大型地震传感器网络仿真平台的实现

论文摘要

石油是重要的战略物资,与国家的经济发展、政治安全和军事安全息息相关,是制约国家发展的重要战略要素。因此,为了保障国家的石油安全,需要减少我国对国外石油资源的依存度,需要建立自己的石油勘探产业链。而石油勘探仪器是这个产业链中的重要一环。目前地震勘探仪器为了满足高分辨率勘探的需求,普遍具有大道数、小道间距、单站单道的特点,其数据传输系统本质上就是一种特殊的分布式传感器网络。传感器网络的系统架构、运行的操作系统、使用的网络协议,以及网络内的分布式数据处理方式都与实际应用紧密相关。而且传感器网络负责感知的实际物理世界也将一定的不确定性引入运行的网络。所以对于传感器网络,需要对实际的应用进行全面的研究,包括使用的操作系统以及协议栈。通常单纯模拟算法或协议是不够的。因为算法往往在网络仿真平台中实现,使用的都是特定的网络仿真平台提供的特性,并没有考虑到运行节点的实际硬件特性和节点上运行的操作系统的特性。由于忽略了这些与应用紧密相关的因素,在网络仿真平台中很难模拟与操作系统或硬件紧密相关的特性,尤其是中断处理、任务调度、内存管理这些基本的底层功能,而这些基本功能极大地影响了节点的行为与效率。所以,有时候网络平台上行得通的算法或协议,在实际节点中的运行效果并不理想,不利于整个系统仿真的完整性与逼真度。而且由于网络仿真平台本身和实际系统的差异性,导致了算法或协议在仿真研究过程结束之后,必须结合实际的应用重新实现,不利于代码的重用,加长了开发周期与代码维护的工作量。研究人员不得不在对算法或协议进行改动之后,在不同的平台上都实施一次同样的改动。受到实际节点的软硬件平台的限制,同样的目的往往需要使用不同的方法。尤其对于传感器网络协议跨层设计的应用,要求可以直接操作底层硬件,以便高效率地完成数据的传输。这使得与硬件平台紧密相关的部分除了算法思想,具体实现几乎与网络仿真器中的实现完全不同,不利于代码的复用。基于以上考虑,本文使用多线程模拟多任务,信号模拟硬件中断的方法实现了FreeRTOS模拟器,并将FreeRTOS模拟器与网络仿真器集成,构成了网络仿真平台。在兼顾网络仿真器本身具有的扩展性的基础上,弥补了单纯使用网络仿真器的不足,对传统网络仿真平台的完整性、逼真度以及代码的复用性方面进行了增强。本论文以大型地震传感器网络仿真平台的研究和实现为核心,总体分为六大部分:绪论、高分辨率地震勘探、地震传感器网络、多任务嵌入式OS模拟器的实现、FreeRTOS模拟器与网络仿真平台的集成、总结与展望。第1章作为绪论,介绍了油气勘探的方法,地震勘探仪器的发展历史,以及当前地震勘探仪器用于数据传输的几种拓扑结构。结合当前第五代和第六代地震勘探仪器使用的网络结构,给出了地震传感器网络的概念,并简要讨论了网络的研究方法,以及采用仿真方法研究网络时,网络仿真器应该满足的特性。为了克服当前网络仿真的不足,提出了论文的研究内容。第2章从理论的角度讨论了地震分辨率的概念,不同的分辨率标准,分辨率的定量计算方法,以及各种影响分辨率和地震传感器网络规模的因素。本章也简要介绍了一些高分辨率地震勘探的方法,并定量计算了这些方法对道间距的需求。最后,讨论了这些地震勘探方法对地震勘探仪器的影响,以及地震勘探仪器的平均道数和数据传输方式的发展趋势。第3章讨论了地震传感器网络的特点和设计时需要注意的问题,并简要介绍了当前已经存在的很多用于传感器网络的路由算法和协议的跨层设计方法。本章还讨论了目前第五代和第六代地震仪器系统采用的数据传输方式,并给出了使用这些数据传输方式的代表仪器实例。在现有无线技术的基础上,结合全无线地震勘探系统需要满足的特性,讨论了一种可能的全无线地震勘探仪器,即全无线地震传感器网络的结构和使用的技术路线。最后指出,适用于地震传感器网络的算法或协议的研究,以及地震传感器网络新结构的研究,都需要结合网络仿真的方法。第4章主要研究用于大型地震传感器网络仿真平台的嵌入式操作系统模拟器的设计与实现。本章在讨论了适用于仿真平台的嵌入式操作系统的特点及需求的基础上,介绍了适用于仿真平台的FreeRTOS系统,及FreeRTOS模拟器在系统中所处的层次。在比较了不同的嵌入式操作系统模拟的实现方式之后,选择了使用进程模拟的方式。采用线程模拟任务,信号模拟中断实现了FreeRTOS核心的模拟。采用异步I/O和层次化的设计实现了硬件外设的模拟。这种设计方法还适用于其它轻量级多任务嵌入式操作系统的模拟。最终实现的FreeRTOS模拟器基本系统只消耗了120KB的内存,平均每个测试任务消耗了10KB左右的内存。这样对一个代表地震传感器网络节点运行的FreeRTOS模拟器,若运行有4个用户任务,只需要消耗不到200KB的内存。第5章主要讨论将FreeRTOS模拟器与网络仿真器集成的方法。在比较了不同的网络仿真器后,综合考虑了网络仿真器应具有的特性,选择ns-3作为仿真平台的网络仿真器。使用了同步点完成ns-3与FreeRTOS模拟器的同步和数据交换,并给出了真实仿真系统的三个基本条件。采用了网格状的拓扑结构,泛洪的方式对仿真平台进行了测试。测试结果表明,对于运行FreeRTOS模拟器的仿真网络,仿真1000个节点时,大约使用了170MB的内存。第6章是整篇论文的总结与展望。归纳总结了采用的技术路线及工作成果,阐述了论文的创新点,提出了未来工作的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 油气勘探方法
• 1.2.1 勘探方法
• 1.2.1.1 地质法
• 1.2.1.2 物探方法
• 1.2.1.3 钻探法
• 1.2.2 地震勘探方法
• 1.3 油气勘探仪器发展历史
• 1.3.1 模拟光点记录地震仪
• 1.3.2 模拟磁带记录地震仪
• 1.3.3 数字磁带记录地震仪
• 1.3.4 早期遥测地震仪
• 1.3.5 24 位遥测地震仪
• 1.3.6 全数字遥测地震仪
• 1.4 地震勘探仪器的拓扑结构
• 1.4.1 流水线结构
• 1.4.2 总线结构
• 1.4.3 网络结构
• 1.5 地震传感器网络
• 1.5.1 地震传感器网络的基本结构
• 1.5.2 地震传感器网络的研究方法
• 1.5.2.1 分析法
• 1.5.2.2 实验法
• 1.5.2.3 仿真法
• 1.5.3 网络仿真工具应满足的特性
• 1.6 主要研究内容
• 1.7 论文的结构安排
• 第2章 高分辨率地震勘探
• 2.1 地震分辨率
• 2.1.1 地震分辨率定义
• 2.1.2 横向分辨率
• 2.1.3 纵向分辨率
• 2.1.3.1 Widess 准则
• 2.1.3.2 Rayleigh 准则
• 2.1.3.3 Ricker 准则
• 2.1.4 纵向分辨率的定量计算公式
• 2.2 影响地震传感器网络的因素
• 2.2.1 覆盖次数的选择
• 2.2.2 道间距的选择
• 2.2.2.1 最小道间距
• 2.2.2.2 最大道间距
• 2.2.3 排列长度
• 2.2.4 仪器的道数
• 2.3 高分辨率地震勘探方法
• 2.3.1 高密度地震采集技术
• 2.3.2 AVO 技术
• 2.3.3 宽方位角三维地震技术
• 2.3.4 广角反射波勘探技术
• 2.3.5 横波地震勘探
• 2.3.6 多波多分量地震勘探
• 2.4 高密度采集对地震勘探仪器的影响
• 2.5 小结
• 第3章 地震传感器网络
• 3.1 地震传感器网络的特点
• 3.2 地震传感器网络需要注意的问题
• 3.2.1 高效、可靠的媒体接入控制协议
• 3.2.2 可靠的路由算法
• 3.2.3 跨层优化设计
• 3.2.4 能量问题
• 3.3 地震传感器网络的数据传输方式
• 3.3.1 有线数据传输方式
• 3.3.2 无线数据传输方式
• 3.3.3 有线/无线混合传输
• 3.3.4 存储式数据回收
• 3.4 全无线地震传感器网络
• 3.4.1 全无线地震传感器网络需要满足的的特性
• 3.4.2 短程无线传输技术
• 3.4.3 远程无线传输技术
• 3.4.4 全无线地震传感器网络的混合结构
• 3.4.4.1 全无线地震传感器网络对物理层的要求
• 3.4.4.2 全无线地震传感器网络对MAC 层的要求
• 3.4.4.3 用于无线地震传感器网络的修改的WiMedia MAC
• 3.5 小结
• 第4章 多任务嵌入式 OS 模拟器的实现
• 4.1 OS 的模拟方法
• 4.1.1 虚拟机技术
• 4.1.1.1 进程级虚拟机
• 4.1.1.2 系统级虚拟机
• 4.1.2 调试技术
• 4.2 用于地震传感器网络仿真平台的嵌入式OS 的特点及需求
• 4.3 FreeRTOS 简介
• 4.3.1 任务管理
• 4.3.2 任务间通讯和同步
• 4.3.3 内存管理
• 4.4 嵌入式OS 模拟器的层次
• 4.5 嵌入式OS 多任务的模拟
• 4.5.1 用户空间单进程模拟多任务
• 4.5.2 POSIX 线程模拟多任务
• 4.5.3 任务模拟方法的比较
• 4.6 FreeRTOS 模拟器的基本策略
• 4.6.1 任务模拟策略
• 4.6.2 中断模拟策略
• 4.6.3 原子性、顺序性保证策略
• 4.6.4 模拟器内部请求处理方式
• 4.6.4.1 基本请求
• 4.6.4.2 管理请求
• 4.7 FreeRTOS 模拟器的中断管理
• 4.8 FreeRTOS 模拟器中断底半部请求和任务请求的同步
• 4.9 FreeRTOS 模拟器的管理线程
• 4.10 FreeRTOS 模拟器的任务管理
• 4.10.1 任务的挂起与激活
• 4.10.2 任务的创建
• 4.10.3 任务的销毁
• 4.11 FreeRTOS 模拟器外设的模拟
• 4.11.1 FreeRTOS 模拟器的系统时钟
• 4.11.2 FreeRTOS 模拟器的其它外设
• 4.11.2.1 支持异步消息通知的方式
• 4.11.2.2 AIO 层
• 4.11.2.3 AIO Unix 套接字层
• 4.11.2.4 设备层
• 4.11.2.5 网络设备
• 4.12 FreeRTOS 模拟器的结构
• 4.13 FreeRTOS 模拟器的测试
• 4.14 小结
• 第5章 FreeRTOS 模拟器与网络仿真平台的集成
• 5.1 网络仿真平台需满足的特性
• 5.2 相关工作
• 5.3 网络仿真器的比较
• 5.3.1 ns-2
• 5.3.2 ns-3
• 5.3.3 OMNeT++
• 5.3.4 JiST
• 5.3.5 SimPy
• 5.3.6 网络仿真器性能的比较
• 5.3.6.1 测试方法
• 5.3.6.2 一致性测试
• 5.3.6.3 性能比较
• 5.3.6.4 网络仿真器的选择
• 5.4 ns-3 简介
• 5.4.1 ns-3 的特点
• 5.4.2 ns-3 中关键的抽象
• 5.5 FreeRTOS 与ns-3 的集成
• 5.5.1 基本策略
• 5.5.2 ns-3 和FreeRTOS 模拟器的同步
• 5.5.2.1 同步信号
• 5.5.2.2 同步点
• 5.5.3 ns-3 和FreeRTOS 模拟器间的数据传输
• 5.5.4 节点的启动
• 5.5.5 节点的销毁
• 5.6 仿真平台的测试
• 5.7 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与参与的科研项目