无线传感器网络关键技术及其仿真平台分析

　　由于无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)[1]具有无线网、移动网以及节点的微型性、低成本、低功耗等综合特性，因此对其的研究已成为热点。WSN由大量的同构或异构节点组成，它们能够协作地进行实时监测、感知和采集各种环境对象的数据，通过节点内嵌系统对信息进行处理，然后通过无线网络将相关的信息发送到远端客户，并能接收远端客户指令对环境进行测控。但由于真实实验环境的建立存在诸多限制，如成本高、周期长、效果差等，因此需要一种良好的软件仿真技术来加速无线传感器网络关键技术的研究。但现实中WSN很多功能没有开发出来，也没有与处理大型网络速度相结合的高水平的协议和抽象算法等。无线传感器网络仿真[2]是一种使用软件模拟实际网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输、记录网络运行过程中的各种参数，对不同类型的数据进行统计分析，得出网络性能的评估结果，以便对网络进行设计或优化的仿真技术。目前现有的模拟仿真技术在实现WSN的仿真上存在不少问题。因此，本文在阐述WSN的良好节点模型、结构框架及设计、路由协议、系统实现等方向，并根据WSN的技术特点对主流仿真环境进行系统分析和研究的基础上，提出了WSN仿真的关键指标和重点问题，并预测WSN的发展和研究方向。

　　1 WSN技术特点分析

　　WSN由大量随机布置在检测区域内的传感节点组成，它们能够协同地进行实时监测，感知和采集各种环境对象的数据，通过节点的嵌入式系统和程序对信息进行处理，并通过无线网络将相关的信息发送到客户端。WSN节点检测对象可以是温度、湿度、化学品浓度、振动、压力、光强度、音频信号、微波信号等。但是，由于WSN本身资源的限制(如蓄电能力、处理能力、存储空间及网络协议等)，对以上检测事件，WSN仿真服务质量的操作机制需要做出权衡，如能耗、精确性、响应时间、扩展性、容错性及其他获益质量点等。因此，需要从节点到网络考虑以下几个方面因素：

　　(1)从单纯的传感节点方面看，主要涉及传感节点能耗、存储空间、带宽限制、操作和调试等，其目标主要体现在在现有的硬件资源下，如何从软件设计和功能上做出权衡。
　　
　　(2)从网络规模和网络生成设计方面看，WSN可分单跳和多跳网络。特别针对大规模多跳WSN，传感节点分布的地理区域大、数量大、分布密集，从而导致网络规模庞大而复杂。这是网络生成涉及的技术难点，也是本文主要研究的内容。大规模多跳WSN中有一个特殊节点，称为汇聚(sink)节点或基站，传感器节点通过自组织方式构成网络，测控的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输。在传输过程中测控数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理控制台。其网络拓扑形式、数据检索和处理的不同阶段如图1、图2所示。

　　其中主要涉及网络动态性和可扩展性，如：由于应用环境的复杂性，其拓扑结构可能会出现无线通信链路的变化，导致传感节点通信时断时通，或者节点能耗问题造成传感节点出现故障或失效，或者感知对象的移动、新传感节点的加入或老传感节点删除等。
    
　　(3)从相配套的协议和路由的选择方面看，由于传感节点本身的限制和应用需求，不可能完全采用网络7层协议标准或TCP/IP协议。为了延长整体网络生命期，往往需要对网络协议进行重新定义，特别是在路由和传输层协议设计方面可对减少能耗起到关键作用，因此要求选择数据传输的最短路径。但最短路径的选择本身是NP难问题，特别是在延长网络整体生命期和传输数据最短路径上需要权衡。
    
　　目前各类路由传输算法协议只在某些方面做出优化，其适用场合也会因为应用环境及规模而变化，通用的、达到最好效能的路由和数据融合算法当前并不存在。其仿真技术关注点往往也是偏重某个或某些技术研究。下面对当前几种仿真平台进行分析和研究。

　　2 主流仿真平台分析及研究
    
　　无线传感器网络仿真是评估WSN性能的有效方法之一，其优越性体现在初期应用成本不高，构建好的网络模型可以延续使用，后期投资不断下降。因此，一种好的WSN仿真平台的关键技术研究相当重要。

　　2.1 基于通用网络的仿真平台
    
　　(1)NS2。NS2是由伯克利大学1989年开始开发的一种源代码开放的共享软件，是一种可扩展、可重用、基于离散事件驱动、面向对象的仿真软件[4]。NS2可以用于仿真各种不同的IP网，实现了多播、一些MAC子层协议、网络传输协议(如：TCP/UDP协议)、业务源流量产生器、路由队列管理机制以及路由算法等。其拓扑结构有星型拓扑(单跳)和对等式拓扑(Ad Hoc网络多跳形式)2种，通过编程语言OTCL(具有面向对象特性的TCL脚本程序设计语言)和C++实现。
    
　　(2)OPNET。OPNET是一个强大的、面向对象的、离散事件驱动的通用网络仿真环境。作为一个全面的集成开发环境，在无线传输方面的建模能力涉及仿真研究的各阶段，包括模型设计、仿真、数据搜集和数据分析，所有的无线特性与高层协议模型无缝连接。
    
　　当然，还有其他通用网络环境下的仿真环境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。