基于OMNet++的主从式异构物联网仿真平台的研究

徐阳，张永刚，周小林，李颖，王习姁，郑立荣

基于OMNet++的主从式异构物联网仿真平台的研究

徐阳，张永刚，周小林，李颖，王习姁，郑立荣

本文分析并研究了融合GPRS和WLAN网络协议的主从式异构网络的物联网的系统性能，通过在OMNet++框架内进行建模，搭建仿真平台。在这种网络模型中，传感器网络的主节点同时作为局域网网关工作。通过仿真实际异构物联网场景的性能测试，研究网络延时、正确送达率与节点数量、报文长度等的关系，以实现在大规模搭建传感器网络前根据具体的网络性能和通信质量要求进行整体部署。

物联网；异构网络；主从式传感器网络

0 引言

物联网（Internet of Things, IoT），作为新一代信息技术的核心技术，能够将任何物品与互联网连接到一起进行信息的收集和交换。大规模物联网的实现需要分层网络的技术支持[1]，将网络分成传感器网络层和广域网层，其中传感器网络用于实现物联网的基础应用，例如数据的采集、交换、监控等。之后，数据再通过广域网层发送到服务器中。在传感器网络层，主-从结构[2]是一种常用的网络结构。通过人工地制定主节点和从节点，实现以主节点为核心的数据转发。其优点主要有技术成熟、节约成本、便于集成和维护等。

近年来，物联网技术逐渐深入到各个领域，针对不同的应用场景，传感器网络的架设需求有所不同。为解决不同性能要求的传感器网络的整体部署问题，基于OMNet++[3-4]的基本框架进行建模，搭建了一种融合GPRS和WLAN网络协议[5]的主从式异构物联网仿真平台。通过不同场景和参数配置的仿真性能测试，实现对大规模传感器网络搭建时的整体部署需求[6][7]。

1 系统框架

如图1所示：

图1 主从式异构物联网分层模型

针对分层的主从式异构物联网结构，该平台包括广域网层和传感器网络层，分别使用不同的网络协议和技术。该平台能够实现融合传感器网络和GPRS/WLAN网络协议的远程覆盖，并且支持数据在经过主节点时能够在两种网络中进行垂直切换。

主从式网络的通信流程如图2所示：

图2 主从式网络的通信流程

首先，主节点向基站发送信息，并根据回应进行配置。随后无线网络中的主节点保持在监听状态，在接收和储存传感器发来的数据后，主节点将信息合并为一个较长的数据帧，然后发送给基站。

2 网络配置

2.1 基于OMNet++的网络结构设计

在这一节中，我们将介绍主从式异构物联网仿真平台的模块框图，该平台主要有3个部分组成：传感器节点、主节点和基站服务器；各部分之间通过信道管理模块实现通信。除此之外还有其他功能性模块，例如移动控制模块以及通知模块。

（1）传感器节点位于网络结构的底层，做为数据源周期性地产生数据，以模拟在传感器网络中定时采集的数据。如图3所示：

图3 仿真平台模块框图

应用层用来产生数据；网络层模块为协议转换层；物理层模块为传输网络网卡。传感器节点产生的数据以特定格式经过主从式传感器网络发送到主节点。

（2）主节点不仅作为传感器网络的主节点接收数据，同时也作为局域网网关，将数据转发到基站。主节点选择就近的WLAN基站或GPRS基站，将节点发来的数据压缩整合后通过不同的接入网络发送到基站系统。

（3）基站系统包括GPRS基站和WLAN基站组成的服务器系统。

此外，信道管理模块用来实现无线通信，本文使用的信道管理模块是在OMNet++标准模块库INet[8]的基础上做一定修改，以实现同时支持传感器网络局域网网络。另外，以上仿真模块中，物联网应用层自行编写，网络层则在INet已有的模块基础上做修改。

2.2 参数配置

仿真中的无线信道使用标准的路径损耗模型，GPRS包含若干个数据信道，各个主节点单独占用一条信道使用。模型中假设同一频率的WLAN信号互相干扰，每个信道只允许一个主节点接入使用。物理层相关参数主要是与发送、接收相关的变量，用于定义信道模型，对于标准的路径损耗，在不考虑阴影衰落时有公式（1）：

仿真中物理层参数配置，如表1所示：

表1 基站、主节点、传感器节点的物理层参数配置

其他参数包括节点数量，信道数量，最大报长等是仿真中的主要变量，在不同的场景配置中取值不同。作为示范，以下列出一组典型取值：

**.NumNode = 200

**.NumMobile = 10

**.NumMobileChannel = 2

**.NumLocalChannel = 8

**.app.StartTime = uniform(1s,2s)

**.app.MaxPacketToSend = 1

**.app.MaxPacketLength = 2048 bit

2.3 场地配置

本节模拟了对固定长宽的矩形场地的仿真，仿真结果能够用于调整网络配置，评估网络性能，为实际应用中的农业物联网搭建提供参考。由于在实际应用场景中，传感器节点呈不规则排列，因此，本仿真中传感器节点在整个场地中随机放置。GPRS基站位于场地中央，WLAN基站平均分布在场地范围内，以提供足够的网络覆盖。主节点在整个场地中平均分布，如图4所示：

图4 基站、主节点分布示意图

通常，主节点位置是固定不变的，而从节点具有移动性，移动模式在移动控制模块中定义。

3 仿真结果分析

在实际农业物联网场景中，为使通信质量和组网成本达到平衡，且在保证服务质量的情况下达到网络的最大容量，需要对场景内的主节点和传感器节点的数量以及分布情况进行一个整体规划。大田场景模拟了在一个长1000米，宽400米的场地中部署了1个GPRS基站，6个WLAN基站，30个主节点和600个传感器节点的情况，相当于每块33米×20米的土地上就有一个传感器采集当前的温度、湿度等信息。这里进行了30个主节点情况下最多600个传感器节点的测试，假设每个节点产生2Kbit数据，并尝试在10s内全部上传。

测试结果如图5所示：

图5 测试结果

在只使用GPRS基站接收数据的情况下，数据传输的平均延时和最大延时随着节点数的上升而增大。若应用场景需要严格的限制最大延时，如延时不超过0.5s，那么网络中最多能够容纳的传感器节点约为400个。在只使用WLAN基站接收数据的情况下，随着传感器节点数量的增加，数据的正确送达率逐步减小。如果应用场景规定正确送达率保持在95%以上，那么网络中最多能容纳约500个传感器节点。

为了使数据延时和正确送达的概率达到一个平衡，来满足不同应用场景的需求，对同时使用GPRS基站和WLAN基站的网络进行了仿真。主节点选择就近的WLAN基站上传数据，如果主节点在WLAN基站的接受范围之外，则将数据上传到GPRS基站。600个传感器节点的测试结果如图6所示：

图6 测试结果

其正确送达率能够保持在95%以上，数据延时随报文长度的增加而增加，报文长度64Kbit时数据延时仍能控制在0.5s以内。

此外，针对生产消费的应用环境，仿真场景模拟了400x100的场地，包括1个GPRS基站，1个WLAN基站，10个主节点和200个传感器节点。传感器节点以1.5米每秒的速度随机移动，用来模拟仓库中货物车，或超市中超市手推车的运动状态。测试结果如图7所示：

图7 测试结果

在搭建传感器网络时，可以根据实际应用场景对数据延时和正确送达率的要求，可以通过减少传感器数量、减少报文长度等来提高网络性能。

4 总结

本文基于OMNet++基本框架，搭建了一个主从式异构物联网仿真平台，实现了融合传感器网络和和GPRS/WLAN网络协议的远程网络覆盖，主节点能够在两种网络中进行垂直切换，将数据转发到GPRS基站或WLAN基站。

通过不同场景和参数配置，分析网络性能。结果显示了在农业物联网环境下，正确送达率保持在95%以上，网络延时控制在0.5s以下时的最大报长和节点数量。基于这一研究，可以实现对大规模传感器网络搭建时的整体部署需求。

[1] Zhang, Z., Pang, Z., Chen, J., Chen, Q., Tenhunen, H., Zheng, L. R., and Yan, X. 2009. Two-layered wireless sensor networks for warehouses and supermarkets. In Mobile Ubiquitous Computing[J], Systems, Services and Technologies, 2009: 220–224.

[2] Thompson, G. O. 2001. Method for establishing a master-slave relationship in a peer-to-peer network[J]. US Patent 6,192,397.

[3] Zhang, Z., Lu, Z., Chen, Q., Yan, X., and Zheng, L. R. 2010. Cosmo: Co-simulation with matlab and omnet++ for indoor wireless networks[J]. In Global TelecommunicationsConference 2010: pp. 1–6.

[4] Varga, A. 1999. Using the OMNeT++ discrete event simulation system in education.In Education[J], IEEE Transactions on, 42(4) : pp. 11.

[5] Salkintzis, A. K., Fors, C., and Pazhyannur, R. 2002. WLAN-GPRS integration for next-generation mobile data networks[J]. Wireless Communications, IEEE, 9(5): 112–124.

[6] Simbeye, D. S., Zhao, J., and Yang, S. 2014. Design and deployment of wireless sensor network for aquaculture monitoring and control based on virtual instruments[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 102,31–42.

[7] Ndzi, D. L., Harun, A., Ramli, F.M., Kamarudin,M. L., Zakaria, A., Shaka, A. Y. M., Jaafar, M. N., Zhou, S., and Farook, R. S. 2014. Wireless sensor network coverage measurement and planning in mixed crop farm[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 105,83–94.

[8] Varga, A. et al. 2009. Inet framework for omnet++ 4.0.http://inet.omnetpp.org/, retrieved on June.

Research on the Master-slave Heterogeneous IoTNetwork Simulation Platform Based on OMNet++

Xu Yang, Zhang Yonggang, Zhou Xiaolin, Li Ying, Wang Xixu, Zheng Lirong
(Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai200433, China)

In this paper, the network performance of a master-slave heterogeneous network with GPRS and WLAN protocols isanalyzed and studied, by building an Internet of Things (IoT) simulation platform with OMNeT++, in which the master nodes also work as a LAN gateway. The relationship between network delay, rate of delivery and number of nodes, packet length is studied through simulation based on heterogeneousscenarios, in order to make a global arrangement according to the requirements of network performance before building a sensor network.

Internet of Things; Heterogeneous Network; Master-Slave Sensor Network

TP311

A

1007-757X (2014)10-0004-04

2014.09.01）

国家高科技研究发展技术（863计划）（2011AA100701）；国家科技重大专项项目（No.2012ZX03001013）

徐 阳（1990-），女，复旦大学，硕士研究生，研究方向：物联网，无线定位等，上海，200433张永刚（1972-），男，复旦大学，博士研究生，研究方向：物联网，智慧城市等，上海，200433李 颖（1989-），男，复旦大学，硕士研究生，研究方向：物联网，嵌入式开发等，上海，200433周小林（1973-），男，复旦大学，博士，副教授，研究方向：物联网、FSO、迭代接收机等，上海，200433王习姁（1989-），女，复旦大学，硕士研究生，研究方向：无线通信方向，上海，200433郑立荣（1969-），男，复旦大学，教授，博士，研究方向：电子系统设计，上海，200433