 一个 TinyOS程序模拟器 [1 ] ,因此它的使用受到了许多限制 。 ①只能选用 TinyOS所支持的 M ica系列硬件平台 ; ②只能使用 NC (一种组件化的换句话说 , TOSSIM 其实是一 个代码模拟器 ,只能对整个应用程序进行模拟 。如果想模拟协 议的话 ,必须模拟整个程序 ,只不过将其中的标准协议组件替 换为自己的协议组件 。当然 , TOSSIM 和 TinyOS的捆绑也有很 多优点 : TOSSIM 和 TinyOS命令是集成在一起的 ,提供了一个 统一的界面 ,使用起来很方便 ; TOSSIM 可以直接使用 TinyOS 的工 具 集 , 如 TinyOS 为 TOSSIM 提 供 了 GDB 调 试 功 能 ;
收稿日期 : 2006202221; 修返日期 : 2006204214 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (60472074) ;国防科工委基础科研计划资助项目 ( K1804060127) 作者简介 : 李长连 (19822) ,男 ,河南人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为软件工程 、网络通信及无线传感器网络 ;王福豹 ( 19632) ,男 ,山西运城 人 ,教授 ,博士 ,主要研究方向为计算机网络 、流媒体 、传感器网络 ;何戟 (19812) ,男 ,广西人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为移动计算 、蓝牙通信及无 线传感器网络.
Analysis and Comparison of Simulation Technology in W ireless Sensor Network
L I Chang2lian1, 2 , WAN G Fu2bao1, 2 , HE J i1, 2 ( 1. College of Com pu ter, N orthw estern Polytechnica l U niversity, X i’an S hanxi 710072, Ch ina; 2. Institu te of B roadband N etw ork, N orthw es2 tern Polytechn ica l U n iversity, X i’an Shanxi 710072, China)
图 2 TinyV iz用户界面截图 整体而言 , TOSSIM 是一个不错的无线传感器网络仿真模 拟器 ,尤其对于 TinyOS程序而言 。 TOSSIM 提供的命令操作是 比较简便的 ,而且它提供了许多非常有效的工具 ,如 GDB 调试 工具 、TinyV iz图形界面以及众多的插件支持 。不过它的缺点 也很明显 :它只能用于 TinyOS程序和协议的模拟 ,只适用于同 构网络 (网络中所有的节点运行相同的程序 ) ;所提供的节点 间的通信模型过于简单 ,没有一个有效的能量消耗与估测模 型。
诞生的那一刻起 ,其仿真模拟器开发就一直备受重视 。国外对 于这个领域已经进行了深入的研究 ,提出了不少理论模型 ,并 且已经开发出了一些实用的仿真模拟器 ;国内由于进入该领域 较晚 ,现在还没有具体的成果 。
1 典型仿真模拟器分析
111 TO SS IM TOSSIM 是现在最为流行的无线传感器网络仿真模拟器 ,
112 A vro ra
Avrora也是一个程序模拟器 ,由加州大学洛杉矶分校的 Ben L. Titzer、Jens Palsberg和康奈尔大学的 Daniel K. Lee等 人开发 。Avrora的设计目标是提供一个 AVR 模拟和分析框 架 [2 ] ,它不局限于 TinyOS程序 ,可以模拟所有基于 AVR 指令 集的无线传感器网络程序 。
Avrora是基于 ATEMU 的 。ATEMU 是第一个指令级别的 模拟器 [3 ] ,它可以非常精确地模拟单个节点每个时钟周期的 操作 ,但是不能适应大规模节点 。Avrora一方面与 ATEMU 一 样是一个指令级别的模拟器 ,可以精确到时钟周期 ;另一方面 又可 以 适 应 大 规 模 节 点 , 达 到 接 近 TOSSIM 的 执 行 效 率 。 TOSSIM 和 ATEMU 是用 C语言实现的 , Avrora则完全是用 Java 实现 的 , 所 以 它 具 有 很 好 的 灵 活 性 和 可 移 植 性 。Avrora 和 ATEMU因为模拟机器码而不依赖于具体的语言和操作系统 , 相反 TOSSIM 只能模拟 TinyOS程序 。Avrora的特性可以用以 下公式形象地表示 :
第 3期
李长连等 :无线传感器网络仿真模拟技术比较分析
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TOSSIM 利用了 TinyOS的组件化结构特点简化了自身的实现 机制 ,所以 TOSSIM 自身的代码规模在所有无线传感器网络仿 真模拟器中是最小的 。
无线传感器网络仿真模拟器设计时的一个重要考虑就是 要在适应大规模节点 、高效率和高精度这三者之间取得平衡 。 TOSSIM 的设计思路非常巧妙 ,很好地解决了上述问题 。其体 系结构如图 1所示 。
摘 要 : 分析了仿真模拟技术在无线传感器网络研究领域的重要性 ,对现在比较流行的几种仿真模拟器的应用 背景 、设计思路 、性能优缺点 、使用时应注意的问题等进行了详细的分析 ,归纳总结出一个成熟的无线传感网络 仿真模拟器应该具备的基本功能和特性 ,指出了今后的研究方向 。 关键词 : 无线传感器网络 ; 模拟 ; TOSSIM; Avrora; NS22 中图分类号 : TP393 文献标志码 : A 文章编号 : 100123695 (2007) 0320006204