无线传感器网络的系统建模与仿真实现

第29卷　第1期系统工程与电子技术

Vol.29　No.12007年1月

Systems Engineering and Electronics J an.2007

文章编号:10012506X (2007)0120092204

收稿日期:2005-11-23;修回日期:2006-01-05

基金项目:中国科学院创新项目基金资助课题(KGCX2_SW_108)

作者简介:姜华(1977-),男,博士研究生,主要研究方向为无线传感器网络。E 2mail :cdmajh @7324b05077232f60ddcca14b

无线传感器网络的系统建模与仿真实现

姜　华,郑春雷,刘海涛

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050)

摘　要:无线传感器网络是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统,能够通过

各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集信息,并通过自组织网络将所感知信息传送到用户终端,具有十分广阔的应用前景。通过对无线传感器网络特点及协议栈的分析,在OPN ET 网络仿真平台上,搭建了基于多跳分簇网络的仿真模型,最后分析了相关仿真结果。

关键词:无线传感器网络;路由协议;多跳算法;仿真模型中图分类号:TP393.17　　　　　文献标识码:A

R esearch of system model and simulation in WSN

J IAN G Hua ,ZH EN G Chun 2lei ,L IU Hai 2tao

(S hanghai I nst.of Microsystems and I nf ormation Technology ,Chinese A cadem y of Sciences ,S hanghai 200050,China )

Abstract :Wireless sensor networks is a network system which includes distributed information collection ,information transmission and information management.WSN can inspect and collect information by integrated microsensor ,and transmit t his information to user t hrough self organization network.There are many applica 2tions in WSN.Though analysis of network characteristics and protocol in WSN ,simulation model about multi 2hop cluster network in OPN ET is implemented.Finally ,t he simulation result s are analyzed.

K eyw ords :wireless sensor networks ;routing protocol ;multihop arit hmetic ;simulation model

0　引　言

无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、通信技术、电源技术等多项技术。这些传感器网络技术可以使人们在任何时间、地点和环境下获得较为详细、可靠的信息,它可广泛应用于诸如国家安全、军事领域、医疗健康、交通管理、环境监测、空间探索、抢险救灾、防恐反恐等领域中

[1]

。

本文针对目前无线传感器网络特点和协议栈的研究,在比较已有的分簇算法基础上,提出并分析了多跳分簇算法,最后,在OPN ET 网络仿真平台上搭建了多跳分簇网络的仿真模型。

1　无线传感器网络特点

无线传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,传感器节点任意散布在被监测区域内,节点以自组织形式构成网络[2],无线传感器网络主要特点如下[3]。

(1)大规模网络

传感器网络的大规模包含两方面含义:①传感节点分布在很大的地理区域内;②是传感节点布设密集,传感节点数量大,从而导致网络规模庞大。

(2)自组织网络

在传感器网络应用中,通常情况下传感节点被布设在没有基础设施的地方。这就要求传感节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

(3)动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为如下因素而改变:环境因素或电能耗尽造成传感节点出现故障或失效;环境条件变化造成无线通信链路的变化,导致传感节点通信时断时通;传感器网络的感知对象的移动性造成网络动态变化;新传感节点的加入或传感节点的删除。

(4)以数据为中心网络

由于传感节点随机布设,构成的传感网络与节点编号之间的关系完全是动态的,没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时,直接将所关心的事件通告给网络,而不是通告给某个确定编号的节点,所以传感器网络是以数据

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为中心的网络。

2　无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈可包括通信协议和网络跨层设计两部分,其中通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、数据管理层和应用层,网络管理平台包括能量管理、任务管理和移动管理[4]。如图1所示的无线传感器网络协议栈的层次图,各层协议和管理平台的功能简述如下

。

图1　无线传感器网络协议栈

通信协议栈各层功能简介如下。

(1)物理层:提供简单的信号调制和无线收发技术;(2)数据链路层:可分为媒体访问控制(MAC )子层和逻辑链路控制()子层。其中MAC 规定了不同的节点如何共享可用的信道资源。LLC 负责数据流的复用、数据帧的检测、分组的确认、优先级排队、差错控制和流量控制等;

(3)网络层:主要负责路由生成和路由选择;(4)数据管理层:主要包括感知数据的采集、存储、查询、分析、挖掘等各种数据管理的分析处理系统,为用户决策提供有效的支持;

(5)应用层:主要是各种传感器网络应用系统的开发,可分为:事件驱动、连续监测、命令模式和混合模式。

无线传感器网络协议栈中除了通信协议外还包括网络管理平台。它主要包括三个管理平台,各平台功能如下所述。

(1)能量管理平台:主要管理传感节点的状态并协调合理利用能源;

(2)任务管理平台:在一个给定的区域内平衡和调度检测任务;

(3)移动管理平台:主要监测传感节点的移动,维护到汇聚节点的路由。

3　多跳分簇算法分析

分簇算法将网络划分成为可以互相连通并覆盖所有节点的多个簇,并在网络结构发生变化时更新簇结构。簇的大小根据节点的传输功率和簇本身的特征(如簇半径)来决定。簇头节点担负数据融合的任务,减少了数据通信量;分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用,适合大规模部

署的网络。

目前,已经出现了大量的分簇算法,例如基于节点ID 的分簇算法、最高节点度分簇算法、最低节点移动性分簇算法、L EACH 算法等。大多数分簇算法主要考虑分簇的形成、分簇结构的调整以及通过动态调整簇头节点以平衡网络的能量消耗,它们一般假定簇头能直接与基站通信。文献[5-6]中提出的基于信道接入的分簇算法在MAC 层需要严格的时间同步,在分簇过程中忽视了传感节点不同身份状态的转换,并没有对分簇结构进行相关调整,导致分簇不合理。文献[7-8]都假定簇头节点能直接与基站通信,没有考虑多跳的情况。

因此,本文提出的多跳分簇算法,不需要严格的全网时间同步,并在分簇建立后对网络结构进行了相关的调整;在网络形成稳定的分簇结构后,簇头与基站的通信中采用多跳路由算法。分簇算法假定通信链路为双向对称链路,并且所有传感节点都能收到基站的广播消息。分簇算法主要分为两个阶段:网络分簇形成和传感数据通信。3.1　网络分簇形成

网络分簇形成可分为分簇建立、维护、调整和取消四个阶段。分簇建立阶段,一个节点如果剩余能量超过规定极限能量值,则试图接入信道来声明自己的是簇头,如果在它的所有邻居节点中最先成功地发送了簇头声明控制消息,那么它将成为簇头,即按照“最先声明优先”的规则来选举簇头。在分簇维护阶段,传感节点如果是成员状态则周期发送HEAR T_BEA T 消息,如果是簇头节点则周期发送HELLO 消息以维持簇结构。分簇调整阶段主要是调整簇成员的归宿和簇头节点间的距离。当成员节点处于多个簇头通信范围内时,它选择加入距离最近的簇头所属的分簇。当两个簇头节点之间的距离小于设定值(d cluster 2threshol d >1/2d tx ,d tx 为节点通信距离)时,删除其中一个分簇。分簇取消阶段主要是传感节点能源即将耗尽时,将发送DISCON 2N ECT 消息以取消分簇结构和分簇调整过程中的簇删除操作。3.2　数据通信阶段

(1)簇内数据通信

通过分簇阶段形成稳定分簇后,各簇的成员节点进入传感数据状态(SENSROR_DA TA )。由簇头节点的HEL 2LO 消息维持分簇,并在簇内实现时间粗同步。成员节点采用TDMA 方式与所属簇头进行数据交互。簇头定期检测所属成员列表,动态更新成员数据。

(2)簇间数据通信

簇头收到所属成员的传感数据后,先作初步的数据融合,然后将新的融合数据通过多跳算法发往基站。

由分簇算法准则知,所有簇头都能收到基站的HEL 2LO 消息,因此簇头可以估计与基站的距离d ,并加入簇头剩余能量e ,通过簇头HELLO 消息广播出去。由于簇头能够收到邻近其他簇头的HELLO 消息,因此可以估计与其他簇头之间的距离c 。如图2所示。

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系统工程与电子技术第29卷

图2　簇头多跳中继传输示意图

假定cluster_1,cluster_2,cluster_3都在cluster_0的通信范围内,cluster_4不在cluster_0的通信范围内,并且能量的消耗与l 2(l 为中继数据传输距离)成正比,其中e threshol d 为簇头节点剩余能量门限,d threshol d 为传感节点通信距离门限。簇头多跳算法简述如下。

(1)在其通信范围内,cluster_0计算与所有其他簇头节点的中继数据传输距离l 2

l 2

=c 2

+d

2

(2)选取最小的中继数据传输距离l 2relay =min (l 21,l 2

2,l 23),并与d 2

0(代表cluster_0直接与基站的数据传输距离)

相比较;

(3)如果l 2relay

relay 对应的簇头作为中继节点;

(4)如果l 2relay ≥d 20,并且d 0≤d threshol d ,则cluster_0直接

与基站进行数据通信;

(5)如果d 0>d threshol d ,则同样选取次小的中继距离l 2relay 对应的簇头作为中继节点。

4　分簇算法的仿真模型

将100个传感器随机布设在1200m ×1000m 的区域,如图3(a )所示,针对OPN ET 仿真工具的特点[8],以下分网络级和节点级介绍仿真模型的实现。

4.1　网络级系统模型

如图3(a )所示,基站沿传感布设区域的边沿移动,

以采集传感网络的数据,网络形成分簇后,簇头实现多跳传输。传感节点标识为sensor _i (0≤i ≤99),并且所有传感节点都有相同的节点模型。网络的分簇结构中,簇头表示为C i (i 为形成簇的编号,即成为簇头的传感节点的标号),成员节点表示为M i (i 为所属簇号),其中进入数据传输状态后,簇头节点标识为CD i (cluster data ),成员节点标识为S D i (sensor data ),基站标识为B S _D (base station data )。4.2　节点级模型

传感器节点在系统仿真模型中只有两种状态:成员状

态和簇头状态。传感器节点的模型及进程对应的协议栈如

图3(b )所示。节点的模型主要由以下进程模块组成。

(1)进程ARP 模块:对应于协议栈中的应用层,主要是对收到的簇内传感节点发送的数据进行初步的数据融合处理,然后组帧形成新的数据发送的路由层,最后发往移动基站;

(2)进程ROU TE 模块:对应于协议栈中的网络层,主要完成多跳分簇算法的实现。其中Member_ROU TE 模块完成网络分簇形成算法,Cluster_ROU TE 模块完成簇间多跳数据传输算法;

(3)进程TASK 模块:对应于协议栈中的任务管理平

台,主要用于平衡和调度检测任务;

(4)进程CSMA 模块:对应于协议栈中的数据链路层,主要实现了簇内网络分簇阶段MAC 协议和簇间数据传输的MAC 协议;

(5)进程TDMA 模块:对应于协议栈中的数据链路层

,主要实现了簇内数据传输阶段的MAC 协议;

图3　无线传感器网络仿真模型

(6)进程P H Y 模块:对应于协议栈中的物理层,主要

完成簇内以及簇间的无线链路物理层功能,管理传感节点

的状态和功率控制;

(7)进程ENERGY 模块:对应于协议栈中的能量管理平台,主要用于管理节点的能量状态,根据节点收发数据的多少

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和处于各个不同状态的时间来相对精确计算节点的剩余能量;

(8)无线信道模块:进程radio_rcv ,radio_xmt 和radio_antenna 模块组成了簇内和簇间传感节点的无线信道模型,其中相关参数如表1所示。其中簇间通信采用了反向开环功率控制,簇头初始功率值为0.01W 。

表1　无线链路的关键参数

信道分类簇内信道簇间信道节点状态成员状态

簇头状态

移动基站

数据率/k 100100100带宽/k 100100100最小频率/M 900600600发射功率/W 0.0010.010.1调制方式bpsk bpsk bpsk 接收灵敏度/dBm -85-87-87通信距离/m 4507504000噪声系数 3.0 3.0 3.0纠错门限1E -0121E -0121E

-012

天线高度/m 0.100.101系统损耗因子

1

1

1

5　仿真分析

在分簇调整阶段,根据簇头间距设定值d cluster 2threshold 来相应的调整分簇结构,使之网络分簇合理化,对应的传感节点的通信距离d tx =450m ,其分簇数目比较结果如图4所示。

图4　分簇数目曲线

从图4中可以看出,随着d cluster 2threshol d 值的增加,网络分簇数目从23个逐渐降低到5个左右,由L EACH 算法[9]

分

析可知,网络分簇数目为网络节点数目的5%～8%为最佳分簇结构,因此,d cluster 2threshol d 应该大于200m 。但是,在d cluster 2threshol d ≥300m 时,网络形成了不稳定的分簇结构,因此,d cluster 2threshol d 的最佳值为250m 。另外,网络失效节点数与簇头间距设定值的关系曲线如图5所示。

由图5可知,随着d cluster 2threshol d

值的增加,网络失效节点出现的时间逐渐后移,并且数目逐渐减小。当d cluster 2threshol d =100m 时,网络仿真在210s 出现失效节点,从图4中也可以看出对应的分簇数目出现波动。同样在d cluster 2threshol d =250m ,网络仿真在300s 时还未出现失效节点,说明此值在所设定之中为最佳。

图5　网络失效节点数曲线

6　结束语

无线传感器网络是涉及多学科的研究领域,具有十分

广阔的应用前景。本文首先分析了无线传感器网络的特点和协议栈,在比较已有的分簇算法基础上,提出并分析了多跳分簇算法。最后,在OPN ET 网络仿真平台上搭建了多跳分簇网络的仿真模型。

本文主要目的是为无线传感器网络的相关仿真提供参考模型,在多跳分簇网络的研究中,网络结构难以控制,分簇存在不合理的情况,在后续的工作中需进一步完善。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z96q.html