无线传感器网络仿真的NS2实现

1、无线传感器网络仿真的NS2实现夏乐音 王秋光（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院 黑龙江 哈尔滨 150040）摘要：本文通过例子，介绍了无线传感器网络仿真的实现。并且结合该实例详细说明了NS2中随机场景的生成和tcl脚本编写方法，以及仿真结果的分析过程。关键词：无线传感器网络；NS2；无线网络仿真The simulation of Wireless Sensor Networks in NS2Xia yueyin WANG qiuguang（Electrical & Electronic Engineering College ,Harbin Univ. Sci. Tech. , H

2、arbin 150040,China）Abstract: According to the example, the simulation of WSNs is implemented based on IEEE802.15.4 protocol. The scene generation in NS2, the method of tcl script compilation and the analysis of the simulation results are introduced in detail, combined with the example. key words: WS

3、Ns；NS2；Wireless Network Simulation1 引言无线传感器网络1（WSNs:Wireless Sensor Networks）是由随机分布的大量传感器节点，以无线自组织的方式构成的网络，以无线短距离、低功耗、多跳的通信方式完成对周边外部环境中的数据采集和监测任务。无线传感器网络已成为军事、商业、学术界的一个研究热点，有十分广阔的应用前景。在无线传感器网技术的研究中，仿真是一种既有效又经济的研究方法。目前的网络仿真工具主要包括两类：一是基于大型网络开发的网络仿真工具，如OPNET、GloMoSim等；二是基于小型网络开发的网络仿真工具，如NS2、COMNET III等

4、。大多数网络仿真工具的价格昂贵2，而本文采用的NS2是一种应用广泛、影响力较大和源代码公开的免费网络模拟软件。2 无线传感器网络的体系结构图1是无线传感器网络的分层结构。MAC层和物理层协议采用的是。3是针对低速无线个人区域网络(LR-WPAN)制定的标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。图1 无线传感器网络的分层结构3 网络仿真软件NS2 NS(Network Simulator)是1989年由美国的LBNL实验室等开发的仿真软件。运行于Windows平台的NS2需要PERL和Cyg

5、win的支持4。NS2是一个可扩展、易配置和可编程的事件驱动网络仿真引擎。底层的仿真引擎由C+编写，同时利用面向对象的OTCL语言作为仿真时命令和配置的接口语言。C+的特点：具有很快的运行速度，但每次改变均需要编译，较为复杂，适合处理繁琐但比较固定的工作。OTCL在运行速度上无法和C+比拟，但相对来说更加灵活，适合用来设计个人的仿真方案。C+和OTCL之间通过TCLCL工具包实现互相调用。为了分析仿真结果，NS2提供了两种基本数据追踪能力：一是跟踪，生成“.nam”和“.tr”文件。能够将每个数据包在任何时刻的状态保存到指定文件中，记录包在队列或链路中丢弃、到达、离开等行为；二是监视，用户有选

6、择地记录自己需要的数据，可利用Gawk、Gnuplot等工具统计发送包、接收包及丢弃包等结果进行分析。 4 仿真过程4.1 仿真场景配置本文的MAC类型采用，路由采用AODV协议。节点移动场景：20个节点，分布 在200m*200m的正方形区域中，每个节点随机选择运动方向和运动速度，最大运动速度为50m/s，场景持续50s，利用setdest工具来完成。流量场景：流量是cbr，20个节点，利用cbrgen流量产生工具来完成5。 仿真步骤1. 编写tcl脚本6，在脚本中定义整个模拟过程，包括网络的拓扑结构以及数据收发过程等内容。# 定义场景参数 set val(mac) Mac/802_15_4

7、 set val(adhocRouting) AODV set val(x)200 # 配置节点的参数$ns_ node-config adhocRouting$val(adhocRouting) #记录模拟过程的跟踪数据set tracefd open example.tr w$ns_ trace-all $tracefdset namtrace open example.nam w$ns_ namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y) # 创建20个移动节点for set i 0 $i < $val(nn) incr i set no

8、de_($i) $ns_ node $i $node_($i) random-motion 0 $god_ new_node $node_($i)$ns_ initial_node_pos $node_($i) 20 # 定义结束过程；proc stop global ns_ tracefd $ns_ flush-trace close $tracefdexec nam example.nam &exit 0 2. 生成.tcl脚本后，就可以用NS2进行模拟了，。打开“.nam”的动画模拟图像，如图2所示。我们可以清楚看到随机分布的20个节点动态的通信过程。执行Monitor工具可以监

9、测节点某时刻的具体动作，如收、发包等。图2 20个节点进行通信 结果分析 nam文件动态地、粗略地描述仿真了过程，同时生成的“.tr”文件详细记录了运行过程，是分析协议运行的重要依据。“.tr”的数据较庞大，抽取其中的一个片断7： r 24.024008193 _19_ MAC - 180 cbr 20 0 13 11 800 - 17:3 19:0 30 19 4 1 1 说明的是：标号为19的节点在秒时收到一个cbr分组，该分组的UID为180，长度20，目标接点的MAC地址为13，原节点的MAC地址为0，IP头的源地址为17节点的3号端口，目的地址为19号节点的0端口，分组的TTL（Ti

10、me To Live）值为30。 编写“”和“cbr-delay.awk”文件，分别用于从跟踪文件中统计MAC层cbr包的丢包和延迟信息8。在“X”窗中输入“gawk f cbr-drop”，得到cbr包在MAC层发送的包总数与丢包率：numberof 。说明发送691个包，丢包率为，丢包率还是比较低的，这主要由WSNs的网络拥塞引起的。输入命令“gawk f cbr-drop”，将输出的结果存到“”中，该文档只显示包的序号、发送时间和该包的传送时间（延迟）文档的部分内容，如下： .延迟时间的单位是毫秒。接着在gnuplot提示符下输入：gnuplot> plot “” using 2:

11、3 with linespoints 绘出横坐标是发送时间（第二列数据），纵坐标是延迟时间（第三列数据），如图3。从图中可以看出延迟比较小，最多不到。对于一个运动的WSNs来说，这个延迟主要是由节点移动，节点间距离变化，以及网络拥塞引起的。图3 MAC层cbr包的传输延迟以上仿真与分析，验证了IEEE802.15.4协议丢包率低，延迟小等适合无线传感器网络的优点。5 结语 本文介绍了用NS2仿真无线传感器网络的过程，通过提取仿真过程信息分析了仿真结果。给出的方法对于无线传感器网络研究人员具有参考价值。参 考 文 献：1 孙利民, 李建中等. 无限传感网络M. 清华大学出版社, 2005：3-252 王永胜, 吴德伟, 刘勇. 基于NS2网络仿真研究J. 计算机仿真2004: 11月3 Tee C, Andrew J, Beng T.An automated palmprint recognition sys-temJ. Image and Vision Computing, 2005, 23(5): 501- 5154 王宇, 赵千川. 用网络仿真软件NS2进行IP网络的仿真J.