OMNeT++中的无线传感器网络建模与仿真

发布时间: 2023-12-20 03:13:41 阅读量: 49 订阅数: 41

无线传感器网络仿真基于Omnet＋＋

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目录第一章无线传感器网络概述 6 概述 6 1.1 NS-2 6 1.2 OPNET 6 1.3 SensorSim 7 1.4 EmStar 7 1.5 GloMoSim 7 1.6 TOSSIM 7 1.7 PowerTOSSIM 8 第二章 OMNET＋＋简介 9 概述 9 2.1 OMNeT++框架 9 2.1.1 OMNeT++组成 9 2.1.2 OMNeT++结构 10 2.2 OMNeT++的安装 11 2.3 OMNeT++语法 12 2.3.1 NED语言 12 2.3.1.1 NED总概述 12 2.3.1.2 Ned描述的组件 13 2.3.1.3函数 15 2.3.2 简单模块 17 2.3.2.1 OMNET＋＋中离散事件 17 2.3.2.2 包传输模型 17 2.3.2.3定义简单模块 18 2.3.2.4 简单模块中的主要成员函数 20 2.3.3 消息 21 2.3.3.1 cMessage类 21 2.3.3.2 消息定义 21 2.3.3.3 消息的收发 22 2.3.4 模块参数、门及连接的访问 23 2.3.4.1消息参数的访问 23 2.3.4.2门和连接的访问 24 2.3.4.3门的传输状态 26 2.3.3.4连接的状态 26 2.4 仿真过程 27 2.5 配置文件omnetpp.ini 28 2.6 结果分析工具 29 2.6.1 矢量描绘工具Plove 29 2.6.2 标量工具Scalar 29 27、结束语 30 第三章物理层仿真（信道） 32 3.1 UWB的基础知识 32 3.1.1 UWB信号的应用背景 32 3.1.2 UWB信号的定义 32 3.1.3 UWB的脉冲生成方式(高斯脉冲,非高斯脉冲) 34 3.1.4 UWB的调制方式 34 3.1.5 用功率控制多址接入方法来进行链路的建立控制 36 3.2 用OMNeT++对UWB进行仿真 37 3.2.1 算法仿真的概述 37 3.2.2 算法的具体流程 39 3.2.3 算法的主要代码 41 3.2.4 仿真结果分析 58 3.2.5 应用前景 58 参考文献 59 第四章 MAC层仿真 60 概述 60 4.1 无线传感器网络MAC层特性及分类 60 4.1.1 无线信道特性 60 4.1.2 MAC 设计特性分析 61 4.1.3 无线传感器网络典型MAC协议的分类 61 4.2 基于随机竞争的MAC协议 62 4.2.1 S-MAC协议[12] 62 4.2.2 T-MAC协议 64 4.2.3 AC-MAC协议 65 4.3 基于时分复用的MAC协议 65 4.3.1 D-MAC协议 65 4.3.2 TRAMA协议 66 4.3.3 AI-LMAC协议 66 4.4 其他类型的MAC协议 67 4.4.1 SMACS/EAR协议 67 4.4.2 基于CDMA技术的MAC协议 67 4.4.3 DCC-MAC 68 4.5 基于OMNeT++的MAC层协议仿真 69 4.5.1 S-MAC协议的仿真 69 4.5.2 S-MAC协议流程图 70 4.5.3 S-MAC协议的分析 71 4.6 小结 86 参考文献 86 第五章网络层仿真 88 概述 88 5.1 无线传感器网络路由协议研究 88 5.1.1 无线传感器网络协议分类 88 5.1.2无线传感器网络中平面路由 90 5.1.3无线传感器网络中层次化路由 91 5.1.4 经典算法的OMNET仿真 93 5.2 无线传感器网络路由协议研究的发展趋势 104 5.3 无线传感器网络层路由协议与OMNET++仿真 104 5.3.1 无线传感器网络层路由与OMNET++仿真的基本概念[19] 104 5.3.1.1 传感器网络的体系结构 105 5.3.1.1.1 传感节点的物理结构 105 5.3.1.1.2 传感器网络的体系结构与网络模型 106 5.3.2 传感器网络层路由协议的基本概念 106 5.3.2.1 网络通信模式[28] 106 5.3.2.1.1 单播： 107 5.3.2.1.2 广播： 107 5.3.2.1.3 组播： 108 5.3.2.2传感器网络层设计[29] 108 5.3.3 OMNET++仿真软件的基本概念 109 5.4 无线传感器网络路由协议介绍 110 5.4.1 泛洪法(Flooding)[32] 111 5.4.2 定向扩散(Directed Diffusion：DD)[33] 112 5.4.3 LEACH( Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[34] 113 5.5. OMNET++仿真实例 114 5.5.1 泛洪法 114 5.5.2 gossiping协议 119 5.6 本章总结 121 参考文献 121 第六章应用层仿真 125 6.1 无线传感器网络节点定位 125 6.1.1 节点定位的基本概念 125 6.1.1.1 节点定位的定义 125 6.1.1.2 节点定位的重要性 126 6.1.2 节点定位的研究 126 6.1.2.1 测距方法 126 6.1.2.2 节点定位原理 127 6.1.2.3 节点定位算法分类 128 6.1.2.3.1 锚节点分类 128 6.1.2.3.2 计算方式分类 129 6.1.2.3.3 测距分类 130 6.1.2.3.4 节点移动性分类 130 6.1.2.4 节点定位性能评价[37] 130 6.1.3基于OMNET++的DV—Hop定位算法仿真 132 6.1.3.1 DV—Hop定位算法的基本思想 132 6.1.3.2 DV—Hop定位算法仿真 133 6.2 网络管理 141 6.2.1概叙 141 6.2.1.1 wsn网络管理的定义及范畴 142 6.2.1.2 wsn网络管理系统的分类 143 6.2.1.3 wsn网络管理系统的设计标准 144 6.2.2 wsn网络管理系统 145 6.2.2.1 能量管理系统 145 6.2.2.1.1 SenOs[5] 145 6.2.2.2 拓扑控制系统 146 6.2.2.2.1 TopDisc 算法 146 6.2.2.3 可调试、可配置、可编程系统 148 6.2.2.2.1 sympathy 系统[42] 148 6.2.2.2.2 Agilla系统[7] 149 6.2.3典型网络管理算法的Omnet 模拟 150 6.2.3.1 基于Wsn的一个简单拓扑查找算法算法模拟 150 6.2.4 结论 155 6.3 基于路由层安全协议的OMNeT++仿真 156 6.3.1 基础知识介绍 156 6.3.1.1无线传感器网络安全性的重要性和必要性 156 6.3.1.2 无线传感器网络的安全目标 156 6.3.1.3无线传感器网络中的路由协议概述 157 6.3.1.4无线传感器网络路由协议的攻击方法 157 6.3.1.5无线传感器网络中经典路由协议安全性分析 160 6.3.1.6 安全路由技术分析 162 6.3.1.6.1 密钥管理技术[20, 23, 24, 25] 162 6.3.1.6.2 安全路由协议 162 6.3.2 在OMNeT++ 中的仿真 163 6.3.3 总结 172 参考文献 172 第七章实例（无线传感器网络移动节点定位仿真） 179 概述 179 7.1 移动定位算法介绍 179 7.1.1 室内移动节点定位算法 179 7.1.1.1 Active Badge系统 180 7.1.1.2 RADAR系统 180 7.1.1.3 Cricket系统 180 7.1.2 室外移动节点定位算法 181 7.1.2.1 基于静态定位的移动定位算法 181 7.1.2.2 纯移动定位算法 182 7.2 移动定位算法的OMNeT++仿真 183 7.2.1 MCL（Monte Carlo Localization）定位算法简介 183 7.2.2 MCL（Monte Carlo Localization）的OMNeT++仿真 185 7.2.2.1 建立网络拓扑 185 7.2.2.2 编码阶段 190 7.3.总结和发展趋势 195 参考文献 195 【无线传感器网络仿真基于Omnet++】无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）是一种由大量微型传感器节点组成的自组织网络，用于环境监测、军事应用和物联网等多种场景。在实际部署之前，通常需要通过仿真来验证网络设计的可行性和性能。本文将详细介绍基于Omnet++的无线传感器网络仿真，包括Omnet++的基本概念和使用，以及在物理层、MAC层、网络层和应用层的仿真方法。 **第一章无线传感器网络概述** 这一章节介绍了WSNs的基础知识，并对比了几种常用的WSN仿真工具，如NS-2、OPNET、SensorSim、EmStar、GloMoSim、TOSSIM和PowerTOSSIM。这些工具各有优缺点，适合不同的仿真需求。 **第二章 OMNeT++简介** OMNeT++是一款开源的离散事件仿真框架，广泛应用于通信网络和分布式系统的建模。本章阐述了OMNeT++的组成、结构和安装步骤，讲解了其特有的NED语言，包括组件、函数、简单模块和消息的定义与操作。此外，还涉及了仿真过程、配置文件omnetpp.ini的使用和结果分析工具，如Plove和Scalar。 **第三章物理层仿真（信道）** 该章专注于无线传感器网络的物理层仿真，特别是超宽带（Ultra-Wideband, UWB）通信。UWB技术具有低功耗、高速率和高定位精度的特点。这里详细讨论了UWB的基础知识，包括信号的定义、脉冲生成方式、调制方式以及功率控制多址接入方法。随后，通过OMNeT++实现了UWB的仿真，包括算法流程、代码实现、仿真结果分析和应用前景。 **第四章 MAC层仿真** MAC（Medium Access Control）层是无线传感器网络的关键部分，负责数据传输的控制。本章分析了MAC层的特性，包括无线信道特性和设计原则，并分类介绍了随机竞争和时分复用等典型MAC协议，如S-MAC、T-MAC、AC-MAC、D-MAC、TRAMA、AI-LMAC等。同时，利用OMNeT++对S-MAC进行了仿真，展示了仿真流程和分析方法。 **第五章网络层仿真** 网络层主要负责路由选择，本章探讨了无线传感器网络的路由协议分类，包括平面路由、层次化路由等，并研究了经典协议的OMNeT++仿真，如泛洪法、定向扩散、LEACH等。同时，分析了未来发展趋势和OMNeT++在无线传感器网络层路由协议仿真的应用。 **第六章应用层仿真** 在应用层，主要关注节点定位和网络管理。节点定位的仿真展示了基于DV-Hop的定位算法，而网络管理则涵盖了能量管理、拓扑控制和可调试系统，如SenOs、TopDisc、Sympathy和Agilla等。并模拟了安全路由协议，分析了无线传感器网络的安全需求和攻击方法，以及相应的安全技术和协议。 **第七章实例（无线传感器网络移动节点定位仿真）** 本章提供了具体的移动节点定位算法的OMNeT++仿真实例，包括室内和室外定位算法，如Active Badge、RADAR、Cricket、基于静态定位的移动定位和纯移动定位。并重点介绍了蒙特卡洛定位（MCL）算法的OMNeT++实现。通过Omnet++进行无线传感器网络的仿真，可以全面地测试和优化网络设计，确保在实际部署前达到预期性能。这不仅涵盖了通信的基础层面，还深入到高级应用层面，为WSNs的研究提供了有力的工具和支持。

# 第一章：无线传感器网络概述 ## 1.1 无线传感器网络的基本概念与特点无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布在监测区域内的自组织、无线通信的传感器节点组成的网络。这些节点可以感知环境信息，并将数据传输到指定的地方，通常用于环境监测、智能交通、医疗卫生等领域。无线传感器网络的特点包括：能量受限、无线传输、分布式部署、自组织等。由于节点通常由电池供电，因此能源效率是设计W S N时需要考虑的重要因素之一。节点之间采用无线通信，因此在传输过程中需要考虑能耗和信号强度等问题。此外，由于节点分布广泛，网络拓扑结构通常是不规则的，在设计和实现上需要考虑自组织和自适应性。 ## 1.2 无线传感器网络在实际应用中的重要性无线传感器网络在实际应用中具有重要的意义。例如，在环境监测中，可以利用无线传感器网络实现对气象、水质、土壤等多种环境参数的实时监测；在智能交通系统中，无线传感器网络可以用于实现车辆的智能跟踪和交通管理；在医疗卫生领域，无线传感器网络可用于远程患者监测和医疗数据采集等方面。 ## 1.3 无线传感器网络中的关键问题与挑战在无线传感器网络中，存在着诸多关键问题与挑战。包括能源管理、数据传输、网络拓扑控制、安全和隐私保护等方面的挑战。为了解决这些问题，需要进行有效的网络建模与仿真，以便更好地理解无线传感器网络中的运作机制，并优化网络性能。 ## 2. 第二章： OMNeT介绍与基础知识 2.1 OMNeT的定义和发展历程 2.2 OMNeT的基本功能与特点 2.3 OMNeT中常用的建模元素与模块 ### 第三章：无线传感器网络建模无线传感器网络建模是指将真实世界中的无线传感器网络系统抽象成数学模型或计算机模型的过程，其目的是为了更好地理解和分析系统的行为特性。在OMNeT中进行无线传感器网络建模，需要深入了解建模的基本原理、常用的建模元素及模块，以及面临的挑战和解决方案。 #### 3.1 无线传感器网络建模的基本原理无线传感器网络的建模需要考虑到无线通信、传感器节点特性、能量消

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