物联网与无线传感网 12 无线传感器网络的仿真技术

常用的仿真软件-- TOSSIM
1. TinyOS
WSN嵌入式操作系统TinyOS以及编程语言nesC由伯克利分校开发并维护， TinyOS面向组件，基于事情驱动。
一个TinyOS程序可以用组件图表示，每个组件具有私有变量，组件有三个 计算抽象：命令、事件和任务。
命令和事件实现组件间的通信，任务体现了组件间的并行性。命令是组件 的某种服务请求，如初始化传感器读操作；事件是服务请求完成的信号， 事件可以是异步的，如硬件中断或消息的到来。命令和事件不能被阻塞， 命令立即返回，经过一定时间，标志服务请求完成的信号到来。命令和事 情立即执行，而命令和事件的处理程序可以发布任务，任务的执行由 TinyOS调度，这样的机制实现命令和事件立即返回，同时把计算任务发布 出去。
TinyOS是一种无线传感器网络的操作系统，其复杂度和学习难 度比通用型的要大得多
源自文库
常用的仿真软件--OPNET
OPNET是一种优秀的图形化、支持面向对象建模的大型网络仿真软 件，它具有强大的仿真功能，几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网 络技术，能够模拟固有通信模型、无线分组网模型和卫星通信网模型； 同时，OPNET在对网络规划设计和现有网络分析中也表现较为突出。此 外，OPNET还提供交互式的运行调试工具和功能强大、便捷、直观的图 形化结果分析器以及能够实时观测模型动态变化的动态观测器。
常用的仿真软件-- TOSSIM仿真系统结构
仿真软件比较-- OPNET VS NS2
➢ OPNET可以对分组的到达时间分布、分组长度分布、网络节点类 型和链路类型等进行详细的设置，通过不同厂家提供的网络设备 和应用场景来设计自己的仿真环境，用户也可以方便地选择库中 已有的网络拓扑结构；
➢ NS2在这方面的选择不如OPNET丰富，只能根据实际仿真的环境 通过脚本建立逻辑的网络结构，而查看结果则需要其他软件的辅 助。在操作易用性方面，OPNET的优越性是毋庸置疑的，它可以 使用比较少的操作得到较详尽和真实的仿真结果；而NS2则要通 过编写脚本和C++代码来实现网络仿真，而且用这种方式建立复 杂的网络则变得非常困难。
无线传感器网络仿真研究现状与发展
主流的仿真平台分为两种： 1.通用性的仿真平台
主要包括OPNET、NS2和OMNET，其中NS2是一个开源软件，所 有代码都是公开的，OMNET仿真工具容易入门，但对无线传感器网 络传输层来说，OMNET的仿真效果不如其他仿真软件好。 2.基于TinyOS的仿真平台
3）进程建模
进程建模是建模机制的最底层，进程模型使用有效状态机（FSM） 来描述进程的逻辑行为——协议；通过状态转移图（STD）的状态和转移 两个方面来描述模块的行为。
常用的仿真软件– NS-2
NS-2是面向对象、离散事件驱动的网络环境模拟器，它支持众多的协 议，并提供了丰富的测试脚本，主要用于解决网络研究方面的问题，它 本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动。
使用NS2进行网络仿真的方法和一般过程
（1）开始编写OTCL脚本。首先配置模拟网络拓扑结构，此时可以确定链 路的基本特性，如延迟、带宽和丢失策略等。 （2）建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。 （3）配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。 （4）设置Trace文件。NS2通过Trace文件来保存整个模拟过程。在仿真结 束后，用户可以对Trace文件进行分析研究。 （5）编写其他的辅助过程，设定模拟结束时间，至此OTCL脚本编写完成。 （6）用NS2解释执行刚才编写的OTCL脚本。 （7）对Trace文件进行分析，得出有用的数据。 （8）调整配置拓扑结构和业务量模型，重新进行上述模拟过程。
常用的仿真软件--OPNET
2）节点建模
互联进程级对象可形成节点级的设备，每一个节点模型其实就是一 个网络对象（链路除外），它由一个或多个模块（Module）组成，每一 个模块能够生成、发送或从别的模块接收数据包以完成它在节点内的功 能。在节点级，模块都是黑匣子，内部结构对用户不可见，但用户可以 通过配置其属性的方式来控制模块的行为。
常用的仿真软件--OPNET
2．三层建模机制
OPNET Modeler采用三层建模机制，分别是进程域建模、节点域建 模和网络域建模，建模顺序由下到上。下面就简要介绍一下OPNET的建 模机制。
1）网络建模
网络建模是指通过链路将设备互联形成网络级的网络，它需要对网 络有正确的拓扑描述。网络域包括了在其他建模域中定义的所有对象， 因此网络模型描述了整个仿真系统。网络模型包括三个基本对象：子网、 节点和链路。
第十二章 无线传感器网络的仿真技术
第十二章 无线传感器网络的仿真技术
➢网络仿真概述 ➢无线传感器网络仿真研究现状与发展 ➢常用的仿真软件 ➢仿真软件比较
网络仿真概述
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组 成，通过随机自组织无线通信方式形成的网络系统。传感器节点有限 的处理能力、存储能力、通信能力以及能量问题，决定了无线传感器 网络在真实环境大规模部署前，必须对其性能、运行稳定性等因素进 行测试，通过整合网络资源以使网络最优化。
网络仿真概述
WSN的仿真方法必须具备以下五项关键特性： ➢ 可伸缩性 ➢ 完整性 ➢ 可信性 ➢ 桥梁作用 ➢ 具有能量模型
无线传感器网络仿真研究现状与发展
基于无线传感器网络的自身特点，无线传感器网络仿真模拟技术主要 解决完整性、能耗模拟、大规模节点网络、可扩展性、高效性、异构性等 问题。
（1）完整性：无线传感器网络高度的应用相关性，使网络没有严格的层 次划分，要求模拟器必须对节点的执行进行完整模拟。 （2）能耗模拟：要求模拟器能对能量供应源、消耗源进行建模，支持能 量仿真，对能耗有效性进行评价。 （3）大规模节点网络：要求模拟器能同时模拟尽可能多的节点执行情况， 适应大规模网络部署的需要。 （4）可扩展性：模拟器能够根据不同的需要、应用环境进行功能扩展。 （5）高效性：即仿真效率，要求模拟器用较短的时间、较少的内存占用 量实现尽可能大规模的网络模拟。 （6）异构性：传感器节点应该根据目标任务的不同来运行不同的应用， 因此要求模拟器应具备模拟异构网络的功能。