传感器网络模拟技术的研究与实现

论文摘要

随着传感器节点软硬件技术的不断进步,传感器网络的应用范围也越来越广,新的节点设计和相关通信协议层出不穷。为了使研究人员能够高效、方便地对其研究成果进行验证和分析、有效降低成本,设计和开发灵活、可复用的无线传感器网络模拟器具有很重要的现实意义和应用价值。本文提出了一个可扩展的、面向构件的并发离散事件驱动的无线传感器网络模拟平台H-Sim。该平台的构件具有高可复用性和低耦合度,可以有效解决NS-2等系统中存在的模块之间耦合度过高、调试和使用困难等问题。同时,H-Sim可以在不同粒度上对于传感器节点进行建模,能够模拟具有不同的协议栈和不同硬件结构的节点,从而真正具备实现异构节点混合模拟和跨层模拟的能力。H-Sim采用多线程并发的离散事件驱动的模拟框架,可以有效利用多核处理器资源、增大系统吞吐量。同时,由于拥有相同时间戳的事件可以并发执行,多线程调度的不确定性也使得同一时间产生的多个事件在并发执行过程中可以进行充分的交互,提高了冲突产生的概率,增加了模拟过程的合理性和真实性。此外,H-Sim的基础框架采用了灵活开放且易于扩展的面向构件的架构设计,在有效提高了系统构件的可复用性的同时,还可以实现构件之间的松散耦合,降低了系统使用难度,使开发人员可以很容易地构建含有不同类型节点及拓扑结构的网络的混合模拟环境,从而实现多种通信流量和拓扑的融合。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的体系结构及特点
• 1.2.2 无线传感器网络的应用领域
• 1.2.3 无线传感器网络的关键技术
• 1.3 无线传感器网络模拟技术
• 1.3.1 网络模拟概述
• 1.3.2 无线传感器网络模拟平台研究的价值和意义
• 1.3.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的贡献
• 1.5 论文结构
• 第2章 H-SIM 的基础架构
• 2.1 构件
• 2.1.1 构件的设计原则
• 2.1.2 组合构件
• 2.1.3 构件的运行期动态绑定策略
• 2.2 访问点
• 2.2.1 访问点的消息传递模式
• 2.2.2 访问点的组管理策略
• 2.3 任务的执行者：执行线程
• 2.4 H-SIM 的执行引擎
• 2.4.1 执行引擎任务
• 2.4.2 执行线程管理器
• 2.4.3 阻塞任务队列
• 2.4.4 阻塞执行线程的唤醒队列
• 2.4.5 构件间的逻辑通讯过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 H-SIM 的无线传感器网络模型
• 3.1 能量模型
• 3.1.1 电源模型
• 3.1.2 能耗模型
• 3.2 协议栈模型
• 3.2.1 应用层模型
• 3.2.2 网络层模型
• 3.2.3 Mac 层模型
• 3.3 无线收发器模型
• 3.3.1 无线收发器的基本属性模型
• 3.3.2 无线收发器的传播模型
• 3.4 其他模型
• 3.4.1 无线信道模型
• 3.4.2 传感器模型
• 3.5 消息传递流程
• 3.6 本章小结
• 第4章 H-SIM 的系统实现
• 4.1 H-SIM 的包组织结构
• 4.2 H-SIM 的基础架构的实现
• 4.2.1 构件的实现
• 4.2.2 接入点的实现
• 4.2.3 任务的实现
• 4.2.4 唤醒线程的实现
• 4.2.5 执行线程的实现
• 4.2.6 执行引擎的实现
• 4.2.7 管道的实现
• 4.3 H-SIM 传感器网络模型的实现
• 4.3.1 电源模型的实现
• 4.3.2 协议栈模型的实现
• 4.3.3 无线收发器模型的实现
• 4.3.4 其他模型的实现
• 4.4 H-SIM 的信息监测工具
• 4.5 XML 配置脚本
• 4.5.1 配置脚本标签及其功能
• 4.5.2 利用配置脚本创建模拟场景
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于H-SIM 的传感器网络模拟实验
• 5.1 异构节点模型的构建
• 5.2 异构节点交互模拟场景的构建
• 5.3 线程数量对于模拟进程的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文